jmin jmax
2.3. Les tests de configuration AGRIF
Une série de tests ont été réalisés en vue d’optimiser la configuration NWMED36 (voir Tableau 2.2). En revanche, ils ont été menés à différents niveaux d’avancement de la thèse, ils n’ont donc pas tous été effectués à partir de la même configuration AGRIF de référence.
2.3.1. Domaine
Plusieurs tests portent sur la taille du domaine AGRIF. L’objectif est de déterminer les dimensions minimales du domaine AGRIF qui permettent de résoudre correctement le processus de convection profonde et la circulation du bassin Liguro-Provençal. On notera que ces tests ont été réalisés avec une condition de glissement libre partiel aux frontières latérales (shlat=1.2) qui est incompatible avec la configuration AGRIF. La frontière Sud du domaine est riche en énergie cinétique turbulente en raison du courant Nord-Baléare instable, et on constate dans
ces simulations une accumulation d’énergie au bord du domaine, sur une bande d’environ 0.5◦
d’extension méridienne. Or la zone de convection s’étend jusqu’à 40.5◦N, il est donc préférable
d’éloigner d’au moins 1◦la frontière Sud. La comparaison des résultats avec une frontière au Sud
à resp. 40.2◦N et 38.8◦N montre que cette dernière localisation permet d’éviter l’accumulation
numérique d’énergie proche de la zone de convection.
2.3.2. Bathymétrie
Les deux options principales existant concernant l’actualisation de la bathymétrie de NE-MOMED12 ont été comparées. Ce test a aussi été réalisé avec un glissement libre partiel au frontières (shlat=1.2). Comme indiqué précédemment, dans la configuration NWMED36 on crée quelques colonnes océaniques d’une profondeur ad hoc de 3.5m pour assurer la correspondance avec le domaine AGRIF. L’autre option employée avec AGRIF est d’actualiser la bathymé-trie de NEMOMED12 en chaque point avec le maximum de bathymébathymé-trie du domaine AGRIF. On compare deux simulations NWMED36 identiques à l’exception de la bathymétrie NEMO-MED12 sur trois mois de simulation. L’évaluation porte sur l’énergie cinétique turbulente, et elle montre des résultats très similaires en moyenne et en termes de variabilité temporelle. On en conclut que le choix de la méthode d’actualisation de la bathymétrie impacte peu les résultats, et la première méthode est donc retenue car elle modifie peu la bathymétrie NEMOMED12 utilisée par ailleurs.
En revanche, il semble que la création de colonnes océaniques d’uniquement 3.5m de profon-deur soit problématique en termes de réalisme des champs physiques. En particulier, on observe
des SST < 10◦C en hiver sur ces points de côte, ce qui n’est pas réaliste. Ceci est lié à la faible
capacité calorifique de la colonne, qui peut se refroidir de ∼ 5◦C par jour en présence de flux
intenses (∼ 1000W/m2) et en l’absence de rappel en SST. Il serait donc préférable par la suite
2.3.3. Forçage de AGRIF par NEMOMED12
Le forçage de AGRIF par NEMOMED12 se fait à travers la zone tampon, et de nombreux paramètres contrôlent ses propriétés.
En premier lieu, le travail de thèse a révélé une incompatibilité entre la configuration AGRIF et une condition aux limites latérales de non-glissement ou de glissement libre réduit (shlat>0). Dans ce cas, une large accumulation d’énergie tangentielle à la frontière Sud du domaine se développe. Elle est visible sur une simulation annuelle sur la période 2012-2013, et elle tend à s’accentuer sur une simulation historique 1979-2013. Sa signature en surface est une large anomalie positive du niveau de la mer à la frontière Sud du domaine, qui atteint typiquement +60cm après 10 ans de simulation, ce qui est totalement non-physique. Par la suite, la simula-tion océanique développe des instabilités numériques aux frontières si les coefficients de ’zone
tampon’ (rn_sponge_tra et rn_sponge_dyn) valent 2880m2/s.
La solution la plus simple à ce problème est de passer à une condition de glissement libre (shlat=0). Cette option est envisageable pour l’étude annuelle 2012-2013 puisqu’elle permet une représentation réaliste de la convection profonde. En revanche, à l’échelle interannuelle, une accumulation de flottabilité dans le bassin Liguro-Provençal résulte des échanges à Gibraltar qui sont surestimés à cause de la condition de glissement libre. Elle a pour conséquence d’inhiber toute convection profonde après environ 15 ans de simulation, ce qui signifie qu’une telle option n’est pas souhaitable pour étudier la variabilité interannuelle de la convection.
Une autre solution simple est d’imposer deux conditions aux limites latérales différentes entre NEMOMED12 et AGRIF. Dans NEMOMED12, la condition de glissement libre ré-duit (shlat=1.2) est maintenue et permet des échanges réalistes aux principaux détroits. Dans AGRIF, une condition de glissement libre (shlat=0) est imposée. Cette configuration n’a été testée qu’à zoom 1, et elle impacte fortement la circulation des courants de bords du bassin Liguro-Provençal, elle a donc été abandonnée. En revanche, aucune étude dédiée n’a été menée pour évaluer si une circulation réaliste se maintient dans ce cas.
Finalement, une solution complète à cette incompatibilité est de renseigner une carte de valeurs de shlat dans le modèle AGRIF, qui ont une valeur de glissement libre partiel (shlat=1.2) aux points de côte, et une valeur de glissement libre (shlat=0) aux frontières ouvertes du domaine. Cette option nécessite de renseigner un fichier de shlat dans la namelist de AGRIF, de modifier le programme dommsk.F90 pour qu’il soit lu et de fournir un fichier de valeurs de shlat dans le dossier de l’expérience. Elle a été implémentée avec succès dans le cas d’étude 2012-2013 et le cas historique 1979-2013, et elle a permis une représentation réaliste de la convection profonde à ces deux échelles de temps.
Les coefficients de zone tampon, rn_sponge_tra et rn_sponge_dyn, ont eux aussi été testés dans une configuration de glissement libre partiel (shlat=1.2) incompatible avec AGRIF. Ils ont
révélé dans le cas interannuel qu’une forte valeur de 2880m2/s pour ces coefficients favorise le
développement d’instabilités numériques à la frontière Sud du domaine AGRIF, ce qui n’est pas
le cas avec une valeur de 300m2/s. Les valeurs de 5000m2/s et 10000m2/s ont elles aussi été
testées, et elles ont provoqué des instabilités numériques après quelques pas de temps, confir-mant que des valeurs élevées de rn_sponge_tra et rn_sponge_dyn ne sont pas souhaitables.
Une valeur de 300m2/s a donc été retenue.
Le programme agrif_opa_interp.F90 effectue un lissage des courants tangentiels à la fron-tière dans la zone tampon. Cette option a été désactivée et testée dans une configuration au zoom 1 avec deux modèles NEMOMED12 et AGRIF identiques. Après quelques jours de si-mulation, les anomalies entre les deux modèles, qui doivent être proches de 0 dans ce cas, sont
deux fois plus faibles en désactivant cette option. On a donc retenu cette modification dans la configuration de référence.
Enfin, plusieurs corrections portant sur la ’zone tampon’ ont été apportées sans être testées individuellement. Elles correspondent à des débuguages intégrés à la version 3.6 de NEMO. Le couplage de l’énergie cinétique turbulente entre NEMOMED12 et AGRIF a été ajouté en modi-fiant agrif_opa_interp.F90, agrif_opa_update.F90, agrif_user.F90, agrif_oce.F90, zdftke.F90 et zdfoce.F90. Quelques corrections aux coins du domaine AGRIF et sur la méthode de lissage des champs physiques ont été ajoutées dans agrif_opa_sponge.F90. L’actualisation du schéma temporel de NEMO dans AGRIF a été corrigée dans agrif_opa_update.F90.
2.3.4. Forçage de NEMOMED12 par AGRIF
Le forçage de NEMOMED12 par AGRIF se fait par actualisation des champs pronostics dans le domaine AGRIF, par une montée d’échelle (’upscaling’) de la grille AGRIF à la grille NEMOMED12. Il se fait tous les pas de temps pour la composante barotrope, et tous les nn_cln_update pas de temps pour leur composante barocline, qui est tridimensionnelle et donc plus coûteuse en calcul. La fréquence d’actualisation barocline (nn_cln_update) du modèle NEMOMED12 a été testée aux valeurs 1, 3 et 10, avec une valeur de shlat=1.2. Les résultats sont très proches dans les trois cas. Cela signifie qu’une actualisation barocline tous les 10 pas de temps est suffisante pour rappeler le modèle NEMOMED12 vers les champs AGRIF dans le cas où NWMED36 est couplé. On peut aussi noter qu’une valeur de nn_cln_update=120 a été testée, soit une actualisation de NEMOMED12 par AGRIF tous les jours de simulation, mais la simulation a été interrompue en raison d’une démultiplication du temps de calcul. Ceci est lié au ralentissement du solveur elliptique dans le cas où l’actualisation barocline est trop peu fréquente. On a retenu dans la configuration de référence la valeur de nn_cln_update=3.
2.3.5. Zoom 1 et pas de temps
Une série de tests ont été réalisés au zoom 1 avec des configurations identiques entre NEMO-MED12 et AGRIF. Ce cas est plus simple à interpréter puisqu’en théorie, les résultats devraient être strictement identiques avec AGRIF ou sans AGRIF. On a quantifié les différences entre cette configuration et NEMOMED12 seul, ce qui nous a permis de valider les options numé-riques de la configuration AGRIF de référence. En revanche, on a observé qu’une diminution d’un facteur 2 du pas de temps est nécessaire pour faire tourner le zoom 1 d’AGRIF. Ceci peut être lié à la phase de spin-up du modèle, puisque les simulations démarrent du repos, mais d’autres tests seraient nécessaires pour en investiguer les causes.
2.4. Les simulations numériques étudiées
Au cours de cette thèse, une série de simulations numériques ont été réalisées pour répondre aux questions scientifiques, elles sont décrites en Annexe B. La configuration de la simulation numérique NWMED36 de référence est par ailleurs détaillée en Annexe A.
On s’intéresse dans le Chapitre 4 à évaluer la convection simulée par la configuration NE-MOMED12 de référence sur le cas d’étude 2012-2013, à identifier les processus clés à l’oeuvre et à quantifier l’impact de la variabilité intrinsèque de l’océan dans la convection océanique profonde. Pour répondre à cette question, on utilise une simulation d’ensemble NEMOMED12 de 10 membres dont l’état initial de grande échelle est issu de la réanalyse SYMPHONIE et sa petite échelle est perturbée. Cette simulation d’ensemble est détaillée et évaluée dans le
Test Résultats
Domaine Maintenir la frontière à plus de 0.5◦ du phénomène à étudier
Bathymétrie NEMOMED12 Les deux méthodes d”update’ donnent des résultats similaires
nn_sponge_tra et dyn Développement d’instabilités numériques pour des valeurs élevées
Valeur de 300 préférable dans cette configuration
Courants tangentiels Préférable de désactiver cette option dans agrif_opa_interp.F90
shlat
Seul le glissement libre (shlat=0) fonctionne par défaut
shlat=0 (AGRIF) et shlat=1.2 (NEMOMED12) modifie la circulation Nécessité d’un fichier 2D pour shlat > 0 dans AGRIF
nn_cln_update Résultats très peu impactés par sa valeur dans la gamme 1-10
Zoom 1 Nécessité de diviser le pas de temps par 2
TABLEAU 2.2: Tableau récapitulatif des principaux tests AGRIF réalisés au cours de la thèse.
Chapitre 4, et elle est décrite en Annexe B (simulations NM12A-41n à NM12A-50n).
Dans le Chapitre 5, on cherche à quantifier l’impact de la méso-échelle océanique sur la convection océanique profonde moyenne et sa varia bilité intrinsèque sur le cas d’étude de la période 2012-2013, avec l’usage de l’outil AGRIF. On réalise une seconde simulation d’ensemble couplant cette fois-ci NEMOMED12 à AGRIF au zoom 3 en Méditerranée Nord-occidentale, de nommée NWMED36 dans la suite du manuscrit. Cette nouvelle simulation d’ensemble est évaluée dans le Chapitre 5, et elle est décrite en Annexe B (simulations 41 à NM12A-50).
Dans le Chapitre 6, on s’intéresse en mode forcé sur la période historique 1979-2013 à l’impact de la variabilité intrinsèque et de la dynamique de méso-échelle de l’océan sur la convection. On répond à la première question en réalisant une simulation d’ensemble de 5 membres NEMOMED12 à configuration identique mais dont l’état initial a été perturbé. Il s’agit des simulations NM12I-3, NM12I-3-80, NM12I-3-81, NM12I-3-82, NM12I-3-83 listées en Annexe B. On répond ensuite à la seconde question en réalisant deux simulations avec AGRIF au zoom 3 forcé ou couplé à NEMOMED12, nommées resp. NWMED36 et NWMED36-1w. Il s’agit des simulations NM12AI8-1w (AGRIF forcé) et NM12AI8 (AGRIF couplé) listées en Annexe B.
Enfin, on liste en Annexe B une série de tests numériques à vocation scientifique effectués au cours de la thèse, dont certains sont analysés en Annexe C.