Vers une modélisation encore plus réaliste du détroit de Gibraltar

De façon plus générale, effectuer des simulations encore plus réalistes avec une meilleure prise en compte de l’ensemble des facteurs environnementaux impactant la dynamique des ondes internes, nécessite l’intégration de nombreux paramètres dans nos simulations. Prenons l’exemple de nos simulations du détroit de Gibraltar.

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2.2.1. Effet 3D

Des simulations 3D sont nécessaires pour représenter les effets du rétrécissement transversal « horizontal » du détroit sur la dynamique des ondes. Ce rétrécissement va notamment avoir un impacte sur la localisation et l’intensité des zones de contrôle hydraulique. La dynamique des ondes internes peut également être affectée par les effets transversaux de la stratification et de la topographie. Ces effets jouent des rôles mineurs dans le cas d’un canal étroit mais lorsque la largeur du canal est comparable au rayon de déformation de Rossby interne, comme dans le détroit de Gibraltar, les effets transversaux peuvent devenir significatifs notamment dus à des variations transverses de profondeur de la pycnocline. La dynamique des ondes internes peut également être modifiée lorsque la topographie a une structure transverse présentant de fortes variations. Des simulations 3D sont également nécessaires pour représenter correctement la circulation dans le golfe de Cadiz en sortie du détroit. Cette circulation est fortement influencée par la génération de tourbillons induits par des courants de pente instables et est caractérisée par la formation d’une veine d’eau méditerranéenne qui remonte le long des côtes du Portugal. La modélisation de cette veine nécessite donc des simulations 3D.

2.2.2. Marées

Dans nos simulations du détroit de Gibraltar, seuls les courants de marée barotrope ont été implémentés en considérant une amplitude de marée constante et un seul mode de marée barotrope. Or, des études numériques du détroit de Gibraltar ont montré que les marées de vives- eaux et mortes-eaux généraient des régimes d’ondes internes bien différents (Sánchez-Garrido et al., 2011). On peut donc également envisager d’implémenter un forçage de marée plus réaliste avec tous les types de marées présents au détroit de Gibraltar (M2, S2, O1, K1) et prenant en compte la variabilité temporelle de l’amplitude de la marée.

2.2.3. Forçage synoptique

La dynamique des ondes de marées internes générées au-dessus du détroit de Gibraltar peut également être influencée par les interactions avec d’autres types d’ondes, telles que les ondes inertielles générées par le vent. De nombreuses études ont également mis en évidence l’impact des structures tourbillonnaires de méso-échelle sur les ondes internes (Ponte and Klein, 2015). Pour prendre en compte ces divers phénomènes, il est nécessaire d’intégrer le forçage synoptique à nos simulations.

2.3. Evaluation et description du mélange

Cette thèse s’inscrit dans un objectif à long terme d’améliorer la description et la quantification du mélange turbulent induit par les ondes internes dans l’océan. Dans ce contexte, de nombreuses perspectives sont envisageables.

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2.3.1. Quantification du mélange turbulent dans les régimes supercritiques

Le mélange induit par les ondes internes dans nos différents régimes supercritiques pourrait être quantifié dans des expériences de laboratoire identiques à nos configurations numériques quasi- DNS. Cette quantification permettrait notamment d’estimer la fraction adimensionnée de mélange local et de mélange délocalisé dans chacun de nos régimes. Quantifier le mélange turbulent pose à la fois le problème de la mesure et le problème de la méthode de quantification. Des estimations globales s'appuyant sur des mesures de champ de masse volumique 1D (avec des sondages conductivité-température réguliers) dans des expériences de laboratoire seraient une première approche. Une seconde approche, pour aborder le détail des mécanismes responsable du mélange, seraient d’accéder à la fois à des mesures de champs de vitesse 2D voire 3D avec une technique de vélocimétrie par images de particules (PIV) et à des mesures de champ de masse volumique 2D voire 3D avec par exemple une technique s'appuyant sur la fluorescence d'un colorant induite par un éclairage laser (PLIF) dans des expériences de laboratoire. Ces études pourraient permettre également de mieux appréhender le rôle du taux de dissipation ε sur l’évolution de la stratification du fluide. Enfin, la comparaison de ces mesures avec nos configurations numériques quasi-DNS, à l’échelle du laboratoire pourrait permettre de valider la représentation du mélange turbulent dans les modèles numériques. L’utilisation d'installations de grande dimension (accès à de grand nombre de Reynolds et limitation des effets de bords) disposant de la capacité à générer un écoulement stratifié en masse volumique est particulièrement pertinente pour ce type d’expériences.

2.3.2. Mise en place d’un schéma de fermeture turbulente pour les simulations LES

Pour réaliser des simulations grandes échelles (LES), associées à des tailles de domaines beaucoup plus grandes, il est nécessaire d’utiliser des mailles de résolution spatiale plus large (de l’ordre du mètre ou du kilomètre). Dans de telles configurations numériques, il est donc indispensable de paramétriser les processus sous-mailles. Ces paramétrisations empiriques peuvent être testées et améliorées par la comparaison entre expériences de laboratoire et simulations DNS dégradées en mode LES à l’échelle du laboratoire. Cette approche permettrait de définir des schémas de fermeture turbulente qui, une fois validés, pourront être inclus dans la version LES du modèle numérique. Les travaux en cours pour améliorer la paramétrisation de la turbulence en présence d'un gradient vertical de stratifications stable dans les modèles météorologiques (par ex. au CNRM- GAME) pourraient être une source d'inspiration et de collaboration.

2.3.3. Quantification du mélange turbulent dans l’océan

Mesurer le mélange turbulent dans l’océan pose également le problème de la mesure et de la méthode de quantification. Pour répondre à ces problématiques de nombreuses techniques ont été développées:

185 - Des mesures à fine-échelle par sondes CTD (conductivity, temperature, and depth) ou par profileurs acoustiques de courant à effet Doppler (ADCP), associées à différentes techniques de paramétrisation (méthode de Thorpe, paramétrisation de Gregg-Henyey, «model- overturns » de van Haren et Gostiaux (2014), …)

- Des mesures de traceurs chimiques faiblement radioactifs

De multiples campagnes océanographiques, dont les campagnes MOUTON dans le golfe de Gascogne, la campagne INDOMIX dans l’archipel Indonésien, ou encore la campagne DIMES (Diapycnal and Isopycnal Mixing Experiment in the Southern Ocean) dans l’océan austral, ont permis d’expérimenter et de comparer ces différentes techniques et de collecter une large gamme de données sur le mélange turbulent. Des comparaisons entre ces différentes mesures océanographiques et des configurations LES permettraient de valider les schémas de turbulence à grande échelle.

On peut également penser à l’utilisation des données du futur satellite SWOT (Surface Water & Ocean Topography). Celles-ci donneront accès à une vision 2D des processus de méso-échelle et sub- mésoéchelle permettant de valider la représentation de la génération et de la propagation des ondes internes dans les modèles numériques. En effet, ce satellite altimétrique de nouvelle génération à large fauchée, fournira des observations à haute résolution de la hauteur de la surface de la mer. Il devraient également permettre une meilleure caractérisation des cascades énergétiques à l’échelle du globe notamment par la méthode décrite par Richman et al. (2012).

2.3.4. Proposition de développements numériques répondant à la problématique du mélange délocalisé

La modélisation rigoureuse du mélange induit par les ondes internes solitaires nécessite de représenter explicitement la génération de l’onde solitaire, sa propagation, son environnement océanique dans toute sa complexité (topographie, courants géostrophiques, structures de méso- échelle …) et les processus de déferlement. De plus, ces ondes ont la capacité de se propager loin de leur zone de génération, sur plusieurs centaines de kilomètres. Il faudrait donc de manière optimale effectuer des simulations 3D non-hydrostatiques sur des domaines de plusieurs centaines de kilomètres, à des résolutions de l’ordre du mètre nécessitant des ressources de calculs inenvisageables aujourd’hui. Quelles solutions alors peuvent être proposées pour prendre en compte le mélange délocalisé par les ondes internes solitaires dans les modèles régionaux et globaux ?

Une solution envisageable pour l’avenir serait l’imbrication d’un modèle non-hydrostatique haute résolution adaptatif, permettant de raffiner la résolution spatiale le long de la trajectoire de l’onde, dans un modèle hydrostatique de plus faible résolution régionale ou globale. Ce type de simulations permettrait de modéliser explicitement tout le cycle de l’onde (génération, propagation, dissipation) tout en ayant un coût numérique envisageable. La version de l’algorithme que nous avons utilisé permet d’effectuer des configurations avec des bathymétries mouvantes (Auclair et al.,

186 2014). Un tel algorithme pourrait donc permettre ce type de suivi lagrangien. Une autre solution pourrait être l’utilisation d’outils d'affinage adaptatif dans des modèles de grille non-structurée. Ce genre de modèle permettrait notamment d’identifier les zones préférentielles de dissipation des ondes internes solitaires et de répondre aux problématiques actuelles concernant la nature des talus continentaux : source de génération d’ondes internes vs puits énergétique pour les ondes solitaires incidentes ?

2.4. Vers la sub-mésoéchelle

Cette thèse s’inscrit plus globalement dans le cadre des efforts actuels pour mieux comprendre, quantifier et modéliser l'impact des processus de méso et de sub-mésoéchelle qui jouent un rôle majeur dans le bilan énergétique de l’océan (Capet, 2015). Les processus de sub-mésoéchelle et les vitesses verticales associées sont également connus pour contribuer significativement à la production biologique (Lapeyre et Klein, 2006, Carr et al., 2008, Klein et Lapeyre, 2009) et à l’exportation du carbone (Guidi et al.,2012) . L’amélioration actuelle des performances des moyens et techniques de calculs rend aujourd’hui possible la résolution explicite de ces processus de sub- mésoéchelle. Cependant les hypothèses sur lesquelles reposent les algorithmes des modèles océaniques actuelles ne sont pas forcement adaptées à la dynamique physique de ces processus de petite échelle. Ces nouveaux moyens de calculs offrent donc de nouvelles possibilités mais entrainent également des questionnements sur la validité de ces hypothèses à très haute résolution.

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