2.5 L’emboîtement de modèles avec HYCOM
3.1.2 Les configurations du Golfe de Gascogne au 1/3˚
Configuration NA3
Domaine 98
◦O−36.08
◦E
27.94
◦S−69.92
◦N
Grille horizontale Mercator
Résolution horizontale 1/3˚×1/3˚
Résolution verticale 26 couches
Bathymétrie ETOPO5
Conditions Frontières fermées
aux limites en mer Relaxation à la climatologie MODAS
Largeur des couches 30 points
de relaxation de grille
Conditions aux limites solides Non glissement
Tab.3.1 – Caractéristiques de la configuration NA3.
Simulation SIM-NA3
Pas de temps barocline 600 s
Pas de temps barotrope 10 s
Initialisation Climatologie MODAS
Spin-up 10 ans avec les forçages
atmosphériques moyens ECMWF
Simulations 22 ans à partir du 1er janvier 1979
en forçages inter-annuels forçages atmosphériques ECMWF à 6h
Relaxation de SST et SSS Relaxation à la climatologie MODAS
Tab.3.2 – Caractéristiques de la simulation SIM-NA3.
3.1.2 Les configurations du Golfe de Gascogne au 1/3˚
La définition du domaine régional du Golfe de Gascogne est fondée sur l’observation de la
bathymétrie de NA3 au voisinage du Golfe. Comme on l’a introduit au chapitre 1, on cherche à
maximiser l’importance des limites solides de la configuration tout en éloignant au maximum les
frontières des zones importantes de la circulation du Golfe (une minimisation de la taille de la zone
régionale est également souhaitée pour permettre aux simulations de ne pas être trop coûteuses).
Le problème des contraintes imposées aux grilles des modèles régionaux pour la mise en place
des emboîtements de modèle avec HYCOM sera évoqué au chapitre 4 (elles ne dépendent d’ailleurs
pas du code HYCOM lui même comme on le verra). En effet, notre modèle régional étant ici défini
7
Bien qu’une simulation réalisée avec assimilation de données sur NA3 existe sur une longue période, qu’elle puisse
être prolongée sur les 22 années de simulation en forçages inter-annuels de SIM-NA3, et qu’elle fournisse une circulation
bien plus réaliste dans l’Atlantique Nord, on préfèrera forcer les modèles du Golfe de Gascogne avec les données d’une
simulation libre, en particulier parce que les effets de discontinuité provoqués par les cycles d’assimilation n’ont pas
été étudiés au niveau des frontières ouvertes des modèles emboîtés.
comme une sous-partie de NA3, sa grille est confondue avec celle de NA3 sur son domaine, ce qui
assure la compatibilité des grilles exigée par notre procédure d’emboîtement de modèles. De façon
générale on ne s’étendra pas ici sur les problèmes techniques de déclarations de frontières ouvertes
sur la grille du modèle qui ont été rencontrés.
Pour manipuler simplement le modèle HYCOM, le domaine de la configuration régionale doit
être rectangulaire et c’est pour éviter des transformations de bathymétrie et des déclarations de
frontières ouvertes à l’intérieur du domaine que l’on a inclus en grande partie la Manche dans nos
modèles régionaux. Il ne semblait pas opportun de repousser la frontière Nord des configurations
en mer du Nord. La disponibilité d’une bathymétrie précise du Golfe de Gascogne fournie par le
SHOM (au 1/60˚) sur la zone approximativement repérée par 15
◦O−2
◦E,43
◦N −51
◦N nous
in-vitait d’ailleurs, en vue de la modélisation à haute résolution, à ne pas dépasser les limites de celle-ci.
On a développé différentes configurations régionales au 1/3˚ car la position de la frontière
ou-verte Nord-Est a posé problème. Elles sont présentées en figure 3.3, avec leurs bathymétries et les
frontières ouvertes qui leur ont été associées pour les CFO en mode barotrope. Celle qui a été
re-tenue pour les tests de CFO (on en verra les raisons plus loin) est notée BB3, les autres TBB3a et
TBB3b. Les frontières ouvertes suivent du mieux possible les limites des domaines en mer ouverte
et les contraintes imposées par le code HYCOM, mais c’est inversement la nécessité de déplacer
les frontières ouvertes qui a conduit à la modification des domaines et donc au développement des
différentes configurations successives TBB3a, TBB3b puis BB3. On reprendra les caractéristiques
principales de BB3 au tableau 3.3. Les couches de relaxation pour le mode barocline ont une
épais-seur de 5 points de grille et longent les limites Sud-Ouest, Ouest, Nord-Ouest et Nord-Est des
domaines
8. La section 3.2 donne plus de précisions sur les valeurs des paramètres de relaxation
et illustre de quelle façon ces couches se présentent au voisinage des frontières ouvertes du mode
barotrope dans le cas de la configuration BB3.
Ces trois configurations couvrent les zones suivantes :
- TBB3a :14,80
◦O−2,16
◦E,43,21
◦N−51,03
◦N
- TBB3b : 14,80
◦O−2,16
◦E,43,21
◦N−50,62
◦N
- BB3 : 14,80
◦O−1,36
◦O,43,21
◦N−50,62
◦N
Elles ont la même discrétisation verticale que NA3 (26 couches hybrides dont les densités cibles
et dont les paramètres de calcul des épaisseurs minimales sont les mêmes que pour NA3).
On a mené des simulations successivement sur chaque configuration, pour en assurer la bonne
correspondance de leurs sorties avec celles de SIM-NA3. Ces simulations ont utilisé les mêmes
paramètres généraux de simulation fixés pour SIM-NA3 (paramètres de viscosité, pas de temps...),
les mêmes forçages atmosphériques inter-annuels que SIM-NA3 et également avec une relaxation de
la SST et de la SSS vers les données tirées de la climatologie MODAS. Elles ont été initialisées le
22 Septembre 1992 à partir de l’état de SIM-NA3 à cette date.
Les calculs des simulations sur TBB3a et TBB3b ont rapidement (en quelques jours) mené
à un arrêt du modèle. Cet arrêt est provoqué par le pronostic d’épaisseurs de couches négatives
près de la frontière Nord-Est, malgré l’existence des procédures visant à anticiper cette situation
extrême dans le code HYCOM. Ces échecs ont été imputé à l’inadaptation du tracé de la frontière
Nord-Est. En effet, en fermant cette frontière Nord-Est (et en appliquant une relaxation vers la
climatologie MODAS à son voisinage), on a réussi a générer des simulations sur plus d’un mois sans
interruption du modèle. Ces simulations n’offrent cependant pas la possibilité d’avoir une circulation
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Il est conseillé (cfWallcraft, HYCOM user’s guide, 2003) d’avoir des couches de relaxation dont l’épaisseur est
de dix points de grille, mais la taille relativement faible de BB3, TBB3a et TBB3b en nombre de points de grille nous
en empêche ici.
Fig.3.3 – Bathymétrie de NA3 (en mètres) au voisinage du Golfe de Gascogne et domaines régionaux
associés aux modèles du Golfe de Gascogne. En violet sont indiqués les points d’application de CFO
en mode barotrope : les limites des domaines longées par les lignes violettes sont les frontières
ouvertes attribuées à ces trois configurations.
suffisamment proche des données de SIM-NA3 en sortie de la Manche comme on peut le voir en
figure 3.4, où l’on compare les sorties en SSH (Sea Surface Height, ou élévation de surface, notéeh
au chapitre 2), de la simulation menée sur TBB3b, avec une frontière Nord-Est fermée, au bout de
30 jours, et celles de SIM-NA3 à la date correspondante. Il a paru donc nécessaire de développer
une configuration avec une frontière Nord-Est ouverte.
L’observation sur SIM-NA3 de la circulation dans la Manche montre de plus que les frontières
Nord-Est des configurations TBB3a et TBB3b suivent la plupart du temps le sens de l’écoulement
barotrope ou du moins voient la composante de la vitesse barotrope qui leur est tangente être plus
importante que la composante qui leur est normale. En effet, les deux champs de vitesses barotropes
donnés en figure 3.5 sont assez caractéristiques de ce qu’on observe sur SIM-NA3 durant les mois
de Septembre et Octobre, au cours desquels les simulations de test des configurations au tiers sont
menées, avec, dans un sens ou dans l’autre, une accélération de la circulation là où la Manche se
réduit, et où sont tracées les frontières de TBB3a et TBB3b.
Or la formulation des CFO en mode barotrope pour le code HYCOM, et plus généralement
celle des CFO les plus usuelles, s’appuient fortement sur le fait que l’écoulement a une composante
normale importante aux frontières ouvertes, puisqu’elles doivent faire une distinction entre les cas
où l’information est entrante, et celle où elle est sortante. Les CFO avec le modèle HYCOM sont de
plus mal adaptées aux écoulements barotropes à forte composante tangentielle. En effet, comme on
l’a vu en section 2.4 du chapitre 2, la formulation du code HYCOM impose la vitesse tangentielle
Fig.3.4 – SSH le 22 Octobre 1992 : à gauche, SIM-NA3 ; à droite, simulation menée sur TBB3b en
fermant la frontière Nord-Est
avec les données extérieures, même si l’écoulement est sortant (si l’écoulement est sortant et à forte
vitesse tangentielle, cela risque de générer des problèmes de réflexion). Le traitement des quantités
caractéristiques le plus classique, impose la vitesse tangentielle en fonction d’une linéarisation de la
vitesse normale qui est d’autant plus arbitraire que l’écoulement normal est faible. Enfin la
formula-tion pratique des méthodes radiatives, qu’elles permettent ou non de tenir compte de la composante
tangentielle de la direction de propagation des variables d’état, ou des quantités associées, supposées
se comporter comme des ondes, à travers les frontières ouvertes, s’appuie également sur le fait que
la composante normale de cette direction est importante : en particulier un test est réalisé sur la
positivité de la vitesse de propagation normale à la frontière pour fixer ou non les valeurs à l’aide
des données extérieures.
L’arrêt des simulations sur TBB3a et TBB3b peut donc être certainement lié à la nécessité
de définir les frontières ouvertes de façon cohérente avec la circulation observée dans une région,
c’est à dire plus particulièrement ici, en évitant de suivre la direction d’un courant important. Le
tracé d’une frontière méridionale au niveau du Cotentin (avec le développement de BB3) a paru le
plus logique puisque la circulation y est relativement zonale (et plus faible qu’à l’extrémité de la
Manche).
La première simulation sur BB3 a ainsi été convaincante et a mené au choix définitif de
l’uti-lisation de cette configuration pour la validation des CFO. La capacité de cette configuration à
reproduire celle de SIM-NA3 est l’objet des sections suivantes.
Protocole expérimental pour la validation des CFO sur BB3
Une série de simulations sur BB3, noté {VALi-BB3} (i est l’indice des simulations), est lancée
dans des conditions similaires aux simulations de tests des configurations régionales au tiers de
degré : avec les mêmes paramètres physiques généraux (ceux de SIM-NA3), la même discrétisation
temporelle, les mêmes forçages atmosphériques inter-annuels, et une relaxation de la SST et de la
SSS vers les données climatologiques MODAS (on reprend ces caractéristiques au tableau 3.4). Ces
simulations {VALi-BB3} ont toutes été initialisées le1
erJanvier 1993 à partir de l’état de SIM-NA3
à cette date.
Fig. 3.5 – Vitesse barotrope pronostiquée par SIM-NA3 dans l’Est de la Manche : à gauche, le
1er Novembre 1992 ; à droite, le 6 Novembre 1992 (les données de vitesses méridionales et zonales
ont été ramenées aux points de grille de pression associés). Les lignes rouges correspondent aux
frontières ouvertes en mode barotrope pour les configurations du Golfe de Gascogne (ces frontières
ouvertes sont ici positionnées pour couvrir les données de vitesses normales utilisées pour imposer
les CFO : il faut cependant tenir compte du décalage des grilles des vitesses et de pression pour
visualiser correctement leur emplacement).
Entre ces différentes simulations, on a fait varier les paramètres de relaxation et les fréquences
de lecture des données de SIM-NA3 pour les CFO afin de constater leurs influences sur
l’évolu-tion du modèle, et de voir si leur réglage permet d’obtenir un emboîtement de modèles dont le
fonctionnement est satisfaisant, malgré son caractère “one-way”. On n’a pas cherché à réaliser une
sorte de “spin-up” (commun ou non) pour les diverses simulations {VALi-BB3} puisque leur
ini-tialisation, à partir d’un état prédit sur NA3 dont la résolution était la même, laissait supposer
qu’il n’y aurait pas de problème d’adaptation du modèle régional, comme on en rencontre
classique-ment au démarrage d’un emboiteclassique-ment de modèles de résolutions différentes (cfAuclair et al. 2001)
9.
La mesure de l’impact des paramètres de CFO que l’on règle se fait en comparant les sorties
des {VALi-BB3} aux sorties de SIM-NA3 : idéalement, les simulations sur BB3 devraient fournir la
même solution que SIM-NA3 puisqu’elles sont exécutées, dans le domaine de BB3, avec les mêmes
paramètres physiques, la même bathymétrie, la même discrétisation spatio-temporelle... Le rôle des
CFO est ici d’imposer au mieux la circulation de SIM-NA3 aux frontières ouvertes du modèle.
Une condition de Dirichlet n’eut cependant pas été idéale ici : le fait que les données de SIM-NA3
ne soient pas disponibles à chaque pas de temps entraîne, même avec ce type de condition, une
divergence systématique de la solution régionale par rapport à la solution globale. Cette divergence
interne crée une erreur sortant du modèle régional que les CFO doivent permettre de laisser passer
ou de dissiper (Dans ce type d’expérience, on a pu donc voir des méthodes fondées sur le traitement
des variables caractéristiques donner de meilleurs résultats que l’emploi de conditions de Dirichlet,
cf Broquet (2003)).
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