Méthodologie

9. Méthodologie

Le modèle biogéochimique est forcé par une simulation hydrodynamique de résolution spatiale 2.5 km réalisée avec le modèle SYMPHONIE. Cette simulation est elle-même initialisée et forcée à ses frontières par une simulation à la résolution 1/8° réalisée avec le modèle hydrodynamique NEMO (Herrmann et al., 2010). Cette simulation basse résolution est forcée en surface par les flux du modèle atmosphérique ARPERA qui réalise une descente dynamique en résolution spatiale (« downscaling » jusqu’à une résolution de 50km) de la réanalyse du modèle climatique ERA40, puis du CEPMMT après 2001 (Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme). La simulation 2.5km est également forcée par les flux atmosphériques du modèle ARPERA moyennés sur 24 heures. Dans cette thèse, chaque année est modélisée à haute résolution en démarrant de la simulation basse résolution au mois d’octobre. Les champs physiques ainsi produits et moyennés sur 24 heures sont ensuite agrégés année après année pour forcer le modèle biogéochimique sur des périodes plus longues (voir ci-dessous). Rappelons enfin que ni le modèle basse résolution, ni le modèle haute résolution ne réalisent d’assimilation de données ce qui rend donc faible la prédictibilité à court terme du système océanique. Par exemple, cela ne permet pas d’espérer que le modèle donne une représentation correcte du positionnement des structures de méso-échelle. En revanche, la variabilité interannuelle des processus les plus directement influencés par l’atmosphère comme le mélange vertical résultant de la convection océanique devrait être assez bien respectée.

9.1. Etendue spatiale et conditions aux limites

Les caractéristiques topographiques de la Méditerranée occidentale rendent difficile le choix de la frontière sud du domaine de modélisation. Il n’est en effet pas souhaitable d’avoir une frontière ouverte à proximité d’un détroit comme le canal de Corse ou le canal d’Ibiza et d’y prescrire une dynamique issue d’un modèle à basse résolution. En particulier les échanges au niveau du canal d’Ibiza apparaissent largement contrôlés par la circulation en Mer des Baléares se révélant elle-même dépendante de la résolution du modèle. Afin de s’affranchir au maximum de l’influence

9.1. Etendue spatiale et conditions aux limites

des conditions aux frontières ouvertes sur la zone d’étude de Méditerranée nord-ouest (0°-9°10’E / 40°N-44°30’), le domaine de simulation a donc été étendu de 0°40’W à 11°40’E et de 36°25’N à 44°25’N, et couvre ainsi la quasi-totalité du bassin occidental (Fig. 3.1). Les seules conditions aux limites ouvertes subsistent par conséquent en sortie de la mer d’Alboran à l’ouest et en mer Tyrrhénienne ainsi qu’à l’ouest du détroit de Sicile.

A ces frontières, on applique pour les variables biogéochimiques excepté pour les nutriments une condition de gradient nul. Pour les nutriments, on utilise la relation densité-nutriment qui a également servie pour établir l’état initial (cf. paragraphe suivant). Au fond, pour prendre en compte les flux de nutriments à l’interface eau- sédiment, le modèle pélagique est couplé à une version simplifiée du modèle de dynamique benthique intégrée sur la verticale décrit par Soetaert et al. (2000).

9.2. Conditions initiales

Etant donné la longueur de la simulation, il était essentiel d’anticiper une possible dérive du modèle biogéochimique provoquant, en particulier, un appauvrissement en nutriments dans les eaux de fond. En effet, il est crucial que les concentrations de nutriments en profondeur soient bien contraintes tout au long de la simulation car ces stocks conditionnent les quantités de nutriments remontées en surface lors des phases de convections profondes en hiver, et donc la quantité de nutriments disponibles pour l'efflorescence phytoplanctonique. Pour s’affranchir d’un biais potentiel, la période de simulation a donc été morcelée en six tranches de cinq années, chaque période étant initialisée à partir d’un même champ tridimensionnel de variables biogéochimiques. Ce champ de variables biogéochimiques a été obtenu de la façon suivante : à partir d’une initialisation des variables biogéochimiques en tout point de la grille (cf. paragraphe suivant), on effectue une simulation dite de « spin-up » qui consiste à boucler plusieurs fois la simulation d’une même année et ainsi laisser le modèle biogéochimique atteindre un état proche de l’équilibre sur cette année de référence. Le champs tridimensionnel de variables biogéochimiques obtenu en fin de « spin-up » est alors utilisé pour initialiser chacune des six tranches d’années. Notons qu’une étude de sensibilité a

9.2. Conditions initiales

permis de déterminer qu’une durée de deux ans de « spin-up » était suffisante pour obtenir des champs tridimensionnels réalistes.

Les profils verticaux imposés à l’initialisation de cette simulation de « spin-up » peuvent avoir une influence importante sur les futurs résultats de simulations. Dans les zones peu mélangées comme le CNM par exemple, les conditions initiales ont une persistance importante et doivent être contraintes correctement. En effet, la profondeur de la zone mélangée va conditionner la forme des profils verticaux et donc l’augmentation de la concentration en nutriments dans la couche productive. Il est également important de bien représenter les gradients horizontaux entre les eaux pauvres du CNM et les eaux enrichies du centre du bassin.

Figure 9. Relation Densité vs. Nutriments observée à la station DYFAMED (comm. pers. Louis Prieur). Nitrate à gauche et phosphate à droite.

Pour cela, nous avons utilisé une relation établie entre des observations d’anomalies de densité des masses d’eau et de concentrations en nutriments entre la côte et la station DYFAMED (Fig. 9, Prieur comm. pers. ). Cette relation a donc été utilisée pour initialiser les profils de nutriments sur l’ensemble de la grille à partir des anomalies de densités fournies par le modèle hydrodynamique avec un seuil minimum. Pour les autres variables, une climatologie des profils disponibles à DYFAMED au mois de décembre a été appliquée de manière homogène sur l’ensemble de la grille. Toutefois, afin de limiter l’influence de l’initialisation du spin-up en particulier dans les zones peu mélangées, il a été choisi d’effectuer le spin-up sur une période caractérisée par une forte convection profonde hivernale à l’échelle du bassin de Méditerranée occidentale (novembre 1980 à novembre 1981).