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Etude de l’impact des eaux de fond sur la circulation océanique à grande échelle par des approches de modélisation numérique reposant sur le raffinement de maillage local ou l’imbrication de différentes discrétisations verticales

par BRONDEX Julien - 27 mai 2015 - ( maj : 27 mai 2015 )

Pedro COLOMBO

Date de début et de fin : octobre 2014 - septembre 2017

Financement : bourse ministérielle

Directeurs : Bernard Barnier (LGGE) et Thierry Penduff (LGGE)

Résumé :

Les eaux les plus denses de l’océan sont formées en hiver aux plus hautes latitudes. Elles acquièrent leurs propriétés (température, salinité) lors d’intenses périodes de refroidissement/évaporation de l’océan au contact d’une atmosphère froide et sèche, et/ou par le rejet de sel lors de la formation de banquise. Dans l’océan du large, les régions privilégiées de formation sont les régions de convection profonde de la Mer du Groenland, de la Mer du Labrador ou de la Mer de Weddell. Lors de ces évènements convectifs, la profondeur de mélange peut atteindre des valeurs extrêmes de près de 2000 m, une profondeur bien plus importante que celle des seuils par lesquels les grands bassins océaniques communiquent entre eux. Les autres régions de formation d’eaux très denses sont les plateaux continentaux des océans polaires (océans Arctique et Austral), car ils sont soumis à des conditions atmosphériques hivernales extrêmes. Les eaux denses de plateau débordent vers le large et plongent en profondeur le long des talus continentaux. Ces eaux denses déterminent la stratification profonde de l’océan global profond et alimentent les courants de bord profonds qui influent sur la circulation méridienne et le climat. Leur circulation est fortement contrainte par le relief topographique, qu’elles circulent dans les bassins le long des pentes topographiques, ou entre les bassins en passant par dessus les seuils topographiques. Le rôle que jouent ces eaux denses dans la construction de la circulation générale à grande échelle est encore mal connu sur bien des points, et la thèse propose d’en étudier certains par une approche de modélisation numérique. L’objectif principal est de déterminer dans quelle mesure un changement de densité des eaux de fond, qui pourrait être induit par le réchauffement climatique, va-t-il influencer les structures de circulation ayant une importance climatique reconnue, telles que les gyres subtropical/subpolaire de l’Atlantique Nord (e.g. le ’northwest corner’ et le chemin des eaux salées Atlantique vers l’Arctique), la stratification du courant profond de bord ouest au passage et en aval des seuils des mers nordiques, ou la structure du courant circumpolaire Antarctique.Notre approche se fera par l’utilisation des modèles réalistes de circulation océanique mis au point par le consortium DRAKKAR 1 (Barnier et al., 2006). Un premier volet portera sur l’analyse du jeu de simulations DRAKKAR et des réanalyses MYOCEAN, couplée à des études de sensibilité de la réponse des modèles globaux à des changements imposés des propriétés des eaux de fonds, avec pour objectif de quantifier et comprendre la sensibilité des structures de circulation à des variations de stratification profonde. Nos expériences antérieures faites dans le cadre de DRAKKAR nous laissent présager une réponse significative pour le transport de l’ACC et pour les gyres subtropicaux et subpolaires de l’Atlantique Nord. Un deuxième volet portera sur la simulation de processus locaux qui contrôlent la formation des eaux de fond, à savoir le passage des seuils topographiques, et le débordement des plateaux continentaux. En effet, ces processus sont marginalement résolus dans les modèles actuels, en partie à cause d’un manque de résolution verticale près du fond (Legg et al., 2010). Des configurations régionales du détroit du Danemark (pour les seuils) et des plateaux de la Mer de Ross (pour les débordements) seront utilisées dans des conditions idéalisées pour évaluer l’importance de la résolution verticale d’une part, et de la coordonnée verticale d’autre part. Ces deux aspects seront abordés en coopération avec l’équipe MOISE du LJK par deux approches de modélisation originales. L’une utilisera le logiciel de raffinement AGRIF pour réaliser un raffinement vertical localisé. L’autre utilisera la possibilité de combiner deux types de discrétisation verticale, une discrétisation en niveau régulier ("z") couplée à une discrétisation suivant le relief (" σ ") afin de mieux simuler la dynamique de la couche d’Ekman de fond (Laanaia et al., 2010). Les résolutions horizontales étudiées varieront du 1/4° (résolution de la prochaine génération de modèles d’océan pour le climat) au 1/36° (résolution de la prochaine génération de modèle de prévision opérationnelle), et de 50 à 300 (ou plus) niveaux verticaux.

Abstract :

Densest water masses in the ocean are formed in winter at high latitudes. Their physical properties (Temperature, Salinity) are set during intense cooling/evaporation events that are sometimes associated to formation of sea-ice. In the open ocean, formation regions are principally regions of deep convection of the Greenland Sea, the Labrador Sea and the Weddell Sea. During convection events, mixing can reach down to 2000 m, a depth greater than the sill depths by which ocean basins exchange properties. Continental shelves of polar oceans (Arctic and Southern Oceans) because they are exposed to very extreme atmospheric conditions in winter are other regions where very dense waters are formed. Shelf dense waters overflow across the continental shelf break and sink into the deep ocean. On the whole, dense waters determine the deep stratification of the world oceans. They also feed deep boundary currents which influence the global meridional overturning and climate. The circulation of dense water masses is strongly constrained by topographic slopes or sills between basins. The influence of the deep waters on the large scale general circulation is still not very well understood on many points, and the thesis will investigate few through a numerical modelling approach. The main objective is to determine in which way changes in bottom density, as could be induced by global warming, influence climate-relevant large-scale circulation patterns such as the North Atlantic subtropical/subpolar gyres (e.g. the north west corner and the path of the salty North Atlantic waters toward the Arctic Ocean), the stratification of deep boundary currents at and downstream of the sills of the Nordic Seas, or the stratification and transport of the Antarctic Circumpolar Current. We shall use the realistic eddy-resolving/permitting global ocean/sea-ice circulation models developed and validated by the DRAKKAR 2 consortium (Barnier et al., 2006). A first part will aim at quantifying and understanding the sensitivity of large scale circulation patterns to changes in deep stratification, by means of analysing the deep water properties and circulation as simulated by the set of available DRAKKAR simulations and MYOCEAN reanalyses, and performing coordinated sensitivity simulations where controlled changes in bottom stratification are applied. We expect to find a significant sensitivity in the ACC transport, the gyres of the North Atlantic, and the flows at the Nordic Sills. A second part will concern the understanding and simulation of a local process that controls the formation of the bottom waters, i.e. the overflow at sills and shelf breaks. This process is poorly resolved in present models, partly because a lack of vertical resolution at the bottom (Legg et al., 2010). Regional model configurations of the Denmark Strait (for the sill case) and of the Ross Sea (for the shelf case) will be used in idealised and realistic settings to evaluate different numerical approaches for the representation of the overflow process. One approach will investigate the importance of the grid resolution, and will use the AGRIF software developed at LJK to implement local horizontal and vertical-grid refinement. The second approach will investigate the importance of an hybrid coordinate system for the vertical discretisation, combining the regular level "z" coordinate with the terrain following " σ " coordinate to better represent the bottom ekman layer (Laanaia et al., 2010). Horizontal resolution will vary from 1/4° (resolution of the next generation of ocean models for climate) to 1/36° (resolution of the next generation of global operational models). Horizontal resolution will vary from 50 to 300 (or more) levels (from 200m to 10m near the bottom).

Mots-clef : Océan, modélisation, eaux profondes // Ocean, modelling, deep waters