Repr´ esentation de la dynamique - Nesting et For¸cage

4.4 Nesting et For¸cage

5.1.2 Repr´ esentation de la dynamique

ADRIMED

Pour évaluer la représentation de la dynamique par le modèle, nous disposons de plusieurs types d’observations. En premier lieu, les analyses du Centre Européen permettent d’évaluer la dynamique au niveau régional, à plusieurs niveaux verticaux. Dans cette étude sont essentiellement présentées la vitesse et direction du vent à 10 m ainsi que la hauteur significative des vagues qui sont les paramètres primordiaux testés pendant ces simulations pour la formation des aérosols marins primaires.

En deuxième lieu, les stations météorologiques fixes et sur bouées (réseau Météo-France) permettent d’évaluer les sorties du modèle sur plusieurs points au niveau local et à la surface. Ainsi, les données de la station météorologique installée à la station d’Ersa, ainsi que les données de vent mesurées au Sémaphore (à quelques kilomètres d’Ersa), les bouées installées au niveau du Golfe du Lion, du Golfe de Gascogne et près de la côte d’Azur ont été utilisées (Fig. 5.3).

Figure 5.3 – Position des trois bouées du réseau Météo-France, situées dans le golfe de Gascogne, le golfe du Lion et proche de la côte d’Azur.

Sur la figure 5.4, les champs de vent à 10 m et 100 m issus des analyses ECMWF sont présentés pour plusieurs dates qui correspondent au début (13 juin 0000 UTC), au milieu (19 et 22 juin 0000 UTC) et à la fin (26 juin 0000 UTC) de la simulation. Les hauteurs significatives des vagues sont également présentées pour les mêmes dates sur la figure 5.4. En début de simulation, pendant la période de spin-up, le bassin méditerranéen ouest n’est pas impacté par de forts vents. A partir du 19 juin 0000 UTC, l’Océan Atlantique est soumis `

a des vents forts d’origine Nord-Ouest, se dirigeant vers le Golfe de Gascogne. Ces vents atteignent des vitesses de 20 m s−1 à 10 m et plus de 25 m s−1 à 100 m d’altitude. En fin de simulation, le 26 juin 0000 UTC, le vent s’est calmé dans l’océan Atlantique Nord, alors qu’il est plus fort dans le golfe du Lion (_{∼ 15 m s}−1) ainsi qu’au large du Portugal.

En ce qui concerne la hauteur significative des vagues, on aper¸coit tout d’abord un gradient très prononcé entre l’océan Atlantique et la mer Méditerranée. Dans l’océan Atlantique, les hauteurs significatives de vagues varient entre moins d’un mètre et 8 m (le 22 juin 0000 UTC, associées à des vents de plus de 20 m s−1). En revanche, en mer Méditerranée, les hauteurs significatives de vagues sont inférieures à 3 m pendant cette période. Comme indiqué pré- cédemment, nous disposons des données de hauteurs de vagues acquises sur les bouées du réseau Météo-France, dans le golfe de Gascogne, dans le golfe du Lion et au niveau de la

côte d’Azur, proche de Nice. Ces données sont représentées par des cercles dont le remplis- sage indique la valeur, sur la même échelle que les sorties du modèle. Pendant cette période, si les vitesses de vent atteintes au niveau de l’océan Atlantique et de la mer Méditerranée sont assez similaires, ce n’est pas le cas de la hauteur significatives des vagues. En effet, les valeurs rencontrées dans l’océan Atlantique peuvent être jusqu’à deux fois plus élevée que celles rencontrées en mer Méditerranée. Les observations et le modèle sont globalement en très bon accord sur ces trois bouées, comme indiqué plus précisément dans le tableau 5.1 et les figures 5.8 (a), (b) et (c).

Figure 5.4 – Cartes issues des analyses ECMWF représentant le vent à 10 m et à 100 m et la hauteur significative des vagues pendant la période ADRIMED. A gauche le vent à 10 m, au centre le vent à 100 m et à droite les hauteurs de vagues. (a), (b) et (c) pour le 13 juin 0000 UTC, (d), (e) et (f) pour le 19 juin 0000 UTC, (g), (h) et (i) pour le 22 juin 0000 UTC et (j), (k) et (l) pour le 26 juin 0000 UTC. Les observations de hauteurs de vagues issues des bouées du réseau Météo-France ont été ajoutées sur les cartes, au niveau du golfe de Gascogne, du golfe du Lion et de la côte d’Azur.

Dans un premier temps, nous présentons les comparaisons effectuées à la bouée du Golfe du Lion et à la station de mesure d’Ersa pour l’intensité et la direction du vent. Tout d’abord, les figure 5.5 (a) et (b) ainsi que le tableau 5.1 indiquent que le modèle représente correctement ces variables. En effet, la corrélation entre les observations et le modèle au niveau de la bouée du golfe du Lion est de 0.87 pour la vitesse du vent et de 0.73 pour la direction du vent, avec un biais respectif de 0.56 m s−1 et de 22.11°. La dispersion est similaire pour les observations et le modèle, respectivement de 4.57 m s−1 et 3.57 m s−1 pour la vitesse du vent et de 90.80° et 80.68° pour la direction du vent. Au niveau du golfe de Gascogne, la corrélation entre les observations et le modèle est également bonne (0.71 pour la vitesse du vent et 0.66 pour sa direction), avec un biais respectif de -0.35 m s−1 et de 0.29°. La dispersion est similaire pour les observations et le modèle, respectivement de 2.71 m s−1 et 2.93 m s−1 pour la vitesse du vent et de 116.49° et 120.35° pour la direction du vent. Par rapport aux deux premières bouées étudiées, la représentation du vent par le modèle au niveau de la Côte d’Azur est un peu moins bonne. En effet, la corrélation pour la vitesse du vent est cette fois-ci de 0.42 avec un biais plus important (1.51 m s−1). La corrélation pour la direction du vent est un peu meilleure, avec une valeur de 0.61, alors que le biais de -29.94° est plus important. En outre, la dispersion est bien représentée pour la vitesse du vent sur la Côte d’Azur, elle est de 2.67 et de 2.82 pour les observations et le modèle respectivement et de 85.35 et 86.70 pour la direction du vent.

L’analyse des points aux bouées indiquent donc une bonne capacité du modèle à reproduire la direction et la vitesse du vent à l’ouest du bassin, contrairement à la bouée localisée au large de la Côte d’Azur.

Figure 5.5 – Vitesse et direction du vent au niveau de la bou´ee du Golfe du Lion, comparaison entre le mod`ele et les observations.

a l’aide des observations réalisées à la station météorologique du Sémaphore (Fig. 5.6). Cette figure indique que le modèle reproduit de manière assez satisfaisante la direction du vent sur la période étudiée sauf à partir du 24 juin 0000 UTC. En effet, du 24 juin 0000 UTC au 26 juin 0000 UTC, le modèle simule un vent provenant du Nord-Ouest alors que dans les observations, le vent est d’origine Ouest. Du 18 au 22 juin, la direction du vent est correctement représentée par le modèle, à part trois pics courts à 300°qui ne sont pas dans la simulation et un léger biais négatif. En parallèle, la vitesse du vent est représentée convenablement par le modèle, avec de légers biais positifs et négatifs. On note également un léger décalage temporel pour la vitesse du vent, le modèle étant un peu en avance par rapport aux observations. La corrélation temporelle qui n’est donc pas très élevée est de 0.36 à la station d’Ersa.

Figure 5.6 – Vitesse et direction du vent `a la station d’Ersa, comparaison entre le mod`ele et les observations.

Comme la période du 22 au 26 juin est importante dans le cadre de notre étude, nous avons étudié plus spécifiquement la dynamique autour du 24 juin, lorsque le biais dans la direction du vent est identifié (Fig. 5.6)

La section 4.4.2 mettait l’accent sur la difficulté de représenter correctement la météo- rologie sans dérive du modèle pendant la simulation, et en particulier pendant la période proche du 24 juin. On s’intéresse donc particulièrement à la représentation du vent à 10 m par le modèle.

Pour cette analyse, les champs de vents à 10 m du centre européen ont été comparés aux sorties du modèle (Fig. 5.7) pour trois dates : 24 juin 0000 UTC, 24 juin 1200 UTC et 25 juin 0000 UTC. Pour rappel, le dernier for¸cage météorologique sur le domaine complet pendant la simulation a eu lieu le 22 juin 0000 UTC. Le 24 juin 0000 UTC, le Golfe du Lion est sous l’influence de vents O-N-O assez forts, atteignant les 20 m s−1. Le modèle reproduit bien cette situation mais au niveau du Cap Corse, le front est modélisé un peu plus au sud que

les analyses. Cette différence s’intensifie le 24 juin 1200 UTC. Les analyses indiquent que le Cap corse est sous influence Ouest alors que pour le modèle, Ersa est sous influence de vent venant du Nord-Ouest. On retrouve la même situation le 25 juin 0000 UTC.

Ainsi, malgré une représentation globale du vent à 10 m satisfaisante, la représentation du front un peu trop au sud au niveau d’Ersa a une conséquence sur l’origine des masses d’air impactant le site de mesure les jours suivants. Au lieu d’être impactée par des masses d’air provenant d’ouest (golfe du Lion), la station d’Ersa est sous l’influence de masses d’air provenant du nord, du golfe de Gênes, où les vitesses de vent à 10 m et les hauteurs de vagues sont moins importantes. Ceci peut également expliquer la moins bonne représentation des variables météorologiques à la bouée Azur, qui se situe au niveau de cette zone.

En parallèle de la vitesse et direction du vent, nous avons étendu les comparaisons aux hauteurs significatives des vagues. Cette variable n’étant pas diagnostiquée par MesoNH, elle est interpolée temporellement entre chaque for¸cage. La comparaison entre les sorties du modèle et les mesures effectuées aux bouées sur trois sites (Golfe du Lion, Golfe de Gascogne et Côte d’Azur) (Fig. 5.8) entre le 18 juin 0000 UTC et le 26 juin 0000 UTC montre une très bonne représentation de la hauteur significative des vagues sur ces stations. En effet, la corrélation entre le modèle et les observations est de 0.93, 0.95 et 0.83 pour chaque site, respectivement. L’amplitude des valeurs est également très proche pour le modèle et les observations, bien que le modèle sous-estime légèrement ces valeurs (Tableau 5.1). Ainsi, le biais entre les observations et le modèle est faible, respectivement de -0.30, -0.07 et -0.14 et la dispersion des observations et du modèle sont très proches, respectivement de 0.97 et 0.90 dans le golfe du Lion, de 0.94 et 0.82 dans le golfe de Gascogne et de 0.34 et 0.40 au niveau de la Côte d’Azur. La dispersion des données nous indique également que les hauteurs de vagues subissent moins de variations sur la Côte d’Azur que dans le golfe du Lion ou de Gascogne. On note aussi que l’effet combiné de la résolution horizontale des données du CEP (moins bonne que celle de MesoNH) et de l’interpolation temporelle provoque un effet de lissage de la variabilité des vagues.

Même si le modèle ne pronostique pas la hauteur significative des vagues, le for¸cage du centre européen d’une résolution de 1.125° est suffisant pour représenter correctement cette variable. De ce fait, ce résultat justifie l’utilisation de la fonction source d’Ovadnevaite et al. (2014). Ces variables sont représentées pour les trois bouées sur la figure 5.8 et les différents scores sont présentés dans le tableau 5.1.

Figure 5.7 – Cartes représentant le vent à 10 m à trois dates différentes. A gauche les analyses ECMWF et à droite la sortie du modèle. (a) et (b) pour le 24 juin 0000 UTC, (c) et (d) pour le 24 juin 1200 UTC et (e) et (f) pour le 25 juin 0000 UTC.

(a) (b)

(c)

Figure 5.8 – Hauteur significative des vagues aux trois bouées situées dans le Golfe du Lion (a), le Golfe de Gascogne (b) et proche de la côte d’Azur (c). La simulation est représentée en rouge et les observations en bleu.

Golfe du Lion Golfe de Gascogne Côte d’Azur Ersa Corr 0.93 0.95 0.83 Hw Biais -0.30 -0.07 -0.14 (m) std(Obs) 0.97 0.94 0.34 std(Modèle) 0.90 0.82 0.40 Corr 0.87 0.71 0.42 0.36 WS Biais 0.56 -0.35 1.51 1.86 (m s−1₎ _std(Obs) _4.57 _2.71 _2.67 _3.95 std(Modèle) 3.57 2.93 2.82 4.65 Corr 0.73 0.66 0.61 0.44 WD Biais 22.11 0.29 -29.94 2.52 (°) std(Obs) 90.80 116.49 85.35 64.64 std(Modèle) 80.68 120.35 86.70 79.80

Table 5.1 – Hauteur significative des vagues, vitesse et direction du vent : Comparaison entre mod`ele et observations sur quatre sites de mesure ; Golfe du Lion, Golfe de Gascogne, Cˆote d’Azur et Ersa.

Finalement, l’analyse des comparaisons entre le modèle et les observations sur la période de campagne ADRIMED indique que le modèle reproduit de manière assez satisfaisante la vitesse du vent, sa direction ainsi que la hauteur significative des vagues. On note également que la situation météorologique, en plus de la topographie, est assez complexe au niveau du Cap Corse pour le second épisode étudié. La station de mesure se retrouve donc, dans la simulation, influencée par des masses d’air provenant du Nord-Ouest. On verra dans la suite de l’étude que ce biais dans la dynamique a des conséquences sur le transport du panache d’aérosols marins et sur les concentrations simulées en surface à Ersa.

Pendant la période où on observe ce biais de la dynamique, afin de comparer les concentrations et granulométries mesurées à Ersa, nous utilisons dans la suite de l’étude deux autres positions situées plus au sud, en plus de la station de mesure d’Ersa (Fig. 5.9). La première se situe dans le bassin algéro-proven¸cal, non loin des côtes ouest de la Corse (8.26°N 41.79°E), et la deuxième se situe au sud-ouest de la Corse (8.97°N 41.89°E, ∼ 700 m asl). La modéli- sation de ce cas d’étude particulier, avec cette dynamique Ouest-Est, ce front situé proche du Cap Corse et le relief complexe dans le bassin méditerranéen Nord-Ouest a nécessité cette adaptation. Ce ne serait pas forcément nécessaire pour d’autres cas d’étude ayant une dynamique différente comme c’est le cas pour le début de la simulation où la dynamique est mieux représentée.

Figure 5.9 – Carte repr´esentant l’emplacement des positions choisies dans le panache d’a´e- rosols marins. En blanc : 8.26°N 41.79°E. En rouge : 8.97°N 41.89°E, ∼ 700 m asl.

SAFMED+

La deuxième période étudiée correspond à la campagne de mesures SAFMED+. Les conditions météorologiques observées du 8 au 10 juillet 2014 sont différentes de celles ren- contrées lors d’ADRIMED et sont caractérisées par un cas de mistral fort. Le mistral est un vent régional provoqué par une dépression vers le nord de l’Italie, dans le Golfe de Gênes, et un anticyclone localisé sur l’Espagne, le Golfe de Gascogne et jusqu’au Sud-Ouest de la France. Ce vent est accompagné de rafales de vent pouvant atteindre les 100 km h−1. La direction du mistral au niveau de Marseille est nord-ouest.

Afin de caractériser cet épisode de mistral, les champs de vent en surface issus des analyses ECMWF ainsi que leur représentation par le modèle sont présentés sur la figure 5.10.

Figure 5.10 – Cartes représentant le vent à 10 m à trois dates différentes : le 8 Juillet à 0600 UTC, en début de simulation, le 10 juillet à 0600 UTC et à 1800 UTC avant et après le vol. A gauche les analyses ECMWF et à droite les simulations MesoNH.

Comme on peut le voir sur la figure 5.10, la région du golfe du Lion est impactée par de forts vents à 10 m, de direction Nord-Ouest, de la côte d’Azur à la Sardaigne. La zone survolée par l’avion de recherche, au large de Marseille et de la Corse est également impactée par des vents forts. Les analyses du centre européen indiquent des vitesses de vent à 10 m allant jusqu’à 15 m s−1 sur le golfe du Lion et au large de Marseille en début de simulation, le 8 juillet à 0600 UTC. Quelques heures avant le début du vol instrumenté, le 10 juillet à 0600 UTC, la situation météorologique est similaire dans le golfe du Lion. Les vents se sont renforcés et atteignent des vitesses dépassant les 20 m s−1. Par effet Venturi, le vent en sortie des bouches de Bonifacio, entre le sud de la Corse et le nord de la Sardaigne, atteint des vitesses importantes, de l’ordre de 16 m s−1. A l’inverse, les vitesses de vent sont faibles au nord de la Corse, ne dépassant pas les 6 m s−1. Après le vol instrumenté, à 1800 UTC, la direction du vent est identique dans le golfe du Lion mais les vitesses de vent sont redescendues autour des 15 m s−1. Le 10 juillet à 1800 UTC, les figure 5.10 (e) et (f) illustrent clairement le trajet de ce vent régional, du golfe du Lion à Lampedusa, avec des vitesses de vent élevées, en opposition aux vitesses beaucoup plus faibles dans le reste du bassin méditerranéen (< 9 m s−1).

Les données issues des bouées situées dans les golfes de Gascogne et du Lion ainsi qu’au large de la Côte d’Azur ont également servi à évaluer cette simulation (tableau 5.2). Durant SAFMED+, la hauteur des vagues, l’intensité et la direction du vent sont bien représentées par le modèle au niveau du golfe du Lion, avec des corrélations respectives de 0.82, 0.87 et 0.76. La vitesse du vent à 10 m atteint donc des valeurs maximales de 17 m s−1 le 10 juillet. Il y a un léger biais positif pour la direction du vent qui est constante (_{∼ 320°) les} 9 et 10 juillet dans la simulation, alors que les observations indiquent une direction de vent constante autour de 300°. Le biais pendant cette simulation pour la direction du vent est de 19.15°. Cependant, il n’est pas significatif et n’impactera pas les émissions d’aérosols marins pendant cette période.

La hauteur des vagues et la vitesse du vent sont également bien représentées dans le golfe de Gascogne (corrélation respective de 0.75 et 0.75) et au large de la Côte d’Azur (corrélation respective de 0.61 et 0.69). Cependant la direction du vent dans le golfe de Gascogne n’a une corrélation que de 0.16 et la dispersion des valeurs modélisée est trois fois plus faible que celle des mesures (21.34° et 74.67° respectivement).

En réalité, la direction du vent est quasiment toujours constante autour de 340°pendant ces trois jours. Les observations montrent trois changement brusques et courts de direction autour de 10° ce qui équivaudrait à 370°. La corrélation n’est pas ici un indicateur de la représentation de la direction du vent par le modèle. Au niveau de la Côte d’Azur en revanche la direction du vent est moins bien représentée, avec une corrélation de 0.32 et un biais de 12.57°. A cette station, on observe à la fois des biais positifs et négatifs ainsi que des décalages temporelles. Les figures représentant ces paramètres sont disponibles en Annexe A sur les figures A.1.

Golfe du Lion Golfe de Gascogne Côte d’Azur Corr 0.82 0.75 0.61 Hw Biais -0.56 -0.11 0.03 (m) std(Obs) 0.73 0.30 0.64 std(Modèle) 0.59 0.12 0.49 Corr 0.87 0.75 0.69 WS Biais 0.05 0.58 1.29 (m s−1) std(Obs) 2.93 1.34 4.16 std(Modèle) 2.89 1.07 5.33 Corr 0.76 0.16 0.32 WD Biais 19.15 23.03 12.57 (°) std(Obs) 11.64 74.67 67.79 std(Modèle) 17.68 21.34 77.50

Table 5.2 – Hauteur significative des vagues (Hw), Vitesse et direction du vent (WS et

WD) : Comparaison entre mod`ele et observations sur trois sites de mesure ; Golfe du Lion, Golfe de Gascogne et Cˆote d’Azur.

Pour résumer la campagne SAFMED+, le modèle représente globalement bien la hauteur significative des vagues ainsi que la vitesse et direction du vent. On note néanmoins une

Dans le document Modélisation des aérosols marins et de leur impact radiatif direct sur le bassin méditerranéen dans le cadre du projet CHARMEX (Page 139-152)