Famille B : simulations dynamiques avec CFC11

La famille B regroupe l’ensemble des simulations dynamiques coupl´ees oc´ean-glace de mer r´esolvant ´egalement les CFC11 et r´ealis´ees dans les configurations PERIANT05 et PERIANT025. Ici, nous ´evaluons les simulations de r´ef´erence de r´esolution 0,5˚(CFC05) et de r´esolution 0,25˚ (CFC025) dont la premi`ere a servi pour l’initialisation de la dyna- mique des simulations coupl´ees oc´ean-glace de mer-biog´eochimie de la famille C.

Le CFC11 (chlorofluorocarbone-11) est un gaz d’origine purement anthropique, ´emis d`es le d´ebut des ann´ees 1930 par les activit´es industrielles. Il p´en`etre par ´echange gazeux

dans l’oc´ean o`u il est transport´e et m´elang´e comme un traceur chimiquement et biologi-

quement inerte. Le CFC11 constitue ainsi un traceur particuli`erement adapt´e `a l’´etude

de la formation des masses d’eau ainsi que des processus de m´elange sur des ´echelles de plusieurs d´ecennies (Dutay et al., 2002; Lachkar et al., 2009b). Suite aux ´etudes montrant son caract`ere dangereux pour l’ozone stratosph´erique, des mesures r´eglementaires ont ´et´e prises afin de r´eduire les ´emissions de CFC11, induisant une diminution de la concentration

atmosph´erique de CFC11 `a partir des ann´ees 1995 (voir Figure 3.8).

Les caract´eristiques de CFC05 et CFC025 sont r´esum´ees dans le tableau 3.2. La glace

de mer est initialis´ee `a partir d’un crit`ere de formation de glace bas´e sur les champs de

temp´erature de la climatologie de Levitus et al. (1998). Ce choix est motiv´e par le fait que les simulations DRAKKAR globales pr´esentant un jeu de param`etres semblable au nˆotre

sont elles aussi initialis´ees en 1958, et ne peuvent donc fournir `a ce moment des champs de

glace de mer stabilis´es. Les champs de CFC11 sont quant `a eux initialis´es `a partir des sor-

Fig. _{3.8 – Evolution temporelle de la fraction molaire atmosph´erique de CFC11 dans}

l’h´emisph`ere sud entre 1930 et 2008, exprim´ee en ppt (partie par trillion). Les donn´ees proviennent du programme de recherche sur les halocarbones men´e par le laboratoire de recherche sur le syst`eme terre de la NOAA. Les lignes verticales en pointill´ees d´elimitent la p´eriode de nos simulations.

3.3. Evaluation de l’´etat moyen des simulations 93

Tab. _{3.2 – Caract´eristiques des simulations de r´ef´erence CFC05 et CFC025. ORCA05-}

G70.114 (Biastoch et al., 2008) et ORCA025-G70 (Barnier et al., 2006) sont des simula- tions DRAKKAR globales de r´esolution 0,5˚ et 0,25˚ respectivement.

G´en´eralit´es

Version NEMO 3.2

Configuration PERIANT05 PERIANT025

P´eriode 1958-1994

Initialisation

θ, S Climatologie de Levitus et al. (1998)

~

U ~0

Glace de mer isotherme 1.5˚C (Levitus et al., 1998)

CFC11 ORCA05-G70.114 (1959) ORCA025-G70 (1959)

OBC

θ, S, ~U , CFC11 ORCA05-G70.114 ORCA025-G70

ties des simulations DRAKKAR globales correspondantes, un an apr`es l’initialisation des champs physiques du mod`ele (soit en 1959) pour ´eviter les effets d’ajustement dynamique vigoureux qui ont lieu en d´ebut de simulations. Les simulations DRAKKAR globales sont initialis´ees en 1958, soit quelques ann´ees apr`es l’enregistrement des premi`eres ´emissions de CFC11 dans l’atmosph`ere. Cette strat´egie est d’une part motiv´ee par des raisons pratiques

de coˆuts de calcul et de disponibilit´e des r´eanalyses atmosph´eriques12_{. Elle est d’autre part}

justifi´ee par le fait que les concentrations atmosph´eriques de CFC11 en 1958 ´etant tr`es petites devant les concentrations maximales atteintes dans les ann´ees 1990 (∼2%), les solu-

tions du mod`ele quant `a l’absorption des CFC11 dans l’oc´ean seront davantage influenc´ees

par la circulation r´esolue que par l’initialisation de la simulation.

GLODAP13 (GLobal Ocean Data Analysis Project, Key et al. (2004)) coordonne un

ensemble de projets de recherche avec pour principal objectif de produire un jeu de donn´ees coh´erent sur la distribution globale du carbone naturel et anthropique dans l’oc´ean. Les campagnes oc´eanographiques men´ees dans les ann´ees 90 dans le cadre des programmes

WOCE (voir section pr´ec´edente), JGOFS14 _{et OACES}15 _{ont ainsi ´et´e regroup´ees et ana-}

lys´ees. Ici, nous utilisons la climatologie de CFC11 issue de GLODAP dont la synth`ese des donn´ees est centr´ee en 1994.

La Figure 3.9 pr´esente une comparaison des concentrations de surface, des inventaires (int´egrales verticales de la concentration) et de la profondeur de p´en´etration des CFC11 en 1994 entre les simulations de r´ef´erence CFC05 et CFC025, et la climatologie GLODAP. Dans les observations comme dans les simulations, la distribution spatiale de la concentra- tion de CFC11 pr´esente un gradient m´eridien avec des concentrations ´elev´ees aux hautes

12

La r´eanalyse ERA-40 commence en 1958

13

http ://cdiac.ornl.gov/oceans/

14

U.S Joint Global Ocean Flux Study, site : http ://www1.whoi.edu/jgofs.html

15

Fig._{3.9 – (Haut) Concentration en surface (en pmol kg}−1_{), (milieu) inventaire de CFC11}

(en mol m−2_{), et (bas) profondeur de p´en´etration (en m) pour les simulations de r´ef´erence}

CFC05 et CFC025, et la climatologie GLODAP (Key et al., 2004). Pour les simula- tions, les concentrations de CFC11 sont pr´esent´ees en moyenne sur l’ann´ee 1994 et les inventaires de CFC11 sont pr´esent´es en moyenne sur les cinq jours centr´es autour du 31

d´ecembre 1994. Pour les simulations, l’inventaire de CFC11 a ´et´e calcul´e `a partir de la

concentration de CFC11 en multipliant le champ par la masse volumique de l’eau de mer. Les lignes continues noires repr´esentent la position moyenne des fronts.

latitudes et des concentrations plus faibles aux moyennes latitudes. Cette distribution est

caus´ee par la forte d´ependance de la concentration des CFC11 `a la temp´erature de par

la solubilit´e. Les concentrations simul´ees par CFC05 et CFC025 sont en accord avec les observations au nord du PF. En revanche, au sud du PF, des diff´erences majeures appa- raissent avec notamment des concentrations de CFC11 plus ´elev´ees dans les simulations

(∼ 7-8 pmol kg−1_{) que dans les observations (∼ 6-7 pmol kg}−1_{). On notera ´egalement peu}

3.3. Evaluation de l’´etat moyen des simulations 95

Fig. _{3.10 – Int´egrale zonale de l’inventaire de CFC11 (en Mmol deg}−1_{) dans l’oc´ean}

Austral (sud de 30˚S) pour les simulations de r´ef´erence CFC05, CFC025 et la climatologie GLODAP (Key et al., 2004).

Dans les observations comme dans les simulations, la distribution spatiale de l’inven- taire de CFC11 sur la colonne d’eau pr´esente un maximum dans la bande de latitude de l’ACC et des valeurs plus faibles au nord et au sud de l’ACC. Dans les deux simulations,

aux latitudes de l’ACC, l’inventaire est plus ´elev´e (∼ 5 mol m−2_{) que dans les observa-}

tions (∼ 4 mol m−2_{), soit une surestimation d’environ 20%. La Figure 3.10 pr´esente une}

comparaison de l’int´egrale zonale de l’inventaire de CFC11. L’inventaire de CFC11 simul´e par CFC05 et CFC025 est surestim´e presque sur tout le domaine austral, notamment aux

latitudes 40˚S-50˚S o`u la diff´erence avec les observations est maximale. Les Figures 3.9

et 3.10 montrent ´egalement que l’apport d’une r´esolution plus fine tend `a augmenter la

surestimation de l’inventaire de CFC11 par le mod`ele.

Dans les observations comme dans les simulations, la profondeur de p´en´etration des CFC11 est maximale aux latitudes de l’ACC ainsi qu’au nord de l’ACC dans l’Atlantique Sud et l’Indien Sud. De mani`ere g´en´erale, les deux simulations surestiment la profondeur de p´en´etration sauf au sud du PF dans les secteurs Atlantique et Indien. Cette surestima-

tion peut atteindre 200 m dans les r´egions o`u la profondeur de p´en´etration est maximale

et s’accroˆıt avec la r´esolution.

Dans les simulations CFC05 et CFC025, cette surestimation des concentrations de

tudes affectant la solubilit´e des CFC11. Elle peut ´egalement ˆetre li´ee `a une dynamique du

mod`ele entretenant des concentrations de CFC11 trop faibles en surface (dˆu par exemple

`

a un m´elange vertical trop important). Quant `a la surestimation de l’inventaire de CFC11

sur la colonne d’eau dans les simulations, elle peut ˆetre imput´ee d’une part aux concen-

trations de CFC11 trop ´elev´ees en surface et d’autre part `a des couches de m´elange trop

profondes comme l’ont montr´e les travaux de Lachkar et al. (2007). En effet, une comparai- son des profondeurs de couche de m´elange (Figure 3.4) et des profondeurs de p´en´etration de CFC11 (Figure 3.9) montre une correspondance des surestimations de chacune de ces variables par rapport aux observations, en particulier dans l’Atlantique Sud au nord du STF, dans l’Indien Sud aux latitudes de l’ACC et au nord de l’ACC, et dans le Pacifique

Sud-Est. En outre, l’intensification du biais de couche de m´elange hivernale `a plus haute

r´esolution tend `a corroborer cette hypoth`ese.