Modélisation de la banquise et assimilation de données in situ dans le système global Mercator
Avec la collaboration de Marie Drévillon, Mercator Océan
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Glace de mer dans l'océan Arctique : premiers résultats du nouveau système global Mercator : épaisseur de la glace de mer (en mètres, image de gauche), concentration de la glace de mer (de 0 à 1, image du milieu), module de la dérive de la glace de mer (en mètres par seconde, image de droite). | ||
C'est donc fait : Mercator franchit une étape décisive dans la complexité de ses systèmes avec la nouvelle version du modèle global qui apporte deux progrès fondamentaux :
- L'assimilation des données in situ.
Outre les anomalies de niveau de la mer mesurées par les satellites altimétriques, le système assimile désormais conjointement les températures de surface de la mer (données en provenance à la fois des satellites et des bouées dérivant à la surface de l'océan) et les profils de température et salinité provenant des mesures en mer (flotteurs Argo, bouées ancrées, etc). On connait l'apport de ces mesures à la qualité de la modélisation : le modèle est mieux contraint en profondeur, les masses d'eau sont beaucoup mieux représentées. - La modélisation de la banquise ou glace de mer.
Le nouveau système met en oeuvre un modèle de glace couplé à un modèle d'océan. Le modèle d'océan fournit au modèle de glace l'état de la mer (les conditions en température, salinité et courant) qui lui sont nécessaires pour qu'il calcule l'évolution des paramètres qu'il prend en compte. A son tour, il modifie les paramètres de l'océan : il fabrique ou fait fondre la glace, il refroidit ou réchauffe, désale ou sursale l'eau de mer. Ces nouvelles caractéristiques sont en retour injectées dans le modèle d'océan. C'est cela, une modélisation couplée. Ce modèle nous permet de décrire l'évolution de la glace de mer à travers plusieurs paramètres tels que l'épaisseur de la glace et de la neige, la compacité (concentration), la dérive de glace et la température de la glace.
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Glace de mer dans l'océan Antarctique : premiers résultats du nouveau système global Mercator : épaisseur de la glace de mer (en mètres, image de gauche), concentration de la glace de mer (de 0 à 1, image du milieu), module de la dérive de la glace de mer (en mètres par seconde, image de droite). | ||
L'intégration européenne
Outre la performance scientifique et technologique, qui fait de ce système opérationnel le seul au monde à modéliser la glace de mer aux deux pôles et à une telle résolution, la sortie de ce modèle rappelle la place de Mercator Océan dans le programme européen Mersea. Mercator Océan a en effet la responsabilité de modéliser l'océan global, et de fournir les conditions aux frontières des 4 autres systèmes régionaux opérationnels bordant les côtes européennes : l'Arctique, le Nord-Est Atlantique, la Baltique et la Méditerranée. Cette nouvelle version signe le début de la deuxième phase opérationnelle (Target Operational Period) qui doit durer d'Avril 2007 jusqu'à octobre 2007. La prochaine étape est le modèle global à la résolution du 1/12°, prévue pour la fin du programme Mersea en 2008. |
Vision intégrée des 4 systèmes de prévision océanique du programme Mersea : l'océan global (Mercator Océan, France), l'océan Arctique (Nersc, Norvège), la mer Baltique (DMI, Danemark), l'Atlantique Nord-Est (Met Office, Royaunme-Uni) et la mer Méditerranée (INGV, Italie). Accédez librement au service. |
Pour les initiés
Le modèle océan et glace de mer NEMO
Le modèle d'océan est le modèle global OPA (configuration ORCA025) du LODYC, à une résolution du 1/4°, soit 10 Km en moyenne dans ces latitudes. Cette configuration est basée sur le système de modélisation NEMO (Nucleus for European Models of the Ocean) développé en collaboration avec le programme Drakkar.
Le modèle de glace couplé au modèle d'océan est le Louvain Ice Model, dans sa version LIM2, développé par l'Institut d'Astronomie Georges Lemaître, en Belgique. C'est le modèle à 3 couches de Semtner [1], avec les formulations Hibler [2], qui pronostique les variables d'état suivantes : compacité de la glace, épaisseur de glace et de neige, dérive et contenu thermique.
Résolution verticale
Afin de mieux représenter les couches supérieures, la grille verticale, à 50 niveaux, a été raffinée en surface avec une discrétisation de 1 mètre en surface, jusqu'à 20 mètres et 500 mètres dans les couches du fond. Ce raffinement a pour but d'améliorer la représentation de la circulation dans les zones côtières et de l'impact du cycle atmosphérique diurne. Celui-ci sera d'ailleurs modélisé dans le futur.
Fonction de forçage dite bulk
Les champs de forçage atmosphérique sont calculés en utilisant une paramétrisation bulk empirique décrite par Gosse et al.[3]. Un biais systématique des précipitations est enlevé grâce aux observations GPCP (Global Precipitation Climatology Project) lorsque celles-ci sont disponibles. Pour les analyses temps réel et les prévisions, ce biais est enlevé en utilisant un prédicteur déduit de ces observations.
Nouvelles paramétrisations
La combinaison d'un schéma conservant l'énergie et l'enstrophie, pour l'advection de la quantité de mouvement, avec une représentation partial step de la topographie du fond apporte des améliorations significatives de la restitution de la circulation moyenne et de la représentation des courants de bord ouest comme le Gulf Stream et le flux de retour du courant nord-atlantique (voir Barnier, [4]).
De plus, les solutions obtenues se révèlent comparables à des solutions obtenues à la résolution du 1/6° voire du 1/10° sur certains aspects concernant les caractéristiques moyennes de la circulation ou la répartition de l'énérgie cinétique.
Nouveau schéma d'assimilation
C'est une méthode multi-données et multi-variée basée sur un filtre de Kalman (SEEK) singulier, étendu, évolutif, d'ordre réduit introduit par Pham [5] et adapté aux modèles résolvant la mésoéchelle océanique. Cette méthode assimile conjointement les anomalies de hauteur de mer, les températures de surface de la mer et les profils in situ de température et de salinité.
La suite...
Prochaine étape: le global au 1/12° pour la fin du programme Mersea. Une configuration Atlantique avec MNATL12 est déjà développée. Des simulations interannuelles sont en cours, incluant toutes les améliorations citées ci-dessus.
Liens utiles
- Bulletin en images du nouveau système océan global au 1/4°
- Description des systèmes opérationnels à Mercator Océan
- Site du programme Mersea
Références bibliographiques
[1] A J Semtner, 'A model for the thermodynamic growth of sea ice in numerical investigations of climate', J. Phys. Oceanogr., 6, 379-389, (1976).
[2] WDI Hibler, 'A dynamic thermodynamic sea ice model', J. Phys. Oceanogr., 9, 815-846, (1979).
[3] H Goosse, J-M Campin, E Deleersnijder, T Fichefet, P-P Mathieu, MAM Maqueda, and B Tartinville, Description of the CLIO model version 3.0, Institut d'Astronomie et de Geophysique Georges Lemaitre, Catholic, University of Louvain (Belgium), (2001).
[4] B Barnier, G Madec, and c. authors, 'Recent progress in modelling the global ocean circulation at eddy permitting resolution', Ocean Dynamics, Submitted, (2005).
[5] D T Pham, J. Verron, and M C Roubaud, 'A singular evolutive extended Kalman filter for data assimilation in oceanography', Journal of Marine Systems, 16, 323-340, (1998).
