2.3 Les conditions aux limites du modèle dynamique
2.3.4 Le forçage atmosphérique
(NEMO-MED12).
Nous avons utilisé dans nos études une version régionale du modèle NEMO développée pour le bas-sin méditerranéen NEMO-MED12. Ce modèle est une plateforme commune partagée par de nombreux centres de recherche travaillant sur la modélisation du climat méditerranéen (IPSL, METEO France, ENSTA,..). Dans un premier temps nous rappellerons brièvement les caractéristiques générales ce modèle pour ensuite présenter les spécificités de la version méditerranéenne.
2.1 Présentation générale du modèle NEMO.
NEMO "Nucleus for European Modelling of the Ocean" (Madec and NEMO-Team.,2008), est un mo-dèle de circulation générale océanique (Ocean General Circulation Model, OGCM), développé à l’origine pour l’océan global. Il est composé de plusieurs modules : OPA (Ocean parallel) pour la dynamique de l’océan ; TOP (Tracers in the Ocean Paradygm) qui gère le couplage avec les modèles biogéochimiques PISCES ou LOBSTER, et le module TRIP pour les traceurs passifs.
Le modèle NEMO résout les équations primitives de Navier-Stokes, avec une équation d’état non-linéaire qui relie les deux traceurs actifs (salinité et température) aux vitesses horizontales (U, V) et verticale (W) du fluide :
— l’équation de Navier-Stokes qui décrit la conservation de quantité de mouvement : D−→U Dt =− − → ∇P ρ + −→g − 2−→Ω ×−→U +−→DU (2.1) avec D
Dt la dérivée particulaire, −→∇ l’opérateur nabla désignant les dérivées vectorielles suivant les 3 dimensions, t représente le temps, P la pression, −→g l’accélération de la gravité terrestre, −→Ω le vecteur vitesse de la rotation terrestre, et enfin −→DU est lié à la paramétrisation des processus sous maille non résolus.
— l’équation de continuité qui décrit la conservation de la masse : ∂ρ
∂t + − →
∇.(ρ−→U ) = 0 (2.2)
— les équations de conservation de sel, et de chaleur : ∂S
∂t =−−→∇.(S−→U ) + DS (2.3)
∂θ
∂t =−−→∇.(θ−→U ) + Dθ (2.4)
où S représente la salinité, θ la température potentielle, DS et Dθ les termes de paramétrisation sous-maille de la salinité et de la température potentielle.
— l’équation d’état de l’eau de mer :
ρ = ρ(θ, S, P ) (2.5)
Ces équations sont soumises à des hypothèses simplificatrices relatives aux échelles caractéristiques de l’océan :
— Approximation de couche mince : on suppose que la profondeur de l’océan est négligeable devant le rayon terrestre. Ce qui permet de négliger les effets de la courbure de la terre dans les équations. — Approximation de la Terre sphérique : les surfaces géopotentielles sont supposées sphériques de
— Hypothèse de fermeture turbulente : les flux turbulents sont considérés comme des processus sous-maille (inférieurs à la taille d’une sous-maille). Ces effets de petite échelle doivent être paramétrisés à grande échelle pour fermer les bilans des variables pronostiques.
— Approximation hydrostatique : l’équation de conservation de la quantité de mouvement est réduite à l’équilibre entre le gradient vertical de pression et la force de flottabilité. Les processus convectifs des équations de Navier-Stokes sont donc supprimés, et devront être paramétrés.
— Hypothèse d’incompressibilité : la divergence du vecteur vitesse tridimensionnel du fluide est nulle. — Approximation de Boussinesq : les variations de la densité sont négligées dans les équations, sauf
dans leur contribution à la force de flottabilité.
— Schéma de fermeture turbulente : le schéma de fermeture utilisé dans les équations pour la diffusion turbulente est le modèle d’énergie cinétique turbulente (TKE) d’ordre 1.5.
Les équations primitives sont discrétisées sur une grille de type Arakawa C (Arakawa, 1972), en coor-donnée z avec configuration partial-step (l’épaisseur du niveau le plus profond peut varier pour s’adapter aux profondeurs réelles qui différent donc par rapport aux épaisseurs standards de la grille verticale), voir Figure2.1)
Figure 2.1 – Présentation de la disposition des variables dans une grille de type ARAKAWA C. T représente le positionnement des variables scalaires T, S, ρ, P et la divergence horizontale. u,v et w représentent la position des vitesses horizontales et verticale, et f le positionnement des vorticités (relative et planétaire). Tiré du guide de NEMO (version 3.2 ;Madec and NEMO-Team.(2008)).
2.2 NEMO–MED12 : Configuration Méditerranéenne
Les premiers modèles de la famille NEMO-Méditerranée, sont OPAMED16 (Béranger et al., 2005) développés entre l’ENSTA, MERCATOR et LOCEAN, pour étudier la méso-échelle en Méditerranée avec une résolution horizontale de 1/16◦ (∼ 5 à 7 Km), puis une version moins couteuse avec une résolution dégradée (1/8◦∼ 10 Km) appelé OPAMED8 développée au LOCEAN et CNRM pour des études clima-tiques (Somot,2005;Somot et al.,2006;Bozec,2006)
Une version commune a été développée en se basant sur le modèle opérationnel de Mercator-Océan MNATL12 au 1/12◦(6 à 8 km de résolution horizontale) suffisamment fine pour commencer à reproduire l’activité méso-échelle, avec une bathymétrie à haute résolution basée sur la 10emeversion de « Mercator-LEGOS bathymetry » et une carte de résolution 30" x 30" (∼ 1/120◦, dégradée au 1/12◦), et retravaillée pour corriger certains problèmes liés à la dégradation.
(NEMO-MED12).
Figure 2.2 – Carte de la bathymétrie de modèle NEMO-MED12 (en mètres) . Tiré deBeuvier et al.(2012a).
Le modèle NEMO-MED12 est la version la plus utilisée par la communauté des modélisateur en Mé-diterranée pour les différents applications. Il est intégré à la plateforme de modélisation régionale sur la Méditerranée : MORCEMED (Drobinski et al., 2012). Une présentation complète de ces différentes version est bien détaillée dans Beuvier et al.(2012a,b, 2010);Beuvier(2011)
Une version à plus haute résolution (NEMO-MED36, au 1/36◦, 75 nivaux verticaux) est aussi dis-ponible afin d’étudier les processus à plus fine échelle (Arsouze et al., in Prep). Mais cette version reste actuellement trop coûteuse pour être utilisée par des simulations de plusieurs décennies.
Dans mes différentes simulations des traceurs en mer Méditerranée, j’ai utilisé la dynamique de NEMO-MED12 issue des travaux de thèse deBeuvier(2011), en mode de couplage offline, c’est-à-dire en trans-portant les variables des différents traceurs à l’aide des sorties pré-calculées du modèle physique. Le principal avantage de cette méthode est de permettre de réaliser des simulations à moindre coût : le modèle dynamique est intégré une seule fois et peut être utilisé pour différentes simulations de traceurs. Ainsi ce mode de couplage permet de réaliser facilement plusieurs tests de sensibilité.
2.3 Les conditions aux limites du modèle dynamique.
2.3.1 Les conditions aux limites.
L’extrémité Ouest du modèle à 11◦W (Gibraltar) est une frontière fermée. Les échanges entre la Mé-diterranée et l’Atlantique sont assurés par une zone tampon (appelé buffer zone), située entre 11◦W et 6◦W dans laquelle certains paramétres sont fortement contraints. Ainsi, la température et la salinité sont rappelées sur l’ensemble de la colonne d’eaux vers les climatologies mensuelles de World Ocean Atlas de
Locarnini et al.(2006) et Antonov et al.(2006), ou inter-annuelles basées sur le travail deDaget et al.
(2009), afin de simuler l’évolution historique (sur la période 1960-2009) de l’eau Atlantique.
Pour conserver la quantité d’eau en Méditerranée (bassin d’évaporation), un rappel en surface de la SSH (Sea Surface High) est effectué dans la zone tampon vers une climatologie, afin de maintenir les échanges d’eau à Gibraltar et pour préserver la quantité totale d’eau du modèle (voir Beuvier (2011) pour plus de détails).
2.3.2 Les fleuves et la Mer Noire.
Les apports fluviaux sont modélisés dans NEMO-MED12 par un flux d’eau douce en surface au niveau de l’embouchure des fleuves, issus des travaux de Ludwig et al. (2009), mais regroupés par sous-bassins afin de garder les 29 principaux fleuves méditerranéens de la base RivDis de l’UNESCO (Vörösmarty et al., 1996). Le débit des fleuves est interannuel sur la période entre 1960 et 2000, avec prise en compte des anomalies saisonnières pour les plus gros fleuves.
La mer Noire n’est pas explicitement représentée dans la configuration de NEMO-MED12, mais elle est considérée comme un 30emefleuve dans le modèle. Ses échanges d’eau avec la Méditerranée au niveau des Dardanelles sont prescrits comme flux d’eau peu salée qui entre en surface et une veine d’eau plus salée sortant en subsurface (Stanev and Peneva,2002).
2.3.3 Les conditions initiales.
Les conditions initiales, pour les simulations dynamiques, sont différentes entre la partie Atlantique, et dans la Méditerranée :
— Atlantique (buffer zone) : les conditions initialles de température et salinité proviennent des don-nées de WOA deLocarnini et al.(2006) et deAntonov et al.(2006) successivement.
— Pour la partie méditerranéenne les données utilisées proviennent des climatologies mensuelles de
MEDAR-MedAtlas-group(2002).
2.3.4 Le forçage atmosphérique.
Le modèle NEMO-MED12 est forcé par des flux atmosphériques. Il reçoit alors les flux de chaleur sensible, latente, flux infrarouge, flux solaire, bilan évaporation–précipitation, et flux de quantité de mouvement. La SST, calculée par un modèle atmosphérique issu du modèle ARPERA (Herrmann and Somot,2008), disponible pour la période 1958-2013. ARPERA consiste en un "downscaling" en "spectral nudging" opéré par Arpège-Climat (Déqué and Piedelievre,1995) aux champs atmosphériques issus de l’ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecast), calculé sur une grille de 50 km de résolution. ARPERA possède une chronologie réaliste, et prend en compte le relief particulier de la région Méditerranéenne (Figure 2.3) avec une bonne représentation des principaux vents présents en Méditer-ranée (Mistral, Bora, Tramontane...), qui jouent un rôle très important pour la bonne simulation de la formation des eaux profondes et intermédiaires (Lebeaupin Brossier et al.,2011).
(NEMO-MED12).
Figure 2.3 – Grille horizontale et relief (en mètres) du modèle ARPERA, chaque point correspond à un point de grille. Tiré deBeuvier(2011).
Chapitre 3
Etude de la variabilité interannuelle de
la circulation thermohaline avec le
modèle NEMO-MED12.
Sommaire
3.1 Introduction. . . 26