Identification du probl`eme

Repr´esentation des eaux de fond

La Figure 2.1 pr´esente deux sections verticales de salinit´e dans l’oc´ean Austral dans la simulation DRAKKAR globale ORCA025-G70 (Barnier et al., 2006) : une section cor-

respondant `a l’ann´ee 1958 (premi`ere ann´ee de la simulation) et l’autre section `a l’ann´ee

1968 (soit dix ans apr`es le d´ebut de la simulation). Le volume de l’´epaisse couche d’eaux tr`es sal´ees qui tapisse le fond de l’oc´ean en 1958 a fortement diminu´e en 1968. En outre, la structure haline pr´esente initialement en 1958 est consid´erablement modifi´ee en dix ans de simulation, induisant en particulier un affaissement des pentes isopycnales. L’ensemble des ces ´el´ements semblent ainsi indiquer une ´erosion rapide des propri´et´es thermohalines des masses d’eau de fond antarctiques (AABW) en dix ans de simulation ORCA025-G70. Un diagnostic plus quantitatif nous apprend que le volume des AABW d´ecroˆıt lin´eairement

au cours de la simulation ORCA025-G70, correspondant `a une perte de 25% environ du

Fig. _{2.1 – Sections verticales `a 140˚E de salinit´e moyenne pour l’ann´ee 1958 (gauche) et} 1968 (droite) dans la simulation DRAKKAR globale ORCA025-G70. La ligne continue

blanche indique l’isopycne 34,7 kg m−3_.

Cons´equences

La Figure 2.2 pr´esente l’´evolution temporelle du transport annuel au niveau du Pas-

sage de Drake dans trois simulations DRAKKAR globales `a diff´erentes r´esolutions. Dans

chacune des simulations, l’ajustement initial du transport qui a lieu jusqu’au milieu des

ann´ees 1970 fait place `a une tendance n´egative qui perdure jusqu’`a la fin de la simulation.

Par ailleurs, l’´evolution du transport annuel de la simulation ORCA025-MJM01 qui a

tourn´e 300 ans avec un for¸cage climatologique2 pr´esente ´egalement une tendance n´egative

(non montr´e). Aussi, la pr´esence d’une tendance syst´ematique dans le transport de l’ACC

des simulations DRAKKAR ne peut ˆetre associ´ee `a un signal climatique pr´esent dans le

for¸cage atmosph´erique, mais indique plutˆot une d´erive interne au mod`ele. Une telle d´erive

est susceptible d’ˆetre caus´ee par une perte du volume des AABW (en raison de l’´erosion de leurs propri´et´es thermohalines), engendrant une diminution du gradient m´eridien de densit´e et donc de l’intensit´e du transport de l’ACC comme le discutent Treguier et al.

(2010) `a partir de la simulation DRAKKAR ORCA025-G70.

Origines

La Figure 2.3.a montre une vue sch´ematique de la localisation des AABW dans l’oc´ean

Austral, de leur formation sur les marges continentales `a leur ´ecoulement le long du ta-

lus continental jusqu’aux profondeurs abyssales. Deux processus semblent principalement

pouvoir ˆetre `a l’origine d’une mauvaise repr´esentation des AABW dans un mod`ele :

1. La formation des AABW : elle fait intervenir d’une part les eaux circumpolaires profondes (CDW) en provenance du nord et affleurant pr`es du continent Antarctique et d’autre part les eaux de plateaux (SW) (Orsi et al., 1999). Ces derni`eres sont

2

Un for¸cage climatologique est un for¸cage que l’on r´ep`ete `a l’identique chaque ann´ee. Il ne contient donc

2.3. Une solution pour pallier le probl`eme de repr´esentation des eaux de fond 55

Fig. _{2.2 – S´eries temporelles du transport annuel (en Sv) sur la p´eriode 1958-2004 au}

niveau du Passage de Drake pour les simulations DRAKKAR globales de r´esolution 2˚ (ORCA2-G70), 0,5˚ (ORCA05-G70.112) et 0,25˚ (ORCA025-G70) (Figure r´ealis´ee par J.-M. Molines).

essentiellement form´ees `a partir des rejets de sel dus `a la formation de glace de

mer ainsi qu’`a la fonte basale des ice-shelves3. Ainsi, la formation des AABW est

´etroitement pilot´ee par les flux de chaleur et de sel `a la surface de l’oc´ean.

2. L’´ecoulement des AABW : suite `a la formation des AABW sur les plateaux

continentaux antarctiques, leur extrˆeme densit´e enclenche un m´ecanisme de convec- tion qui provoque leur subduction vers les profondeurs oc´eaniques. Cette descente des AABW s’effectue par ´ecoulements gravitaires le long de la topographie.

Ainsi, une mauvaise repr´esentation des processus de formation ou d’´ecoulement des AABW peut ˆetre responsable de la mauvaise repr´esentation des propri´et´es thermohalines

des AABW dans le mod`ele. De nombreuses ´etudes se sont attach´ees `a am´eliorer la for-

mation des AABW notamment par le biais de travaux sur le for¸cage atmosph´erique dans

les zones cˆoti`eres antarctiques (Mathiot, 2009) ou d’un couplage du mod`ele oc´eanique

avec l’atmosph`ere (Jourdain, 2007). Si des progr`es restent encore `a faire de ce cˆot´e, les

for¸cages atmosph´eriques utilis´es dans les simulations DRAKKAR permettent actuellement

d’entretenir la formation des AABW dans les zones cˆoti`eres antarctiques (Mathiot, 2009).

L’origine du probl`eme de repr´esentation des AABW semble donc plutˆot li´e `a la r´esolution

des processus d’´ecoulements le long des reliefs topographiques par le mod`ele.

La repr´esentation des ´ecoulements d’eaux denses est connue pour ˆetre un probl`eme typique des mod`eles en coordonn´ees verticales z (Winton et al., 1998; Lee et al., 2002) qui

3

Ce sont des plateaux de glace continentale de plusieurs centaines de m`etres d’´epaisseur qui bordent le continent Antarctique.

Fig._{2.3 – Sch´emas explicatifs repr´esentant (a) les deux principales causes potentiellement} `

a l’origine de la mauvaise repr´esentation des propri´et´es thermohalines des AABW, et (b) la solution propos´ee pour pallier de probl`eme : le rappel des propri´et´es thermohalines des AABW.

se fondent sur l’hypoth`ese hydrostatique alors que les ´ecoulements gravitaires d´ependent essentiellement de processus non-hydrostatiques comme l’entraˆınement. Dans les mod`eles de type hydrostatique, la diffusion horizontale associ´ee aux sch´emas d’advection induit un

m´elange diapycnal excessif (Lee et al., 2002) qui tend `a ´eroder les propri´et´es des AABW.

Une bonne repr´esentation des ´ecoulements gravitaires le long de la topographie requiert la r´esolution de la couche limite de fond (Pacanowski et Gnanadesikan, 1998; Killworth et Edwards, 1999). Ceci implique soit d’augmenter la r´esolution horizontale et verticale du

mod`ele de fa¸con consid´erable (Winton et al., 1998) et atteindre alors un coˆut actuellement

encore prohibitif pour les simulations, soit de param´etrer la couche limite de fond (comme le fait par exemple le sch´ema BBL discut´e par Hervieux (2007)). La derni`ere solution

n´ecessitant une ´etude `a part enti`ere4, qui n’est pas l’objet de nos travaux, j’ai donc opt´e

pour la mise en place d’une solution palliative du probl`eme de repr´esentation des AABW qui est pr´esent´ee ci-apr`es.