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1.4 Conclusion

2.1.1 Les équations fondamentales des modèles de circulation générale

Les équations primitives des écoulements océaniques dérivent des équations fondamentales de

la dynamique des fluides sur la Terre en rotation, le fluide considéré dans ces équations, l’eau de

mer, comportant du sel en concentration variable. Ces équations fondamentales sont composées des

équations de Navier Stokes (équations du mouvement), des équations de conservation de quantités

liées aux variables thermodynamiques (essentiellement la température et la salinité), de l’équation

de conservation de la masse, et d’une équation empirique d’état liant la densité d’une particule

élémentaire d’eau ρ à sa température T, sa salinité S, et à la pressionp qui s’exerce sur elle.

On s’appuie sur l’hypothèse de la terre sphérique pour écrire les équations primitives : les surfaces

géopotentielles sont supposées sphériques et la force gravitationnelle dans la direction du rayon de

la Terre, qui définit alors la direction verticale. Avec l’hypothèse de la couche mince selon laquelle la

profondeur de l’océan est très faible devant le rayon de la Terre, cela permet d’avoir une projection

2

La capacité de ces adaptations est cependant limitée : les configurations côtieres dont la résolution est inférieure

aukmnécessitent l’emploi de modèles fondamentalement différents des OGCM, du fait de l’invalidation à trop haute

résolution de certaines hypothèses, notamment de l’hypothèse hydrostatique.

puis une application simple des équations dans un repère cartésien local tournant (suivant la rotation

de la Terre) dont l’origine est à la verticale de la particule de fluide considérée, à une distance de

référence par rapport au centre de la Terre (dans la suite elle sera considérée comme celle de la

surface de l’océan au repos), dont deux directions se trouvent dans le plan horizontal (orthogonal

à la verticale en repère géocentrique), dont la troisième suit la verticale, et dont le système de

coordonnées est fondé sur la mesure des distances. On note le système des coordonnées de ce repère

(x, y, z) où z est la coordonnée verticale géopotentielle locale (qui mesure donc la profondeur des

niveaux géopotentiels par rapport au niveau de référence ; on a choisi ici, et dans toute la suite, de

définir sa valeur croissante du fond vers la surface de l’océan comme cela est fait traditionnellement)

3

.

L’approximation hydrostatique, caractéristique de la circulation à grande échelle que

repré-sentent les OGCM, est également très souvent utilisée pour écrire les équations primitives : elle

revient à simplifier l’équilibre vertical de quantité de mouvement sous la forme

∂p

∂z =−ρg (2.1)

où g est l’accélération gravitationnelle. Dans cet équilibre hydrostatique, on ne tient pas compte

des accélérations verticales qui peuvent pourtant ponctuellement être importantes (par exemple

lors des phases de grandes convections) et les modèles doivent donc traiter le problème de

l’appa-rition des déséquilibres hydrostatiques. Cette approximation se fonde sur l’hypothèse selon laquelle

H

c

/L

c

≪1oùH

c

etL

c

sont les distances verticales et horizontales caractéristiques de la dynamique

des océans. Cela rend cette approximation a priori inadaptée pour les modèles dont la résolution

spatiale est de moins de 1km.

La plupart des OGCM ont des équations fondamentales dérivées des équations primitives

hy-drostatiques, qui s’écrivent, dans le système de coordonnées (x, y, z) :

∂ρ

∂t +∇ ·(ρu) = 0 (2.2)

∂θ

∂t +u· ∇θ=D

θ

+E

θ

(2.3)

∂u

h

∂t + (u· ∇)u

h

+fk∧u

h

+1

ρ∇

h

p=D

uh

+E

uh

(2.4)

∂p

∂z =−ρg (2.5)

ρ=ρ(T, S, p) (2.6)

où k est le vecteur unitaire vertical,θ désigne normalement T ouS (mais l’équation (2.3) est

éga-lement valable et peut être utilisée pour d’autres variables thermodynamiques), u est le vecteur

vitesse, u

h

le vecteur vitesse horizontale, f est le paramètre de Coriolis,

h

désigne le gradient

ho-rizontal.E

θ

etE

uh

regroupent les termes de forçages, de sources ou de puits respectivement pourθ

et pour la quantité de mouvement dans le plan horizontal. EnfinD

θ

etD

uh

désignent les termes de

3

En pratique, les directions orthogonalesxetysuivent généralement les directions de la rotation de la terre (zonale)

et de sa normale (méridionale), le système (x, y, z) suivant ainsi les directions des axes du repère des coordonnées

sphériques terrestre.

diffusion et de dissipation relatifs respectivement aux équations (2.3) d’évolution des variables

ther-modynamiques θ et à l’équation (2.4) de quantité de mouvement dans le plan horizontal. D’après

les équations de Navier Stokes, on a normalement D

uh

=ν∆u

h

oùν est un coefficient de viscosité,

mais on verra que le choix est souvent fait de formuler autrement ce terme de dissipation.

L’approximation de Boussinesq est également très souvent employée pour simplifier ces

équa-tions : on considère que le terme de variaéqua-tions de densité δρ est négligeable dans l’équation de

conservation de la masse, tout en tenant compte des effets de la compressibilité dans l’équation

d’état

4

. Cette approximation se fonde sur la caractéristique des courants océaniquesδρ/ρ≪1. Elle

conduit à l’hypothèse dite d’incompressibilité :

∇ ·u = 0 (2.7)

par simplification de l’équation de conservation de la masse (2.2), qui est la seule équation

fon-damentalement modifiée dans le système (2.2)-(2.6). Cette approximation remplace ainsi la loi de

conservation de la masse par celle de la conservation du volume. Elle est également utilisée pour

modifier dans la pratique l’équation (2.4) avec l’emploi d’une densité de référenceρ

r

à la place de la

densité ρ dans le calcul du terme

1

ρ

h

p, qui devient

1

ρr

h

p (on néglige les variations de la densité

pour l’équilibre de quantité de mouvement, excepté dans le calcul de la force gravitationnelle). Enfin,

comme cette approximation suppose que l’on néglige une grande part des effets de compressibilité

liés aux variations de pression, elle peut être indirectement utilisée pour simplifier l’équation d’état

(2.6) sous la forme ρ=ρ(T, S, z) (l’approximation de Boussinesq étant fortement liée à l’emploi de

coordonnées verticales dérivées des mesures de profondeur z, comme on va le voir en section 2.1.2

5

).

Modèles à deux dimensions

Du fait de l’hypothèse H

c

/L

c

≪ 1, on rencontre également de nombreux OGCM régis par

des systèmes d’équations à 2 dimensions (sur le plan horizontal) comme les modèles QG (Quasi

Géostrophiques) ou les modèles shallow water. Les équations shallow water ou équations de

Saint-Venant sont supposées décrire l’équilibre de quantité de mouvement et de masse sur les variables

barotropes (vitesses horizontales intégrées sur la verticale et masse totale de la colonne d’eau)

dans les modèles à 3 dimensions théoriquement régis par les équations primitives hydrostatiques.

Elles sont cependant fondées sur l’approximation que le fluide est incompressible (approximation

plus forte que celle de Boussinesq), de masse volumique uniformeρ

0. Elles s’obtiennent en intégrant

verticalement (sur une couche supposée mince) les équations (2.7) et (2.4), et en supprimant certains

termes négligeables

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:

∂h

∂t +

h

·[(h+H)u

h

] = 0 (2.8)

4

Le fluide est alors dit quasi-incompressible.

5

Cette approximation n’est pas beaucoup employée pour les modèles atmosphériques (reposant sur des équations

primitives semblables) du fait de la plus forte compressibilité de l’atmosphère, et il y a un développement important

de modèles océaniques à coordonnée verticale liée à la pression, comme le modèle HYCOM, qui ne l’utilisent pas non

plus.

6

On ne détaille ici ni les conditions aux limites cinématiques imposées aux extrêmités verticales de la couche de

fluide, en particulier les conditions de surface libre, critiques pour le résultat de l’intégration, ni l’intégration des

termes de dérivation lagrangienne de la vitesse horizontale reposant sur certaines considérations supplémentaires.

∂u

h

∂t + (u

h

· ∇

h

)u

h

+fk∧u

h

+g∇

h

h=D

uh

+E

uh

(2.9)

où H est la profondeur (en valeur absolue) du fluide sous le niveau de référence (le fond de l’océan

est situé à z = −H : on suppose en effet ici et dans toute la suite que ce fond est déterminé en

fonction de x et y), h est la hauteur de la surface libre du fluide mesurée par rapport au niveau

de référence (cette surface libre est située à z = h, le terme “libre” étant associé à la possibilité

donnée par les équations àh de varier), etu

h

=

h+H1

R

h

−H

u

h

dz est la vitesse horizontale barotrope.

On peut ajouter à ces équations des équations d’évolution de température et de salinité similaires

à l’équation (2.3) pour obtenir un système océanique plus complet, sous réserve de donner une

définition cohérente aux champs de température et de salinité associés.

Certains modèles à 3 dimensions sont en fait construits comme un empilement de couches dont

l’évolution est régie par des équations ressemblant aux équations shallow water (ou QG). Dans la

pratique, des modèles MICOM (comme la plupart des modèles à coordonnée verticale isopycnale)

et HYCOM ont un mode de fonctionnement proche de ce type de modèles, bien qu’ils soient fondés

sur les équations primitives.

Paramétrisation de la physique sous-maille

L’application des équations primitives dans des modèles numériques et donc leur discrétisation

numérique à une résolution limitée, nécessite dans leur écriture l’emploi de l’hypothèse de fermeture

turbulente : les processus qui ne sont pas résolus par le modèle d’application parce que leurs échelles

sont trop faibles, sont supposés être paramétrisables en utilisant des termes dits d’effets “sous-maille”

dans les équations. Ils sont en fait supposés être caractérisés par les termes de diffusion D

θ

et de

dissipation D

uh

(et doncD

uh

).

Du fait de l’anisotropie entre les mouvements latéraux et verticaux, les paramétrisations de

la physique sous-maille se divisent en une composante latérale

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et une composante verticale. Les

composantes latérales ou verticales du terme de dissipation D

uh

et du terme de diffusionD

θ

sont

donc en général associées à un opérateur Laplacien ou bilaplacien (biharmonique), même si dans le

cas du terme de dissipation D

uh

, le respect des équations de Navier Stokes devrait conduire au seul

emploi d’un opérateur Laplacien. Verticalement, le mélange n’est important et donc paramétré que

dans la couche de mélange océanique, située sous la surface de l’océan et soumise très fortement aux

forçages atmosphériques, constituant une zone de forte turbulence. Cette paramétrisation verticale

est un problème complexe et est à l’origine du développement de plusieurs méthodes de résolution

pour le seul modèle HYCOM. Les mélanges latéraux sont généralement paramétrés d’une des deux

façons suivantes : pour φ=u

h

ou θ, et par extension u

h

,

Laplacien D

φlat

=∇ ·(A

φlat

∇φ) (2.10)

Bilaplacien D

φlat

= ∆(A

φlat

∆φ) (2.11)

oùA

φlat

est un coefficient de diffusion qui varie avec la taille des mailles du modèle (on reviendra sur

leur expression quand se posera la question du réglage de ces paramètres pour notre configuration

du Golfe de Gascogne au chapitre 4).

7

Horizontale dans le système de coordonnée(x, y, z)que l’on a utilisé jusqu’à maintenant, la nuance est soulignée

en section 2.1.2 suivante.