Mercator Ocean newsletter 19

306 vues

Publié le

Amis lecteurs mercatoriens,
Octobre 2005 : mois exaltant à Mercator ! Deux
nouveaux prototypes opérationnels entrent en action :
le prototype Atlantique et Méditerranée haute
résolution (1/15°) PSY2V2 avec une assimilation
multivariée/multidonnées qui est au coeur de ce
numéro et le prototype global PSY3V1 avec une
assimilation univariée et une résolution au 1/4°
Octobre 2005 : mois exaltant à Mercator ! Deux nouveaux prototypes opérationnels entrent en action : le prototype Atlantique et
Méditerranée haute résolution (1/15°) PSY2V2 avec une assimilation multivariée/multidonnées qui est au coeur de ce numéro et
le prototype global PSY3V1 avec une assimilation univariée et une résolution au 1/4°
Ce prototype global a été inauguré en grandes pompes le vendredi 14 octobre au Conseil Régional Midi-Pyrénées, dans
le cadre de la journée océanographie « Quel océan fera-t-il demain ? » des Assises Régionales de la Recherche. L’événement
a eu lieu en présence du président du Conseil Régional, M. Martin Malvy, et des directeurs d'organismes membres du GIP
Mercator-Océan. Il s’agissait non seulement d’un exercice de style en communication mais surtout de la démonstration de la
réussite de toute une équipe et de ce que sera l'océanographie opérationnelle de demain... Une chose est certaine, depuis cet
évènement, relayé par une grande partie de la presse française, toute l’équipe Mercator surfe sur la vague de l’enthousiasme !
La Note d’actualité de ce numéro vous permettra de faire connaissance avec ce nouveau prototype global.
Le reste de la Lettre est entièrement dédiée au nouveau prototype Atlantique/Méditerranée PSY2V2, autre évènement du mois.
3 articles, 3 études qui ont permis d’évaluer cette nouvelle simulation Mercator et que nous voulions vous faire partager.
PSY2V2 sera tout d’abord regardé sous l’angle des performances du système d’assimilation, puis comparé à l’ancien système
(PSY2V1) univarié. Enfin une analyse de la variabilité du « Loop current » et de la qualité des champs PSY2V2 dans le golfe du
Mexique vous sera proposée et clôturera ce numéro, 100% Mercator, vous l’aurez compris !

Publié dans : Environnement
0 commentaire
0 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
306
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
3
Actions
Partages
0
Téléchargements
3
Commentaires
0
J’aime
0
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

Mercator Ocean newsletter 19

  1. 1. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 1 GIP Mercator Océan La lettre trimestrielle Editorial Amis lecteurs mercatoriens, Octobre 2005 : mois exaltant à Mercator ! Deux nouveaux prototypes opérationnels entrent en action : le prototype Atlantique et Méditerranée haute résolution (1/15°) PSY2V2 avec une assimilation multivariée/multidonnées qui est au cœur de ce numéro et le prototype global PSY3V1 avec une assimilation univariée et une résolution au 1/4° Octobre 2005 : mois exaltant à Mercator ! Deux nouveaux prototypes opérationnels entrent en action : le prototype Atlantique et Méditerranée haute résolution (1/15°) PSY2V2 avec une assimilation multivariée/multidonnées qui est au cœur de ce numéro et le prototype global PSY3V1 avec une assimilation univariée et une résolution au 1/4° Ce prototype global a été inauguré en grandes pompes le vendredi 14 octobre au Conseil Régional Midi-Pyrénées, dans le cadre de la journée océanographie « Quel océan fera-t-il demain ? » des Assises Régionales de la Recherche. L’événement a eu lieu en présence du président du Conseil Régional, M. Martin Malvy, et des directeurs d'organismes membres du GIP Mercator-Océan. Il s’agissait non seulement d’un exercice de style en communication mais surtout de la démonstration de la réussite de toute une équipe et de ce que sera l'océanographie opérationnelle de demain... Une chose est certaine, depuis cet évènement, relayé par une grande partie de la presse française, toute l’équipe Mercator surfe sur la vague de l’enthousiasme ! La Note d’actualité de ce numéro vous permettra de faire connaissance avec ce nouveau prototype global. Le reste de la Lettre est entièrement dédiée au nouveau prototype Atlantique/Méditerranée PSY2V2, autre évènement du mois. 3 articles, 3 études qui ont permis d’évaluer cette nouvelle simulation Mercator et que nous voulions vous faire partager. PSY2V2 sera tout d’abord regardé sous l’angle des performances du système d’assimilation, puis comparé à l’ancien système (PSY2V1) univarié. Enfin une analyse de la variabilité du « Loop current » et de la qualité des champs PSY2V2 dans le golfe du Mexique vous sera proposée et clôturera ce numéro, 100% Mercator, vous l’aurez compris ! Sommaire Note d’actualité : le global, une nouveauté de taille à Mercator Par Nathalie Verbrugge et Marie Drevillon. PSY2V2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Par Jean-Michel Lellouche, Eric Greiner et Mounir Benkiran Validation de l’Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Par Laurence Crosnier, Nathalie Verbrugge, Jean-Michel Lellouche, Mounir Benkiran, Eric Greiner Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi-données Mercator-Océan pour la prévision du Loop Current et des positions des tourbillons frontaux dans le golfe du Mexique Par Sylvie Saint-Albin, Laurence Crosnier, Robin. Stephens Page 2 Page 4 Page 18 Page 22
  2. 2. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 2 Note d’actualité : Le global, une nouveauté de taille à Mercator Note d’actualité : le global, une nouveauté de taille à Mercator Par Nathalie Verbrugge et Marie Drevillon Des prévisions pour tous les océans Mercator vient de se doter d’un nouveau prototype opérationnel d’emprise globale – PSY3V1 – qui offre une résolution au 1/4°. Mais cette histoire du global à Mercator n’a pas débuté avec PSY3V1. Elle a commencé il y a 2 ans avec le prototype opérationnel global basse résolution (0.5° pour les tropiques et 2° sur le reste du domaine) PSY2G (cf. la Lettre trimestrielle d'avril 2004 à l'adresse Web suivante : http://www.mercator-ocean.fr/documents/lettre/lettre_13.pdf. Ces deux modèles utilisent le système d'assimilation univarié SAM1V1 (http://www.mercator-ocean.fr/documents/lettre/lettre_13.pdf) - adapté à la surface libre - qui intègre des anomalies de hauteur de mer altimétrique. PSY2G s'est développé autour d'une collaboration Mercator/CNRM dans le but de fournir des conditions océaniques initiales 3D pour la prévision saisonnière atmosphérique. Pour cet exercice, les conditions initiales du modèle océanique doivent répondre à trois critères majeurs : • Les régions tropicales doivent être réalistes (structure thermohaline, dynamique, ...) • La SST ne doit pas être biaisée et doit présenter, cas idéal, une erreur inférieure à 0.1°C. • Enfin, les séries temporelles disponibles doivent couvrir 10 à 20 ans (réanalyses) afin de permettre le calcul de scores de prévisions robustes. Cela est réalisé par le biais de réanalyses. Pour atteindre ces objectifs, Mercator a été amené à améliorer une première fois PSY2G en modifiant la force de rappel à la SST de Reynolds (passage de 40 Wm -2 K -1 à 200 Wm -2 K -1 ). Notons que d'autres évolutions concernant l'amélioration de l'assimilation dans les tropiques sont d'ores et déjà à l'étude via l’implémentation de méthodes d’assimilation multivariée. Le nouveau prototype global Depuis octobre 2005, Mercator étoffe sa gamme de prototypes opérationnels avec PSY3V1, qui possède, hors les régions tropicales, une résolution horizontale 8 fois plus fine que PSY2G. Ce prototype est basé sur la même configuration que la simulation libre ORCA025, c'est-à-dire, entre autres, sur : • le code OPA8.2 avec surface libre • un calcul du terme de vorticité qui conserve l’énergie et l’enstrophie • Des termes de rappel à : o la SST journalière de Reynolds (40Wm-2), o la salinité climatologique de surface de Levitus, o la température et la salinité de la climatologie Levitus au niveau des détroits de Bab el Mandeb et de Gibraltar.
  3. 3. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 3 Note d’actualité : Le global, une nouveauté de taille à Mercator Un rattrapage temps réel forcé avec les analyses du CEP a été effectué à partir de janvier 2005 avec un modèle initialisé par la climatologie Levitus. Les analyses hebdomadaires produites intègrent entre 100000 et 250000 données altimétriques (Jason, Envisat, GFO). La Figure 1 illustre un exemple du travail de validation amorcé sur ce nouveau prototype avec une comparaison aux mouillages TAO/TRITON du Pacifique. On note que la structure verticale de PSY3V1 est proche de celle fournie par les observations. On note cependant un léger déficit en chaleur dans les 100 premiers mètres du bassin ouest (0 .5 à 1°C) ainsi qu’une thermocline insuffisamment pincée autour de 140°W. Perspectives Des évolutions de ce prototype sont d’ors et déjà prévues avec la préparation de la version multivariée, avec la définition de nouvelles configuration 1/4° et 1/12° NEMO qui comprennent le modèle de glace LIM 1 et les forçages avec formulation bulk. Figure 1 Moyennes mensuelles de température pour le mois de juin 2005 des observations TAO/TRITON (en haut) et du prototype PSY3V1 (en bas) le long d’une section équatoriale (140°E - 95°W). Les points de mesures des mouillages TAO sont représentés par les croix sur la Figure du haut (Figure des observations extraite du site web : http://www.pmel.noaa.gov/tao/jsdisplay). Le champ de température des observations et du modèle est moyenné sur la bande 2°S-2°N. 1 Modèle LIM de l’Université de Louvain-La-Neuve
  4. 4. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 4 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator PSY2V2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Par Jean-Michel Lellouche, Eric Greiner et Mounir Benkiran Introduction Le système Mercator de surveillance et de prévision de l’océan est en mode de production temps réel depuis maintenant le début de l’année 2001. Ce système a été régulièrement amélioré à travers trois prototypes de complexité croissante (PSY1, PSY2 et maintenant PSY3) : augmentation de l’emprise géographique (du bassin Atlantique vers le global) et de la résolution, amélioration des modèles d’océans et des schémas d’assimilation. Le premier prototype opérationnel haute résolution de Mercator PSY2V1 (http://www.mercator- ocean.fr/html/lettre/lettre_8/page_1.html) n’assimile que les données satellitales de SLA (Anomalie du niveau de la mer, « Sea Level Anomaly » en anglais) via un schéma d’interpolation optimale à réduction d’ordre dans sa version univariée notée SAM1V1 (http://www.mercator-ocean.fr/documents/lettre/lettre_13.pdf) (Greiner, 2000). L’incrément 2D de SLA issu de l'analyse univariée est alors converti en incrément 3D de l'ensemble des variables d'état du modèle, à savoir, vitesse, température, salinité et énergie cinétique turbulente, en utilisant la méthode de montée descente des colonnes d’eau de Cooper et Haines (1996). Avec cette méthode, dite dynamique, on ne peut assimiler que la hauteur de la mer. Plus moderne, la nouvelle méthode utilisée dans le cadre de cet article, est multivariée et multidonnées (Benkiran et al., submitted). Pour cette méthode, notée SAM1V2, la représentation statistique de l'erreur d'ébauche se décompose en une partie analytique 2D sur l'horizontale et en modes empiriques orthogonaux 1D sur la verticale (EOFs) sur lesquels est projeté l'état du modèle. Le nouveau système d'assimilation multivarié SAM1V2 a alors été implémenté et adapté au modèle d’océan haute résolution PAM (http://www.mercator-ocean.fr/html/lettre/lettre_5/page_1.html) donnant naissance au nouveau prototype PSY2V2, opérationnel depuis le début du mois de juin 2005. Description du prototype Le prototype PSY2V2 repose sur 3 composantes :l • le modèle océanique PAM dont la version du code est celle d’OPA8.1 (Madec et al., 1998). • le système d’assimilation SAM1V2. • le coupleur d’applications parallèles PALM (Piacentini et al., 2003). Plutôt que de décrire ces différentes composantes en détails, nous allons mentionner les différences entre PSY2V2 et le précédent prototype univarié PSY2V1 (http://www.mercator-ocean.fr/html/lettre/lettre_8/page_1.html) en ce qui concerne le modèle et entre PSY2V2 et le prototype plus basse résolution (1/3°) multivarié multidonnées PSY1v2 (http://www.mercator- ocean.fr/documents/lettre/lettre_13.pdf) en ce qui concerne l’assimilation. Le modèle d’océan Les spécificités du modèle PAM ont été décrites une première fois dans la lettre trimestrielle n°5. Quelques modifications ont été apportées lors d’une importante mise à jour du prototype PSY2V1 suite à la pollution du Prestige et aux températures exceptionnelles en Méditerranée de l’été 2003 (lettre trimestrielle n°12 : http://www.mercator- ocean.fr/documents/lettre/lettre_12.pdf). Depuis, le modèle PAM a bénéficié des modifications supplémentaires suivantes : • Un nouveau schéma pour le calcul du terme de vorticité, conservant l’énergie et l’enstrophie, a été implémenté. Avec ce schéma, on n’observe pas de véritable amélioration pour le décollement du Gulf Stream au Cap Hatteras mais en revanche on peut noter une amélioration dans la pénétration vers l’est du Gulf Stream et dans la représentation du front des Açores. • Une paramétrisation de l’impact de la glace sur l’océan issue du travail d’Eric Greiner dans le cadre de la réanalyse MERA11 a été mise en place, à savoir : o une coupure des forçages atmosphériques proportionnellement à la couverture de glace, laquelle est fonction de la SST observée. o un rejet d’eau douce lors de la fonte de glace (voir la Figure 1 qui donne une approximation de la hauteur de glace présente durant l’année 2004).
  5. 5. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 5 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 1 Flux total d’eau douce cumulée sur l’année 2004 (en mètres). La méthode d’assimilation Les modes verticaux 1D multivariés utilisés dans PSY2V2 ont été calculés de façon empirique. Dans un premier temps, nous avons utilisé les sorties du précédent prototype PSY2V1. Des EOFs ont été calculées par trimestre (JFM, AMJ, JAS, OND) pour tenir compte de la variabilité saisonnière. On calcule donc par trimestre des matrices de covariances temporelles verticales entre les variables HBAR (Hauteur BARotrope), T (Température) et S (Salinité) normalisées en tout point de grille et on diagonalise ensuite ces matrices afin d'obtenir les modes et leurs variances expliquées associées. La Figure 2 montre la répartition géographique du nombre de modes nécessaire pour expliquer 99% de variance. Nous voyons ainsi que seules certaines régions nécessitent vraiment l’utilisation des 20 premiers modes. On peut imaginer que davantage d’observations seraient nécessaires pour mieux contraindre le système dans ces régions. Figure 2 Nombre de modes nécessaire pour expliquer 99% de la variance. Validation du système La « simulation PSY2V2 » a été initialisée par la climatologie MEDATLAS en Méditerranée et REYNAUD (1998) en Atlantique à la date du 1er janvier 2003 et assimile depuis cette date les données altimétriques provenant des traces des satellites JASON- 1, ENVISAT et GFO, ainsi que la SST Reynolds et les profils de température et de salinité fournis par CORIOLIS. Dans ce qui suit, nous présentons quelques résultats de validation sur l’année 2004 de cette simulation.
  6. 6. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 6 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Diagnostics sur les anomalies du niveau de la mer La Figure 3 présente des diagnostics sur l’assimilation de la SLA altimétrique. Certains de ces diagnostics constituent des scores de prévision du système à 7 jours et permettent de vérifier de façon continue la performance du système avec un jeu d’observations indépendantes, c’est à dire non encore assimilées. Nous vérifions ainsi sur la Figure 3 c) que la moyenne arithmétique de l’innovation (écart des observations à la prévision du modèle) reste proche de zéro et donc que l’hypothèse de l’absence de biais des variables pronostiques du modèle et des observations reste valide. Nous vérifions également que la RMS de l’innovation (Figure 3 d) reste inférieure à 9cm, ce qui est acceptable compte tenu des différentes erreurs internes au système, à savoir l’erreur instrumentale ainsi que les erreurs de la MSSH (http://www.mercator- ocean.fr/html/lettre/lettre_8/page_12.html) et du modèle. Enfin, nous pouvons vérifier la capacité du modèle à expliquer le signal observé. C’est ce que montre l’évolution dans le temps du rapport de la Figure 3 e). Ce rapport, représentant la moyenne quadratique de l’innovation, normalisée par celle des données, décroît au cours de l’assimilation et converge vers une valeur inférieure ou égale à 1, ce qui montre le bon comportement du système. Figure 3 Diagnostics d’assimilation sur le domaine global de la SLA issue des satellites JASON, ENVISAT et GFO. a) nombre de données, b) RMS des données, c) Moyenne arithmétique de l’innovation, d) RMS de l’innovation, e) rapport RMS de l’innovation sur RMS des données. La Figure 4 présente deux diagnostics permettant, conjointement à ceux de la Figure 3, d’illustrer en moyenne sur l’année 2004, les scores de prévision (carte de gauche) et d’analyse (carte de droite) d’un point de vue plus géographique. Nous pouvons ainsi voir apparaître les différentes carences du système, à savoir : • une probable incohérence entre la MSSH et la SLA observée, notamment au niveau des « buffer zones » (zones de rappel à la climatologie) au sud et au nord du domaine, de la Méditerranée orientale et des plateaux continentaux (Islande, Grande Bretagne). • Une déficience du modèle, en particulier au niveau du Gulf Stream.
  7. 7. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 7 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator • Des échelles de corrélation spatiale peut-être trop importantes. • Un problème d’initialisation au niveau des Bahamas. Figure 4 Ecart moyen (carte de gauche) et écart moyen résiduel (carte de droite) sur l’année 2004 entre la SLA observée et la SLA simulée (en mètres). Enfin, la Figure 5 donne une information supplémentaire quant aux corrélations spatiales et temporelles entre l’analyse et la prévision. Nous pouvons ainsi diagnostiquer sur la carte de gauche que la capacité de prévision du système, en terme de positionnement des structures méso échelles, est faible au niveau de la région des Bermudes, et dans une moindre mesure, au niveau du Gulf Stream et de la dérive Nord Atlantique. Cette capacité de prévision est également faible en Méditerranée à cause notamment de la mauvaise qualité de la MSSH et des résidus altimétriques assimilés qui ne sont pas spécifiquement traités dans cette région. Figure 5 Corrélations spatiales (carte de gauche) et temporelles (carte de droite) entre prévision et analyse. Les corrélations spatiales sont calculées dans des boîtes de 3° en longitude sur 2,5° en latitude. La carte de droite montre que prévision et analyse sont bien en phase dans le temps, et ce, quelle que soit la région. Diagnostics sur les profils T/S Comme pour la SLA, de nombreux diagnostics sont effectués sur les profils de température et de salinité assimilés. En premier lieu, on analyse les séries temporelles des moyennes arithmétiques et quadratiques de l’innovation en température et salinité (Figure 6). On vérifie ainsi l’absence de biais significatif sur l’année 2004. Toutefois, on peut noter de légers biais en température à partir de l’été, froid en surface et chaud en subsurface, témoignant d’un manque de stratification à partir de cette période. De plus, on peut observer une dérive de salinité en surface, toujours au début de l’été, qui se propage en profondeur par mélange vertical jusqu’à 300-400 mètres dans la seconde partie de l’année.
  8. 8. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 8 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 6 Moyennes arithmétique et quadratique de l’innovation (de gauche à droite) sur l’année 2004 pour la température et la salinité (de haut en bas). En second lieu, les diagnostics de la Figure 7 et de la Figure 8 permettent, comme pour la SLA, de mieux situer spatialement les éventuelles carences du système. Pour les profils de température, la Figure 7 montre que les innovations moyennes sont faibles (à l’exception du Gulf Stream) et que l’analyse fonctionne correctement dans toutes les régions puisque les résidus moyens sont encore plus faibles. On peut toutefois noter un léger biais chaud en Méditerranée probablement attribuable à un défaut de la MSSH dans cette région. Pour les profils de salinité, la Figure 8 permet d’identifier géographiquement les zones de dessalage du modèle constaté en moyenne spatiale sur la Figure 6. Ce dessalage est significatif dans toutes les régions spécifiées sur la première carte de la Figure 8 en surface, dans les régions 2 et 4 à 100 mètres et dans la région 4 à 300 mètres. Plusieurs explications peuvent être avancées selon les régions considérées. La paramétrisation de la fonte de glace adoptée pour PSY2V2 (voir paragraphe : " le modèle d’océan ") semble dessaler le modèle dans les régions 1 et 2 en surface et dans la région 2 à 100 mètres à partir du début de l’été, d’autant plus qu’un flux de sel dû à la formation de glace pendant l’hiver précédent n’as pas été pris en compte dans le système. D’autre part, un rappel à la salinité climatologique de surface est appliqué dans le modèle. En analysant l’évolution de l’innovation en salinité de surface, nous avons pu remarquer un dessalage du modèle intervenant dès le mois de février 2004 dans les régions 1 et 3 à cause probablement de ce rappel climatologique. On peut incriminer également l’effet des runoffs au niveau de la région 3 qui a tendance à la dessaler en surface ou un manque d’évaporation dans les champs fournis par le Centre Européen dans la région 4, conséquence de trop faibles champs de vents dans cette région.
  9. 9. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 9 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 7 Ecart moyen (cartes de gauche) et écart moyen résiduel (cartes de droite) sur l’année 2004 entre la température observée et la température simulée aux profondeurs 3m, 100m, 300m et 1000m.
  10. 10. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 10 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 8 Ecart moyen (cartes de gauche) et écart moyen résiduel (cartes de droite) sur l’année 2004 entre la salinité observée et la salinité simulée aux profondeurs 3m, 100m, 300m et 1000m. Les cercles noirs correspondent à différentes régions : région 1 (Mer du Labrador), région 2 (Terre Neuve), région 3 (Mer du Nord), région 4 (Méditerranée occidentale). Estimation des erreurs de prévision Conjointement aux scores de prévision à 7 jours, il peut être intéressant de disposer également d’une estimation de la borne inférieure des erreurs de prévision à 7 jours du système. C’est ce que représente l’écart type des incréments en température et en salinité de la Figure 9. Nous voyons bien entendu une certaine cohérence spatiale entre ces cartes et les cartes d’innovations moyennes de température et de salinité à 300 mètres des Figures 7 et 8.
  11. 11. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 11 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 9 Ecart type des incréments en température et en salinité à 300m sur l’année 2004. Comparaison avec les hypothèses a priori Variance expliquée L’idée est de vérifier que la fraction de variance expliquée de la variable y en prévision à 7 jours reste proche de 1 par valeurs inférieures. En notant yp la variable prévue à 7 jours et ya la variable analysée, on veut donc que : 1 y a 2 y a y p 2 1 ≈ − − En pratique, nous avons restreint notre vérification au niveau de la mer, à la SST et à la température et à la salinité aux profondeurs 100m et 300m (Figure 10). Quelque soit la variable considérée, on peut voir que le système reproduit globalement près de 80% du signal. Ce pourcentage décroît avec la profondeur ce qui est dû à la décroissance du terme ||ya|| 2 représentant la variabilité de ya. Les différentes cartes de la Figure 10 permettent de mettre en évidence certaines carences du système. En effet, la fraction de variance expliqué en hauteur de mer laisse apparaître des défauts concernant : • la circulation moyenne (et donc la MSSH utilisée dans l’algorithme d’assimilation). • la discrétisation verticale. Il faudrait probablement davantage de résolution verticale dans le modèle jusque vers 700-800 mètres pour bien résoudre la baroclinicité de la thermocline principale. • La fraction de variance expliquée en SST laisse elle apparaître des défauts concernant : • la cohérence entre la climatologie Reynaud et la SST Reynolds dans la « buffer zone » sud. • l’absence de modèle de glace (côtes du Groenland).
  12. 12. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 12 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 10 Fraction de variance expliquée en prévision à 7 jours. Colonne de gauche : hauteur de mer et salinité à 100m et 300m. Colonne de droite : SST et température à 100m et 300m. Vérification des biais et des erreurs Les séries temporelles de la Figure 11 nous permettent de mesurer l’évolution du biais d’analyse (graphique de gauche) ainsi que l’évolution de la précision de l’analyse (graphique de droite) sur les années 2003-2004. On peut donc dire que, pour la SLA, l’analyse est peu biaisée (moins de 5mm). De plus le niveau de précision de l’analyse reste autour de 5,5cm ce qui correspond bien à la somme (en variance) de l’erreur instrumentale spécifiée pour la SLA (autour de 3cm) et de l’erreur spécifiée pour la MSSH (autour de 5cm). Figure 11 Séries temporelles sur 2003 et 2004 de la moyenne et de l’écart type des résidus en SLA.
  13. 13. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 13 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator De même que pour la SLA, la Figure 12 et la Figure 13 décrivent les mêmes mesures de biais et de précision de l’analyse pour la température et la salinité aux profondeurs 3m, 103m, 292m et 1001m. Les mêmes constatations que pour la SLA peuvent être faites. Les biais sont modérés et l’écart type des résidus correspond peu ou prou aux niveaux d’erreur prescrits a priori (par exemple 0,4°C à 300m et 0,05 psu à 1000m). Figure 12 Séries temporelles sur 2003 et 2004 de la moyenne et de l’écart type des résidus en température aux profondeurs (de haut en bas) 3m, 100m, 300m et 1000m.
  14. 14. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 14 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 13 Séries temporelles sur 2003 et 2004 de la moyenne et de l’écart type des résidus en salinité aux profondeurs (de haut en bas) 3m, 100m, 300m et 1000m. Séries temporelles en des points de mouillages La Figure 14 représente, en deux points de mouillage, des séries temporelles sur l’année 2004 de la SLA prévue et analysée d’une part et de la SST prévue et Reynolds d’autre part. Ces points de mouillage sont situés pour l’un dans la mer du Labrador (55°W,60°N) et pour l’autre au nord de l’arc des Antilles (63°W,17°N).
  15. 15. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 15 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Figure 14 Séries temporelles de SLA (graphiques du haut) et de SST (graphiques du bas) aux points de mouillages (55°W,60°N) et (63°W,17°N). Pour la SLA : SLA analysée en bleu et SLA prévue en vert. Pour la SST : SST Reynolds en bleu et SST prévue en vert. On voit sur les séries temporelles concernant la SLA que le niveau de la mer prévu est en bonne adéquation avec le niveau de la mer analysé aux deux points de mouillage. Par contre, la SST prévue est plus réaliste dans la mer du Labrador qu’à proximité de l’arc des Antilles, probablement influencé par la « buffer zone » au sud du domaine qui est une zone de rappel à la climatologie. Circulation moyenne de surface Afin de vérifier l’existence et la position des différents courants sur le domaine considéré, il est bon de calculer le courant moyen annuel sur la zone. On peut ainsi voir que les principaux courants (Figure 15) sont présents et correctement positionnés dans PSY2V2 : le Gulf Stream est bien compris dans un intervalle standard de trajectoires malgré un décollement un peu faible au niveau du Cap Hatteras. On retrouve bien le courant Nord Atlantique, le courant algérien, le courant Liguro Provençal, le front des Açores, … Figure 15 Courants moyens de surface sur l’année 2004 (Atlantique à gauche et Méditerranée à droite).
  16. 16. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 16 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Les eaux Méditerranéennes Un des problèmes majeurs avec le prototype univarié PSY2V1, n’assimilant que la SLA altimétrique, est la représentation de la sortie d’eau méditerranéenne (MOW : Mediterranean Water Outflow) et principalement son positionnement vers 1000m de profondeur. La Figure 16 montre la salinité analysée moyenne sur l’année 2004 et la climatologie à cette profondeur. Figure 16 Salinité à 1000m de profondeur. Moyenne annuelle des champs analysés PSY2V2 (carte de gauche) et climatologie (carte de droite). Rappelons que pour le prototype PSY2V1, la MOW est artificiellement maintenue par un rappel sous 500m de profondeur à la climatologie dans le golfe de Cadix, ce qui n’est plus le cas pour PSY2V2. Nous pouvons alors voir sur la Figure 16 des eaux salées qui correspondent aux caractéristiques de la MOW (salinité proche de 36.5 psu). Cet exemple montre l’impact de l’assimilation des profils verticaux de température et de salinité dans cette région qui ne souffre donc plus d’une erreur systématique, en accord avec les cartes de salinité à 1000m de la Figure 8. Conclusion Nous disposons à présent d’un prototype opérationnel haute résolution, assimilant de façon multivariée, les données altimétriques provenant des traces des satellites JASON-1, ENVISAT et GFO, la SST Reynolds et les profils de température et de salinité fournis par CORIOLIS. Ce prototype a un comportement statistique satisfaisant et permet entre autres de mieux représenter les masses d’eau, comme par exemple la MOW avec une excellente description des structures méso échelles. De plus, le système semble assez bien réglé puisque nous obtenons des biais faibles aussi bien pour l’analyse que pour la prévision à 7 jours. Il reste cependant des paramètres du système à améliorer. Des travaux en cours visent à : • utiliser la dernière version de la MSSH issue de Rio et al., 2005. Par rapport à la MSSH actuellement utilisée, la résolution est passée du degré au demi degré en utilisant davantage d’années d’observation et une meilleure ébauche basée sur les données géodésiques de la mission GRACE. • construire une « meilleure » statistique d’erreur de prévision en affinant en particulier le protocole de calcul des EOFs 1D. • améliorer la prise en compte dans l’algorithme d’assimilation des erreurs de représentativité liées aux observations. • couper le rappel à la salinité climatologique de surface et paramétriser le flux de sel dû à la formation de glace pendant l’hiver, afin de minimiser le biais en salinité mis en évidence au niveau de la Mer du Labrador et au large de Terre Neuve. • contrôler de façon cohérente les couches de surface. Pour cela nous utiliserons la formulation « Bulk » déjà utilisée dans le cadre de la réanalyse MERA11.
  17. 17. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 17 PSY2v2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Références Benkiran M., Greiner E., Dombrowsky E., 2005. “Multivariate and multidata assimilation in the Mercator project”, submitted to Journal of Marine System. Cooper M., Haines K., 1996. “Data assimilation with water property conservation”, J. Geophys. Res., 101, pp. 1059-1077. Greiner E., 2000. “SAM1: Définition de l’outil univarié”, Rapport interne Mercator MOO-ST-432-105-MER, 31 pp. Madec G., Delecluse P., Imbard M., Lévy C., 1998. “OPA 8.1 ocean general circulation model reference manual”, Notes du pôle de modélisation IPSL, 91 pp. WWW Page http://www.lodyc.jussieu.fr/opa/ Piacentini A., Buis S., Declat D. and the PALM group, 2003. “PALM: A computational Framework for assemblig high performance computing applications”, Concurrency and Computat., 00, pp. 1-7. Rio M.-H., Schaeffer P., Hernandez F., Lemoine J.-M., 2005. “The estimation of the ocean Mean Dynamic Topography through the combination of altimetric data, in-situ measurements and GRACE geoid: From global to regional studies”, Proceeding of GOCINA workshop: Improving modelling of ocean transport and climate prediction in the North Atlantic region using GOCE gravimetry, 7 pp.
  18. 18. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 18 Validation de l'Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Validation de l'Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Laurence Crosnier, Nathalie Verbrugge, Jean-Michel Lellouche, Mounir Benkiran, Eric Greiner Introduction MERCATOR a développé un modèle à haute résolution (1/15°) avec un nouveau schéma d’assimilation multivarié (cf. article 1 de ce numéro : PSY2V2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator). Ce nouveau système est comparé à l’ancien système haute résolution comportant un schéma d’assimilation univarié, de même qu’à des observations indépendantes (i.e. non assimilées). La comparaison a lieu sur le bassin Atlantique Nord. Dans le présent article, à des fins de simplicité, nous appellerons MERCATOR2 le nouveau système, alors que l’ancien sera noté MERCATOR1. Validation dans l’Atlantique Nord. Impact de l’assimilation des profils verticaux de température et de salinité sur la représentation des masses d’eau. Dans ce paragraphe, nous comparons les masses d’eau dans MERCATOR1 et 2 avec celles présentes dans différentes sections verticales WOCE (WOCE CDRom, 2002). Une section zonale de salinité WOCE à 26°N (Figure 1) montre les eaux dites Subtropical Underwater (STUW), avec des caractéristiques en sel allant de 36.6 à 36.9 psu, centrées à 200m de profondeur environ dans la partie ouest du basin de 80 à 50°W. La même section dans MERCATOR1 ne possède pas les caractéristiques en sel des STUW, alors que celle de MERCATOR2 contient ces eaux (Figure 1). Nous montrons ainsi que l’assimilation des profils verticaux de salinité dans MERCATOR2 permet une meilleure représentation des caractéristiques en sel des STUW, bien que les STUW soient moins salées dans MERCATOR2 que dans la section WOCE. Cela est peut être dû au peu de profils verticaux de salinité disponibles pour être assimilés dans cette région, ou bien à une variation interannuelle des caractéristiques des STUW entre l’année de la section WOCE (1992) et l’année durant laquelle nous regardons le système MERCATOR2 (2003). Regardons maintenant une section verticale méridienne WOCE à 9°W (pas de Figure) dans le Golfe de Cadix, qui montre les eaux salées sortant de la mer Méditerranée (Mediterranean Water Outflow, MOW) à 1100 mètres de profondeur. Dans MERCATOR1, les eaux du MOW sont légèrement trop peu profondes et trop peu salées. Elles sont maintenues par la relaxation au-dessous de 500 mètres de profondeur à la climatologie de Reynaud et al. (1998) dans le Golfe de Cadix. Cette relaxation n’a plus lieu dans MERCATOR2, où il existe par contre une assimilation de la climatologie en dessous de 1400 mètres de profondeur, trop profonde pour concerner ici les eaux du MOW. MERCATOR2 représente de façon réaliste les caractéristiques en sel des eaux MOW grâce à l’assimilation des profils verticaux de salinité. La profondeur de couche de mélange dans la zone POMME. Dans ce paragraphe, nous donnons un aperçu des processus physiques et biologiques ayant lieu dans la région POMME (16- 22°W et 38-45°N). Nous regardons ensuite si ces processus sont bien représentés dans les 2 systèmes MERCATOR. Le projet POMME a pour but d’étudier les processus de subduction et de formation d’eaux modales à méso-échelle, de même que le couplage entre les processus dynamiques de subduction et les processus biologiques du cycle du carbone (Memery et al. 2005). Dans la région sélectionnée (carré noir sur la Figure 2) ont lieu des processus de subduction de l’eau modale Nord- Est Atlantique à 11-12°C. La région POMME, selon la climatologie de profondeur de couche de mélange de Boyer-Montegut et al. (2004), est une zone de transition entre des couches de mélange profondes au nord et moins profondes au sud. La campagne en mer POMME1 pendant les mois de Février-Mars 2001, avec deux sections méridiennes à 20°W et 15.20°W, révèle des couches de mélange allant de 20 à 250 mètres de profondeur (Reverdin G., communication personnelle), avec des couches de mélange plus profondes au nord qu’au sud de la zone POMME. La partie nord profonde est associée à une zone biologiquement productive, alors que le sud est une zone plus oligotrophique (Lévy et al. 2005b). Par ailleurs, la subduction et les blooms de printemps ayant tous les deux lieu à la fin de l’hiver, il est important de bien comprendre le phasage de ces deux processus : la subduction détermine les caractéristiques biologiques des masses d’eau avant que celles-ci ne soient incorporées dans la thermocline principale (Lévy et al. 2005b). MERCATOR1 et 2 (Figure 2), en moyenne sur l’hiver 2004 (Jan-Fev-Mar), ont une couche de mélange plus profonde dans le nord que le sud de la zone POMME, en accord avec Reverdin (communication personnelle) et la climatologie Boyer-Montegut et al. (2004).
  19. 19. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 19 Validation de l'Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Dans le modèle à haute résolution CLIPPER (Tréguier et al. 2003), le cycle saisonnier de la profondeur de couche de mélange est bien représenté, avec cependant une surestimation de l’amplitude allant jusqu’ à 100 mètres en Mars (Lévy et al. 2005a). Un diagramme de Hovmuller (Figure 3) montre que la phase du cycle saisonnier est également bien représentée dans MERCATOR1 et 2, avec des amplitudes allant de 40 mètres de profondeur dans le sud à un maximum de 180 mètres dans le nord pour MERCATOR1, et pour MERCATOR2 des amplitudes de 20 mètres dans le sud ainsi qu’un maximum de 260 mètres dans le nord. Selon Reverdin (communication personnelle), la profondeur de couche de mélange dans MERCATOR2 est en meilleur accord avec les observations. Par ailleurs, la Figure 3 suggère que MERCATOR2 possède plus de structures de petite échelle, d’importance pour l’activité biologique, que MERCATOR1. Les 2 systèmes ayant les mêmes résolutions horizontale et verticale, cela suggère que l’assimilation de la température de surface ainsi que des profils de température et de salinité dans MERCATOR2, améliore le développement de structures de petites échelles. Conclusion Nous avons comparé les deux systèmes MERCATOR à haute résolution dans l’Atlantique Nord, l’un comportant le nouveau schéma d’assimilation multivarié (MERCATOR2), l’autre comportant l’ancien schéma d’assimilation monovarié. Nous avons vu que le nouveau schéma d’assimilation, avec assimilation des profils verticaux de température et de salinité, permet de mieux représenter les masses d’eau de type eaux modales ou bien eaux méditerranéennes. Dans la région POMME (16-22°W et 38- 45°N), la profondeur de couche de mélange et son cycle saisonnier sont bien représentés dans les deux systèmes MERCATOR 1 et 2. MERCATOR2 possède des structures de couche de mélange temporelles et spatiales de plus petites échelles que MERCATOR1, qui sont particulièrement intéressante dans le cadre de l’étude de l’activité biologique. En conclusion, nous avons étudié plusieurs régions de l’Atlantique Nord et globalement, le système MERCATOR2 est plus performant que MERCATOR1. Une étude plus complète du nouveau système MERCATOR2 est en cours. 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 WOCE (juillet-août 1992) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator1 (PSY2v1) (septembre 2003) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator2 (PSY2v2) (septembre 2003) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 WOCE (juillet-août 1992) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 WOCE (juillet-août 1992) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator1 (PSY2v1) (septembre 2003) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator1 (PSY2v1) (septembre 2003) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator2 (PSY2v2) (septembre 2003) 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 5 10 50 200 500 1000 2000 5000 Log10(profondeur) -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 37.5 37 36.5 36 35.5 35 Mercator2 (PSY2v2) (septembre 2003) Figure 1 Section zonale de salinité (psu) à travers la latitude 26°N dans l’Atlantique Nord en fonction de la longitude et de log10(profondeur), Haut) dans MERCATOR1 en septembre 2003, Milieu) dans MERCATOR2 en septembre 2003, Bas) dans la section synoptique WOCE A05 (juillet - août 1992).
  20. 20. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 20 Validation de l'Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Figure 2 Profondeur de couche de mélange (mètres) Gauche) Dans la climatologie Boyer-Montegut (2004), Milieu) Dans MERCATOR1 (hiver 2004), Droite) Dans MERCATOR2 (hiver 2004). Figure 3 Diagramme de Hovmuller (temps en fonction de la latitude) de la couche de mélange hivernale (JFM2004) (mètres) Gauche) dans MERCATOR1, Droite) dans MERCATOR2.
  21. 21. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 21 Validation de l'Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Références Benkiran, M., E. Greiner and E. Dombrowsky, 2005, Multivariate and multidata assimilation in the Mercator project, submitted to Journal of Marine Systems. Boyer-Montegut C., G. Madec, A.S. Fisher, A. Lazar and D. Ludicone, 2004, Mixed layer depth over the global ocean: An examination of profile data and a profile-based climatology, J. Geophys. Res., Vol 109, C12003, doi:10.1029/2004JC002378, 2004. Candela J., S. Tanahara, M. Crepon, B. Barnier, 2003, Yucatan channel flow: observations versus CLIPPER ATL6 and MERCATOR PAM models, J. Geophys. Res., 108(C12), 3385. Lellouche J.M., Benkiran M. and E.Greiner, Multivariate Data Assimilation in the Mercator North Atlantic and Mediterranean Sea high resolution model, 2005, Eurogoos proceedings. Reynaud T., P. Legrand, H. Mercier and B. Barnier, 1998, A new analysis of hydrographic data in the Atlantic and its application to an inverse modeling study, International WOCE newsletter, 32, 29-31, 1998. Treguier A.M., O. Boebel, B. Barnier and G. Madec, 2003, Agulhas eddy fluxes in a 1/6° Atlantic model, Deep Sea res. II, 50, 251-280. Levy M., Y. Lehahn, J.M. Andre, L. Memery, H. Loisel and E. Heifetz, 2005a, Production regimes in the NorthEast Atlantic: a study based on Seawifs chlorophyll and OGCM mixed layer depth., submitted. Levy M., M. Gavart, L. Memery, G. Caniaux and A. Paci, 2005b, A 4D-mesoscale map of the spring bloom in the northeast Atlantic (POMME experiment): results of a prognostic model, J. Geophys. Res., Vol 110, C7, C07S21 10.1029/2004JC002588, 2005. Memery L., G. Reverdin, and J. Paillet, 2005, The POMME Program (Programme Ocean Multidisciplinaire Meso Echelle). Subduction, thermocline ventilation, and biogeochemical tracer distribution in the North-East Atlantic Ocean: Impact of mesoscale dynamics, EOS, submitted. World Ocean Circulation Experiment (WOCE), 2002, Global data Version 3.0, 2002, 2CDroms.
  22. 22. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 22 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi- données Mercator-Océan pour la prévision du Loop Current et des positions des tourbillons frontaux dans le Golfe du Mexique par Sylvie Giraud St Albin, Laurence Crosnier, Robin Stephens Introduction Le retour d’expérience des utilisateurs du secteur Offshore montre que les coûts d’exploitation liés aux risques de courants de forte intensité augmentent avec la migration de l’exploration vers les hautes profondeurs océaniques. De ce fait la demande à disposer de prévisions précises de ces courants jusqu’à une échéance de 2 semaines est urgente. La Figure 1 illustre les frontières des concessions marines louées aux compagnies pétrolières Offshore dans le Golfe du Mexique (GOM). Ces régions s’étendent jusqu’à des profondeurs de plus de 3000 mètres. Beaucoup de plateformes sont situées le long du talus continental dans la partie centrale au nord du GOM de part et d’autre de l’embouchure du Mississipi. Les sites d’exploration et de production de pétrole et de gaz sont directement touchés par les variations du front nord de l’extension du Loop Current (LC) comme l’illustre la Figure 2. Le LC et les tourbillons associés sont en effet les événements les plus énergétiques de cette région : leur influence s’étend jusqu’à plus de 1000 mètres de profondeur et on peut observer des vitesses de surface supérieures à 120 cm/s et jusqu’à 200 cm/s localement. A 800 m, les courants modélisés peuvent atteindre plus de 50 cm/s. Figure 1 Régions louées aux compagnies Offshore dans le GOM (crédit : FUGRO-GEOS) Figure 2 Schéma représentant les 2 “régimes” de la circulation de surface du Loop Current dans le GOM : mode « étendu » en bleu et mode « rétracté » (ou port-to- port) en rouge (extrait de Schmitz, 2003) Figure 3 La plateforme BP “Thunderhorse” implantée à 150 miles au sud est de la Nouvelle Orléans (coût estimé de 1 milliards de dollars) (crédit : http://www.ldsystems.com/si/specproj/special_Thunderhorse.htm) Ce genre d’épisode peut causer de sérieux dégâts aux plateformes situées dans le bassin nord-est du Golfe à l’exemple de la plateforme BP « Thunderhorse » illustrée dans la Figure 3, dégâts qui auraient pu être réduits par une prévision de ces événements forts. L’objectif de cet article est de présenter les résultats des travaux de validation régionale menée parallèlement par CLS, Mercator-Océan et Ocean Numerics pour évaluer la « valeur » des sorties du nouveau prototype PSY2V2 (cf. PSY2V2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator, Lellouche & al. dans ce numéro) pour la prévision de ces épisodes de courant de forte intensité durant la période de test de l’hiver 2005 (de février à mai inclus). Nous présentons également un exemple de produit « à valeur ajoutée » pour les pétroliers intégrant ces sorties PSY2V2 et réalisé par la société Ocean Numerics. L’interaction possible entre les tempêtes tropicales (TS) et le LC (intensification de l’ouragan, e.g. Scharroo et al., 2005) ne sera pas traitée dans cette étude car aucune tempête ne s’est produite durant cette période.
  23. 23. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 23 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Méthodologie de validation La validation du système de modélisation est d’une importance cruciale dans le développement de services de prévision opérationnelle. On rappelle que l’objectif final de ce travail est en effet d’estimer la valeur de la capacité de prévision du système PSY2V2 de Mercator-Océan durant l’hiver 2005 (de février à mai inclus) pour la prévision des événements de courants intenses. C’est une tâche qui demande de valider toutes les échelles de circulation (depuis la grande échelle jusqu’à la méso-échelle, voire la sub-méso-échelle) qui sont modélisées par ce système d’assimilation sous réserve que des observations de ces échelles existent et soient connues. En effet, les Figures océaniques les plus énergétiques du GOM, à savoir le LC et les tourbillons détachés du LC (LCE), affectent soit directement soit indirectement tous les processus océanographiques dans le Golfe à travers les structures de plus petites échelles qui leur sont associées [Oey et al., 2005a]. Les modèles de circulation océanique ont montré la difficulté à décrire, à comprendre et en fin de compte à prévoir ces structures [Welsh and Inoue, 2000]. La première partie de cet article présente un résumé de l’effort de validation scientifique régionale de la simulation PSY2V2R1 (simulation de rattrapage du temps réel de janvier 2003 à juin 2005) réalisée en temps différé et qui constitue le jeu de données des champs analysés sous la forme de « Best Estimate ». Ces champs sont différents de champs de type « réanalyses » (pour lesquels on cherche à optimiser la qualité des résultats). Il désigne simplement les sorties de modèle issues de simulations utilisant des forçages atmosphériques analysés et des données d’assimilation disponibles en temps différé. Ce travail est une contribution directe à l’effort de validation de MERCATOR-OCEAN et les sorties du système PSY2V2R1 seront comparées aux observations disponibles : • les données historiques issues de publications scientifiques : le transport volumique au détroit du Yucatan, au détroit de Floride, aux passages entre les îles des Caraïbes et les études théoriques sur le processus de séparation des tourbillons du LC (2004-2005, hiver 2005). • Des données temps réel de transport volumique aux détroits : le transport volumique mesuré par le câble au détroit de Floride (1) (hiver 2005). • Les données de surface déduites d’observations spatiales de la terre : la hauteur de la mer (SSH), la température de surface (SST) et la couleur de l’eau (été 2004) : en effet, les eaux chaudes et salées du LC en provenance de la mer des Caraïbes sont une zone de “désert” biologique qui constraste avec l’ « oasis » des eaux côtières peu salées et froides. De ce fait, ce processus a une signature observable dans les images satellitales de SST (en hiver et au printemps) et de couleur de l’eau. • Les données de bouées du Centre national de données océanographiques des Etats-Unis (NODC) : la température de surface de la mer (été 2004). La fin de l’article est consacrée à illustrer la production à valeur ajoutée dédiée aux utilisateurs finaux du secteur Offshore. En effet, le besoin de disposer d’un diagnostic de validation ainsi que de produits de « synthèse » encore appelés indicateurs est exprimé par l’industrie pétrolière à l’endroit des forages où des courants intenses ont été mesurés et en particulier durant la fenêtre temporelle d’occurrence des événements forts. La circulation de surface dans le golfe du Mexique et dans la mer des Caraïbes Les courants qui traversent la mer des Caraïbes, le golfe du Mexique et le détroit de Floride constituent une composante fondamentale du gyre subtropical dans l’océan Atlantique Nord. La Figure 5 montre un exemple de la circulation superficielle régionale, moyennée sur une journée, issue de la simulation PSY2V2R1 durant l’hiver 2005. Cette Figure donne les nomenclatures et les acronymes qui seront utilisés tout au long de cet article. Dans cette vision quasi-synoptique, on peut voir des structures complexes de courants et de tourbillons d’échelles spatiales variées. Le LC est sur le point de détacher un tourbillon (LCE) dans une position « d’étranglement » et apparaît interagir avec plusieurs tourbillons cycloniques situés au large du plateau ouest de la Floride, dont le plus connu se situe au sud et se dénomme le « Tourbillon Tortugas » (Dry Tortugas Islands). On remarque la présence d’autres tourbillons plus petits dans le Golfe, y compris d’ « anciens » tourbillons détachés dans le nord et le sud-ouest du Golfe. Les valeurs maximales du courant dans le détroit du Yucatan (YC), le LC et le LCE nouvellement détaché sont de 1.5, 1.8 et 1.6 m/s respectivement. Le courant du Yucatan/des Caraïbes est la Figure dominante de la mer des Caraïbes. (1) http://www.aoml.noaa.gov/phod/floridacurrent/data_access.html
  24. 24. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 24 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 5 Circulation océanique de surface régionale moyennée sur une journée en hiver 2005 issue de PSY2V2 obtenue à partir de l’assimilation d’anomalie de hauteur de mer le long de la trace altimétrique, de la température de surface de Reynolds du NCEP, des profils in situ de température et de salinité du réseau ARGO (base du projet CORIOLIS) dans le modèle haute résolution réaliste du bassin Atlantique nord et de la mer Méditerranée – En rouge, les valeurs du transports volumiques en moyenne annuelle à travers les sections – En bleu les valeurs similaires de la littérature. La Figure 5 indique également les valeurs du transport volumique net (en rouge) qui ont été calculées à partir des sorties du système PSY2V2R1 (« best estimates ») durant une année (de juin 2004 à juin 2005) ainsi que des valeurs de référence de ces transports trouvés dans la littérature (en bleu) le long de sections-clé (Crosnier et al. (2004)). Comme on peut le voir, ces deux valeurs des transports sont en bon accord et mettent l’accent sur l’incohérence existante entre les transports déduits des observations au détroit du Yucatan (environ 24 Sv sur une moyenne de 2 ans des données CANEK), au détroit de Floride (transport nominal de 30 Sv) et plus loin au passage Floride-Bahamas (environ 30 Sv) comme l’illustre la Figure 6. Dans celle- ci, le transport volumique du courant de Floride modélisé est comparé aux valeurs observées du transport déduit du câble électrique entre la Floride et les îles Bahamas. Les transports sont en bon accord, néanmoins, les valeurs simulées sont un peu plus faibles que les valeurs observées et que les valeurs simulées en mode libre forcé (modèle PAM, voir Candela, 2003). Il est important de noter que PSY2V2 possède une frontière ouverte et une zone « tampon » étroite qui démarre à 9°N et qui s’étend au nord et sur laquelle on applique une forte relaxation vers les valeurs de température et de salinité climatologiques.
  25. 25. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 25 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Volume Transport Florida-Bahamas 0 5 10 15 20 25 30 35 40 25/1 8/2 22/2 8/3 22/3 5/4 19/4 3/5 17/5 31/5 time netvolumetransport(Sv) PSY2V2 Model (A1 Analysis) Cable Volume transport Figure 6 Mesures en temps réel du transport du courant de Floride déduites du câble corrigées du signal de marée et des variations géomagnétiques (en rose) et transports modélisés similaires de PSY2V2R1 (en bleu). Valeur Moyenne sur la durée de la période de test : 26.6 Sv dans PSY2V2 (Best estimate) et 30.4 Sv pour les estimations du transport volumique du câble en temps réel. La Figure 5 souligne également l’interdépendance dynamique entre le golfe du Mexique et la mer des Caraïbes. Cette Figure suggère que le comportement du LC peut dépendre des conditions en « amont » dans la mer des Caraïbes, peut-être même des transports de fluide en provenance de l’Atlantique à travers les passages des Grandes et des Petites Antilles, voire même de la dynamique équatoriale (non représentée dans le domaine PSY2V2) comme cela est mentionné dans Candela (2003). Murphy et al. (1999) a trouvé que des fragments des anneaux du courant nord brésilien s’infiltrent à travers les Petites Antilles et qu’ils constituent une source de perturbation de la vorticité potentielle qui peut générer des tourbillons méso-échelles dans la mer des Caraïbes. Ces tourbillons grossissent et se propagent en direction de l’ouest. Certains réussissent à se frayer un passage à travers le détroit du Yucatan comme nous le verrons dans la suite de cet article et ont un impact sur la fréquence de séparation des tourbillons du LC (non calculée). Oey et al. (2003) a en effet montré dans une étude numérique que les valeurs irrégulières des périodes de séparation résultent de la fluctuation du transport du détroit du Yucatan liée à la variabilité régionale du vent et que le passage de tourbillons anticycloniques contribue à l’allongement de la fréquence de séparation dans les statistiques du modèle.
  26. 26. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 26 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Validation de l’épisode de détachement de l’été 2004 à partir de données indépendantes La SST dans le système PSY2V2 est comparée à des observations indépendantes (i.e. non assimilées) à l’endroit de 4 mouillages (Figures 7 et 8) pour la période du 15 juin 2004 au 19 octobre 2004. La variabilité temporelle de la SST du modèle est en bon accord avec les observations bien que le modèle montre un biais de 0.5 à 1°C, peut-être lié au fait que la SST du modèle est représentative de la température à 3 mètres de profondeur alors que la SST in situ est mesurée à 0.6 m de profondeur. Figure 7 Position de 4 bouées ancrées (et de leur numéros de bouées) dans le golfe du Mexique Figure 8 Température de la surface de la mer (en °C) des bouées ancrées (à 0.6 mètres de profondeur) (trait noir en gras) dans le golfe du Mexique du 15 juin au 19 octobre 2004. La ligne noire en trait fin montre la température à 3 mètres de PSY2V2 (en °C) au point du modèle le plus proche et pour la même période temporelle La génération ainsi que l’évolution des tourbillons du LC dans le golfe du Mexique est représentée d’une manière très réaliste par le système PSY2V2. En effet, une comparaison de la carte de hauteur de mer (SSH) de PSY2V2R1 avec la concentration en Chlorophylle-A (Chl-A, une donnée indépendante, i.e. non assimilée) dans le golfe du Mexique durant un cycle de 6 semaines de juillet à septembre 2004 montre un très bon accord qualitatif entre le modèle et les observations. Le tourbillon du LC est marqué par une très faible concentration en Chl-A. Au cours des semaines 1 à 6 (du haut vers le bas), nous pouvons suivre la génération, le détachement et ensuite la propagation vers l’ouest du tourbillon en suivant l’isobathe 1000 m qui se produit en phase avec les observations satellites. De tels tourbillons sont générés par l’instabilité du YC qui est représenté de façon réaliste dans le système PSY2V2 comme cela est montré sur la Figure 5. Dans la partie ouest du golfe du Mexique, on remarque quelques taches de faible concentration en Chl-A (Figure 9, colonne de droite), associées aux tourbillons de petite échelle que l’on peut voir dans la SSH des champs de PSY2V2R1 (Figure 9, colonne de gauche). Ces structures proviennent d’un tourbillon précédemment détaché qui s’est désintégré en tourbillons de plus petites tailles lors de sa collision avec le plateau continental mexicain.
  27. 27. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 27 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 9 Composition temporelle sur 7 jours de concentration en Chl-A MODIS (colonne de droite) et champ analysé hebdomadaire de hauteur de mer (en mètre) de PSY2V2R1 (colonne de gauche) durant les 6 semaines du détachement. Les premières semaines (panneaux du haut) sont celles du 25 juillet au 31 juillet 2004. Les dernières semaines (panneaux du bas) sont celles du 29 août au 4 septembre 2004.
  28. 28. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 28 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Transports moyens à travers le détroit du Yucatan Dans cette section, nous désirons nous concentrer sur la validation du transport volumique à travers le détroit du Yucatan. Les valeurs du transport volumique du modèle (métrique « Class 3 » du projet MERSEA) sont comparées aux valeurs observées des données historiques publiées de l’expérience CANEK (Candela et al., 2003) du transport et des profils de vitesse à travers le détroit du Yucatan. La Table 1 résume les valeurs de transport trouvées dans PSY2V2R1 et dans la littérature publiée sur les données CANEK. Les valeurs moyennes et les extrema de PSY2V2R1 sont très cohérentes avec les valeurs de référence bibliographiques. Section Transport Volumique Net Moyen (Sv) Min/Max (Sv) Transport Volumique Net Moyen (Sv) dans la littérature Min/Max (Sv) Littérature détroit du Yucatan 24.74 (1 an 2004-2005) 18/33 (10 semaines en 2005) 23.06 +/- 3 (moyenne sur 2 ans de CANEK – 1999-2001) 14/32 (2 ans de CANEK – 1999-2001) Table 1 valeurs des transports volumiques dans le détroit du Yucatan dans la dernière année de PSY2V2R1 (juin 2004-juin 2005) et valeurs de référence issues de l’expérience CANEK Ces comparaisons entre le modèle et les données sont qualitatives par essence car les jeux de données observés et modélisés sont différents à de nombreux égards. L’objectif est ici de se concentrer sur la description des processus physiques à l’œuvre. La Figure 10 montre la section de température issue d’une moyenne de 14 analyses objectives de profils CTD mesurés à différentes saisons durant le programme CANEK ainsi que de la moyenne sur 10 semaines de la température potentielle des sorties du modèle PSY2V2R1. La distribution spatiale de la température moyenne au travers de la section montre la baroclinicité associée aux courants principaux : la pente dirigée vers le haut d’est en ouest due au courant du Yucatan avec un changement de courbure à l’approche de Cuba, associée aux contre-courants cubains. La section de salinité moyenne observée est correctement simulée par PSY2V2 (Figure 11). Le maximum de salinité de l’Eau Subtropicale (SUW) à environ 210 m, le minimum de l’eau Intermédiaire Antarctique (AIW) à environ 820 m ainsi que le maximum profond de l’eau Profonde Nord Atlantique (NADW) sont correctement positionnés par le modèle. Figure 10 Section de température observée moyenne de 14 analyses objectives de CTD (CANEK) dans le détroit du Yucatan (extrait de Sheinbaum, 2002) à gauche et section de température potentielle (best estimate) moyennée sur 10 semaines de PSY2V2R1 (hiver 2005) à droite Temperature in theYucatan Strait, 1 year avg
  29. 29. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 29 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 11 Section de salinité observée au nord du détroit du Yucatan (d’après Nowlin, 1972) à gauche et la section correspondante de salinité (best estimate) moyennée sur 10 semaines issue de PSY2V2R1 (hiver 2005) à droite La Figure 12 montre en coloration grise la structure du courant moyen à travers le détroit en direction du Golfe. Elle se caractérise par un fort courant du Yucatan dans la partie supérieure ouest de la section où l’on trouve des valeurs de vitesses maximales pour les courants moyens de 1.2 m/s et dont l’extension à 800 m montre encore des valeurs de 0.1 m/s en moyenne temporelle. La vitesse maximale du courant moyen du Yucatan se trouve en surface et elle vaut 98 cm/s dans PSY2V2R1, ce qui est une valeur inférieure aux observations reportées par Candela et al. (2003) et Sheinbaum et al. (2002). Deux contre- courants profonds sur les cotés du Yucatan et de Cuba sont également présents dans les sorties du système PSY2V2 à la bonne immersion, position et intensité moyenne. La présence du contre-courant cubain à la surface est également bien reproduite de même que le flux profond permanent, bien que faible, en direction du Golfe dans la partie centrale la plus profonde du détroit.
  30. 30. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 30 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 12 Section verticale de la vitesse moyenne dans le détroit du Yucatan déduite de 2 ans de données ADCP (1999-2001) CANEK (d’après Sheinbaum, 2002) à gauche et section verticale de la norme de la vitesse totale moyennée sur 10 semaines de PSY2V2R1 (best estimate) (hiver 2005) à droite Séries temporelles PSY2V2R1 du transport volumique net moyen au détroit du Yucatan Figure 13 Interdépendance des flux au détroit du Yucatan et au détroit de Floride basée sur la différence de profondeur des seuils (2040 m vs 730 m) (d’après Bunge et al., 2002) Il faut distinguer les eaux qui entrent dans le Golfe au travers du détroit du Yucatan au dessus et en dessous de 800 mètres ou de l’isotherme 6°C, puisque cela correspond à la profondeur maximale, ou à l’isotherme correspondante qui intersecte le fond du détroit de Floride à la section est de Miami, de ce qui peut être considéré comme la sortie du golfe du Mexique (Figure 13). C’est pourquoi les transports calculés selon les métriques définies dans le projet MERSEA sont divisés entre 4 classes de température distinctes : les eaux supérieures à 12°C, les eaux entre 7°C et 12°C, les eaux entre 4.5°C et 7°C et enfin les eaux inférieures à 4.5°C. Cette immersion de 800 m est importante pour la suite de la discussion. La Figure 14, respectivement la Figure 15, montre les séries temporelles du transport volumique net moyen issues des sorties du modèle PSY2V2R1 (best estimate) sur les 10 semaines de la période de test, respectivement sur un an, séparées classes par classes. La convention utilisée ici est que les valeurs négatives du transport entrent dans le GOM. Ces Figures montrent qu’il n’y a pas de preuve évidente d’un maximum de transport à la fin du printemps/début de l’été pour l’année 2005 comme cela a pu être reporté dans de précédentes études. La variabilité dans le transport volumique du modèle durant la période de
  31. 31. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 31 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan test (Figure 14) semble clairement liée au passage de tourbillons des Caraïbes (ou CARE) [Abascal et al., 2003] qui sont au nombre de 2 comme on peut le voir sur la série temporelle de la classe 1. Les augmentations dans l’inflow (en trait pointillés) sont en effet grossièrement compensées par un outflow augmenté (en trait plein) dans la même classe de température pour les 3 classes supérieures. On peut également noter dans la Figure 14 qu’un pic secondaire est visible à la fin de la période de test pour les classes 2 et 3, pic qui n’est pas présent dans la série temporelle de la classe 1. Ce pic est la signature d’un événement profond qui suit ou est associé au passage du second tourbillon « superficiel » des Caraïbes à travers le détroit du Yucatan. Figure 14 Transports volumiques nets à travers le détroit du Yucatan pour les 4 classes de température séparés entre la partie négative (inflow dans le GoM, en pointillés) et positive (inflow dans le Bassin Cayman, en trait plein) durant les 10 semaines de la période de test : classe 1 (en bas à droite), classe 2 (en bas, à gauche), classe 3 (en haut, à droite), classe 4 (en haut, à gauche) Figure 15 Transports volumiques nets à travers le détroit du Yucatan pour les 4 classes de température séparés entre la partie négative (inflow dans le GoM, en pointillés) et positive (inflow dans le Bassin Cayman, en trait plein) durant 1 an juin 2004 – juin 2005) : classe 1 (en bas à droite), classe 2 (en bas, à gauche), classe 3 (en haut, à droite), classe 4 (en haut, à gauche) Variabilité du flux du Yucatan et sa relation au détachement des tourbillons du LC Nous avons retenu deux hypothèses (complémentaires) extraites de deux études scientifiques théoriques qui traitent de l’origine du processus de séparation des tourbillons du LC : 1. L’instabilité locale du courant LC qui a pour conséquence la génération de cyclones autour du LC (e.g. Chérubin et al., 2005a). En grossissant en intensité, ces cyclones sont suspectés d’être une cause du détachement. Dans une étude plus récente, les auteurs explorent l’interaction du LC avec la topographie du sous-bassin est du Golfe dont le résultat se traduit par la formation de filaments et par la division du vortex (Chérubin et al., 2005b), phénomènes qui sont souvent observés dans les données satellite de surface de l’océan. 2. La variabilité au détroit du Yucatan des flux de vorticité potentielle à travers le passage (Candela & al, 2003) : Une source de la variabilité de l’anomalie de vorticité potentielle (VFA) est constituée par le passage de tourbillon à travers le détroit. Le LC est stabilisé par la fusion de son cœur anticyclonique et du tourbillon CARE (VFA anticyclonique). Nous voulons illustrer la réalisation de ces hypothèses dans la simulation PSY2V2R1 au travers de la description d’une collection de situations instantanées issues de la simulation PSY2V2R1 en hiver 2005. Durant cette période, le passage de deux tourbillons anticycloniques CARE dans le détroit du Yucatan est mis en évidence (illustration de l’hypothèse 2) ainsi que le détachement /rattachement /détachement d’un tourbillon du LC résultant de l’interaction avec les tourbillons frontaux dans la partie nord-est du Golfe (illustration de l’hypothèse 1). On notera que cette situation de détachement / rattachement est fréquemment observée dans la réalité [Oey et al., 2005].
  32. 32. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 32 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan La période d’évaluation peut être séparée en 4 sous-périodes : • Période 1 (Figure 16 : du 02 février au 02 mars 2005) : Phase préliminaire à la séparation d’un LCE – Passage d’un CARE au détroit du Yucatan – Développement et intensification des tourbillons frontaux • Période 2 (Figure 17 : du 05 au 16 mars 2005) : Phase de séparation du LCE • Période 3 (Figure 19 : du 23 mars au 20 avril) : Phase du rattachement du LCE – Nouveau passage d’un CARE au détroit du Yucatan • Période 4 (Figure 20 : du 27 avril au 25 mai 2005) : Phase de stabilisation du LC consécutive au passage des CAREs, puis début probable d’une nouvelle phase de séparation du LC (observée à 800 m) Les Figures suivantes (Figures 16 à 20) mettent en parallèle pour des dates choisies durant les 3 premières périodes de la période de test : • La hauteur de mer dans le Golfe (SSH), • Le champ de vitesse près de la surface au détroit du détroit du Yucatan (norme et vecteur vitesse), • La section verticale de vitesse zonale (U) à travers le détroit, • La section verticale de vitesse méridionale (V) à travers le détroit. Pour la description de la période 4, nous avons choisi de mettre en parallèle sur le domaine entier : • la hauteur de mer dans le Golfe (SSH), • la carte du champ de vitesse à 800 mètres (norme et vecteur vitesse), • la carte de salinité à 800 m, afin de montrer le détachement du LCE en profondeur sur la dernière date présentée (25 mai 2005). Période 1 (Figure 16 : du 02 février au 02 mars 2005) : Phase préliminaire à la séparation d’un LCE – Passage d’un CARE au détroit du Yucatan– Intensification des tourbillons frontaux Les six premiers panneaux montrent un LC sur le point de détacher un tourbillon. On peut voir sur la SSH les cyclones s’intensifier et “étrangler” le LC et on remarque la présence d’un tourbillon des Tortugas à l’est du LC et d’un tourbillon situé au nord du banc de Campeche à l’ouest du LC (très petit mais visible dès cette période) qui sont suspectés d’être une des causes locales de la séparation. Durant cette période, un tourbillon CARE entre par le détroit du Yucatan à partir du 16 février et apporte au LC une VFA anticyclonique (non montrée). Au cours du déplacement du CARE vers le nord, on voit le courant du Yucatan sur les sections verticales de vitesse passer d’une structure verticale étalée et superficielle à une structure plus profonde et resserrée à l’ouest au moment du passage où l’on observe une accélération de vitesse en surface (1.40 m/s le 23 février). Après que le CARE ait complété sa traversée du détroit, une partie de sa masse s’écoule le long de la côte nord de Cuba et une nouvelle branche provenant de l’est du bassin Cayman vient alimenter le courant du Yucatan dans la partie est du détroit de la surface à 800 m. La portion restante (et principale), cependant, interagit avec le coeur tourbillonnaire anticyclonique du LC et les tourbillons fusionnent dans le GOM. On voit sur la SSH que le CARE modifie la forme de la circulation anticyclonique au cœur du LC « rétracté ». Le YC fait un large méandre qui s’étend au centre du bassin Cayman et dont l’étendue est liée à la présence à cet endroit d’un tourbillon froid profond dans le bassin Cayman (non montré).
  33. 33. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 33 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan 1 2 3 4 5 6 Figure 16 Période 1 du détachement du tourbillon du LC et du rattachement observé dans la SSH du modèle en hiver 2005, le champ de vitesse près de la surface et la section verticale à travers le détroit pour les composantes U et V.
  34. 34. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 34 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Période 2 (Figure 17 : du 05 au 16 mars 2005) : Phase de séparation du LCE Un tourbillon du LC se détache et il est ensuite lui-même scindé en deux tourbillons chauds de plus petite taille à l’issue d’une interaction avec un tourbillon froid situé au nord et avec la topographie du nord du Golfe. Le cyclone qui a déclenché la séparation se sépare également en deux structures de plus petite taille en intensifiant le cyclone situé au nord du banc Campeche. Sur la dernière date, seul le cyclone sur le bord est du LC est encore visible. Le courant du Yucatan se déplace de sa position centrale vers une position latérale le long de la pente du Yucatan. 7 8 9 Figure 17 Période 2 : détachement observé dans la SSH du modèle en hiver 2005, le champ de vitesse près de la surface et la section verticale à travers le détroit pour les composantes U et V. Période 3 (Figure 19 : du 23 mars au 20 avril) : Phase du rattachement du LCE – Nouveau passage d’un CARE au détroit du Yucatan Les anneaux chauds se rattachent au Loop Current l’un après l’autre. Le LC s’étire dans une position de mode étendu loin dans le nord ouest du Golfe. Un nouveau CARE passe au travers du détroit du Yucatan du 23 mars au 20 avril. Avant son passage, le CARE interagit avec un tourbillon cyclonique profond (visible à 800 m sur les cartes de vitesse de la période 4) situé dans la partie centrale du bassin Cayman dans l’axe du détroit. Après son passage, le CARE et le cœur anticyclonique du LC « rétracté » interagissent et fusionnent le 20/04/05. Cet épisode s’accompagne du réattachement du LCE. Le contre-courant profond cubain est très intensifié (entre 400 et 1000 m) comme on peut le voir sur les sections verticales de vitesse (maximum observé le 13 avril 2005). Une circulation profonde de boucle anticyclonique est observée de part et d’autre du détroit sur les Figures de section verticale de vitesse. Le courant du Yucatan suit maintenant son cours le long de la pente tandis que le CARE se propage vers le nord tout en interagissant en profondeur avec un tourbillon cyclonique. Le processus observé ici rejoint le mécanisme décrit par Oey et al. (2003). La Figure 18, extraite de leur article, illustre cette relation entre le passage d’un tourbillon CARE au travers du détroit du Yucatan et le détachement-rattachement du LCE sur la base de résultats d’expériences numériques. Dans leur cas également, la fusion d’un CARE avec le LC semble « re-capturer » le LCE.
  35. 35. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 35 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 18 Schéma montrant l’interaction entre un LCE détaché et un tourbillon CARE se frayant un chemin dans le détroit des Caraïbes. (A) le LCE est détaché et le CARE se présente à l’entrée du détroit (B) le CARE traverse le détroit. L’induction mutuelle entre les tourbillons est indiquée par des flèches en pointillés. Elle tend à re-capturer le LCE dans une rotation anticyclonique des deux structures. La flèche courbe à gauche du LCE indique la propagation/dispersion d’onde de Rossby (extrait de Oey et al., 2003). 10 11 12
  36. 36. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 36 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan 13 14 Figure 19 Période 3 : rattachement observé dans la SSH du modèle en hiver 2005, le champ de vitesse près de la surface et la section verticale à travers le détroit pour les composantes U et V. Période 4 (Figure 20 : du 27 avril au 25 mai 2005) : Phase de stabilisation du LC consécutive au passage des CAREs, puis début probable d’une nouvelle phase de séparation du LC (observée à 800 m) La situation du 4 mai 2005 montre sur la SSH un LC « étendu » en mode stabilisé consécutif au passage du CARE de la période 2. Cette période 4 est une période de transition du LC du mode étendu jusqu’à un mode rétracté observé à 800 mètres de profondeur pour le 25 mai 2005. En effet, un tourbillon du LC se détache en profondeur comme le montre les cartes de vitesse à 800 mètres. Le tourbillon profond cyclonique se déplace vers le nord dans le Bassin Cayman. Le contre-courant profond cubain cesse son intensification et le LC retourne dans un régime plus semblable à celui du port-à-port (Figure 2). En surface, le mode étendu est conservé comme on peut le voir sur la SSH. Le tourbillon cyclonique semi-permanent (tourbillon des Tortugas) est visible en profondeur dans le détroit de Floride et on peut suivre son évolution en direction de l’Atlantique. 1 5
  37. 37. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 37 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan 16 17 18 19 Figure 20 Période 4 : nouvelle séparation du tourbillon du LC décrite par la SSH du modèle, la carte de vitesse à 800 m (amplitude et vecteurs) et le champ de salinité à 800 mètres
  38. 38. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 38 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Bilan Cette analyse menée sur l’hiver 2005 a permis d’illustrer deux sources de variabilité de l’anomalie de vorticité potentielle dans le Loop Current, à savoir le passage de CARE en provenance de la mer des Caraïbes et l’instabilité du Loop Current anticyclonique et des cyclones frontaux. La période analysée semble montrer une compétition entre des processus liés à la déstabilisation du Loop Current (cyclones frontaux) et des processus de stabilisation du Loop Current (illustrés ici par le passage de CAREs au détroit du Yucatan). Un travail sur une période plus longue permettra de quantifier ces phénomènes en terme d’anomalie de vorticité potentielle (dérivation d’un bilan fermé des équations de Navier Stokes). Produits à valeur ajoutée pour les utilisateurs finaux du secteur Offshore : les cartes de synthèse des fronts de vitesse Etant donné les bons résultats du système PSY2V2 obtenus dans le golfe du Mexique, cette validation a été complétée d’une étude de vérification des prévisions du système opérationnel. Un exercice de « prévision dans le passé », durant lequel le système de prévision PSY2V2 normalement utilisé en temps réel est mis en oeuvre en temps différé, a été réalisé à partir des conditions initiales issues de PSY2V2R1 (best estimate). L’objectif est d’estimer la prévision par PSY2V2 de l’épisode de détachement/rattachement du tourbillon du LC précédemment décrit. Le jeu de données constitué par ces simulations nous a permis de disposer pour chaque mercredi de la période d’évaluation de trois échéances de prévision : le nowcast, la prévision à 7 jours, la prévision à 14 jours. Ces trois échéances de prévision ont été qualifiées pour les opérateurs Offshore du golfe du Mexique par un « indicateur » de mesure de plus courte distance entre un site pétrolier et le front du LC prévu par le modèle, respectivement entre un site pétrolier et le front du LC « observé » dans les données satellites de surface. Nous avons suivi les recommandations de l’étude de référence menée par Deepstar [Oey et al., 2005b] pour évaluer le système de prévision océanique régional de Princeton PROFS. Pour cela, des cartes quotidiennes de « synthèse » de la position des fronts de vitesse ont été dérivées : 1) de l’analyse par l’expertise humaine (avec l’autorisation de Dave Szabo) de données satellites (SLA le long de la trace, images à haute résolution spatiale de SST et de Couleur de l’océan) 2) des sorties de modèle de PSY2V2R1 à différentes échéances de prévision durant la totalité de la période d’évaluation. Deux critères objectifs ont été utilisés pour caractériser les fronts dynamiques dans les sorties de modèle. Tout d’abord, un outil de détection automatique a été utilisé pour détecter les « régions » dans lesquelles les gradients horizontaux de la SSH sont d’une part supérieurs à une valeur seuil fixée et d’autre part inférieurs au maximum local (ligne de crête du front). En second, un critère basé sur la position de l’isotherme 18°C à 200 mètres d’immersion a été utilisé en suivant Oey et al. (2005b) avec les précautions associées à son interprétation pour la dynamique de surface. La Figure 21 montre un exemple de cette synthèse dans laquelle toutes les lignes de fronts sont superposées et comparées aux positions des plateformes offshore (croix). Ce produit présente un moyen utile de synthétiser la situation en cours dans le GOM pour les pétroliers. Cette Figure permet de voir la similitude de la solution des trois échéances de prévision PSY2V2 pour la date du 30 mars 2005 comparées du point de vue de la délinéation du tourbillon du LC, ce qui est un atout considérable en faveur de PSY2V2 dans ce cas précis. Enfin, le calcul de l’indicateur de « plus courte distance » permettra de quantifier les statistiques des différences entre les fronts observés et les fronts modélisés pour un ou pour l’ensemble des sites en fonction de l’échéance de prévision. Nous attendons des données supplémentaires in situ que nous avons acquises en temps différé, une localisation plus précise de la position du front de vitesse du point de vue des sites pétroliers et une capacité à corriger le cas échéant la position des fronts satellite « observés ». En effet, ces derniers constituent ici la « vérité terrain » de l’indicateur dans un contexte où la « qualité » de ces fronts observés est en partie dépendante de la couverture nuageuse. Nous proposons de généraliser cette méthodologie pour les études de validation scientifique de ce processus dans les sorties de systèmes opérationnels et dans les sorties d’intercomparaison de modèles pour tester leur capacité respective à reproduire des séries temporelles observées.
  39. 39. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 39 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Figure 21 carte de fronts pour le jour 30/03/2005 (fin du processus de rattachement) Croix : sites Offshore sélectionnés, ligne pointillée noire : front satellite, ligne rouge : front issu de la détection automatique appliqué au champ Best Estimate, ligne bleue : isotherme 18°C à 200 m d’immersion du champ Best Estimate, ligne verte: isotherme 18°C à l’immersion 200 m pour la prévision à 7 jours, ligne jaune: isotherme 18°C à 200 m d’immersion pour la prévision à 14 jours Des tables de contingence (Joliffe and Robinson, 2003) peuvent également être déduites d’une analyse rapide de ces cartes. L’événement binaire choisi ici est « est-ce que le site Offshore est situé à l’intérieur du front de vitesse du LC ? » dans laquelle la vérité terrain est à nouveau basée sur les fronts « observés » issus de l’analyse des données satellites. On notera que le processus évalué ici est si intense qu’il ne peut y avoir de biais associé à l’échantillonnage de l’événement dans les observations pour l’analyse statistique. événement prévu/événement observé Oui Non Oui (Atteint) (Fausse Alarme) Non (Raté) (rejet correct) Table 2 Table de contingence pour la vérification de prévision d’événements binaires (Oui/Non)
  40. 40. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 40 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Conclusions & Perspectives Nous avons montré que le système de prévision PSY2V2 est capable de reproduire une circulation réaliste du bassin nord- atlantique et du bassin méditerranéen (voir article de Jean-Michel Lellouche dans cette édition). Nous avons vérifié par une étude bibliographique qu’il possède en théorie les caractéristiques clé pour une bonne capacité de prévision du phénomène de détachement de tourbillon du LC, notamment : • son domaine inclut la mer des Caraïbes et l’arc des Antilles ; • il a une très grande résolution spatiale équivalente au 1/16° dans cette région qui satisfait presque complètement la relation empirique de Oey du ratio de 1/3 entre la résolution horizontale et le rayon de Rossby local (30 km dans le golfe et le bassin Cayman et 10 à 20 km sur les plateaux continentaux) ; • il est forcé par des vents variables du CEPMMT (ECMWF) ; • il est « forcé » par les tourbillons des Caraïbes à travers l’assimilation de l’anomalie de surface de la mer altimétrique. L’apport de l’assimilation multivariée multidonnée n’a pas été regardée explicitement, mais on a montré que les masses d’eaux régionales des sorties de PSY2V2R1 sont bien représentées dans le golfe du Mexique, et notamment au travers du détroit du Yucatan. La relaxation à la climatologie T,S du courant du Brésil est une caractéristique commune à d’autres configurations modèles comparées dans (Oey, 2005). Elle contribue très probablement à la conservation des « bonnes » propriétés du courant des Caraïbes et par la suite du courant du Yucatan. Les valeurs des transports (en moyenne temporelle) sont également très réalistes ainsi que l’intensité et leur répartition verticale, notamment au travers du détroit du Yucatan. Cette étude de validation a permis de plus de faire la démonstration que le prototype PSY2V2 est capable de reproduire un grand nombre des structures observables du Loop Current et de ses anneaux en surface comme en profondeur. En cela il remplit la condition nécessaire de Oey (2005) pour être un modèle (réaliste) du golfe du Mexique. Dans le cas des simulations PSY2V2R1 et PAM (configuration du modèle libre en mode forcé), la haute résolution horizontale du modèle semble favoriser le développement des instabilités (barotropes et baroclines) dans le LC. Elle joue ainsi un rôle fondamental dans la modélisation du détachement du tourbillon (Candela et al., 2003). Un approfondissement de ce travail pourrait permettre de quantifier les variations temporelles des anomalies de vorticité potentielle dans le Golfe (ainsi que dans le détroit du Yucatan). Nous pourrions ainsi quantifier les transferts d’énergie turbulente (potentielle et cinétique) dans le cadre de l’écriture d’un bilan fermé des équations de Navier Stockes (e.g. Roumanou et al., 2004). La qualité des sorties “best estimate” du prototype PSY2V2 montre que ce sont des objets utilisables pour mener des études descriptives de processus physiques de turbulence méso- échelle comme c’est le cas de celles menées par les équipes de validation à Mercator-Océan. Enfin, l’évaluation de PSY2V2 pour les applications pétrolières a été réalisée grâce à la création d’un produit de synthèse de la position des fronts dynamiques associés au LC et au tourbillon détaché. Celui-ci montre un exemple de la valeur ajoutée (par rapport aux produits PSY2V2) apportée par la société Ocean Numerics à ses clients de l’Offshore. Une réflexion en cours porte sur la mise en place d’un service de prévision opérationnel basé sur une analyse multi-modèles intégrant les produits du modèle HYCOM du NERSC et ceux de PSY2V2.
  41. 41. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 41 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Références Abascal A. J., J. Sheinbaum, J. Candela, J. Ochoa and A. Badan (2003) ; "Analysis of flow variability in the Yucatan Channel", J. Geophys. Res., VOL. 108, NO. C12, 3381, doi:10.1029/2003JC001922 Bunge Lucía, José Ochoa, Antoine Badan, Julio Candela, and Julio Sheinbaum, 2002 : "Deep flows in the Yucatan Channel and their relation to changes in the Loop Current extension", J. Geophys. Res., 107 (C12), 3233, doi:10.1029/2001JC001256 Candela J., S. Tanahara, M. Crepon, B. Barnier, 2003, Yucatan channel flow: observations versus CLIPPER ATL6 and MERCATOR PAM models, Journal of Geophysical Research, 108(C12), 3385. Chérubin L.M., W. Sturges and E. P Chassignet (2005a) : "Deep Flow Variability in the vicinity of the Yucatan Straits from a high resolution numerical simulation", J. of Geophys. Res., VOL. 110, C04009, doi:10.1029/2004JC002280 Chérubin L.M., Y. Morel and E.P. Chassignet (2005b) : "Loop Current Eddy Shedding : the formation of cyclones and the effect of topography", in preparation Crosnier L. and C. Le Provost, 2004 : Internal metrics definition for operational forecast systems inter-comparison : examples in the North Atlantic and Mediterranean Sea, GODEA Summer School Publication, submitted for publication in Springer Giraud S.M., F. Lefevre, P. Gaspar, D. Szabo, R. Stephens, F. Counillon, L. Bertino and S. Wells (2005) "Added Value Ocean Products for the Gulf of Mexico", in preparation Giraud S.M., J.-M. Lellouche, F. Hernandez, L. Crosnier (2005) : "New Perspectives From Mercator-Ocean Realistic High Numerical Simulations of the Gulf of Mexico", in preparation Joliffe I.T., D.B. Stephenson (2003) "Forecast Verification, a practitioner's Guide in Atmospheric Science", edited by I.T. Joliffe and D.B. Stephenson, John Wiley & Sons, Ltd Murphy, S. J., H. E. Hurlburt and J. J. O’Brien, 1999. The connectivity of eddy variability in the Caribbean Sea, the Gulf of Mexico, and the Atlantic Ocean. J. Geophy. Res., 104, 1431-1453. Oey, L.-Y., T. Ezer, G. Forristall, C. Cooper, S. DiMarco, and S. Fan (2005a) : "An exercise in forecasting loop current and eddy frontal positions in the Gulf of Mexico", Geophys. Res. letters, VOL 32, L12611, doi:10.1029/2005GL023253 Oey, L.-Y., T. Ezer and H.C. Lee (2005b) : "Loop Current, Rings and related circulation in the Gulf of Mexico : a review of numerical models and future challenges", J. Geophys. Res., in press, available through http://www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/PROFS/ under 'Publications') Oey, L.-Y., H.-C. Lee and W.J. Schmitz Jr. (2003) : "Effects of winds and Caribbean Eddies on the frequency of Loop Current Eddy Shedding : a numerical model study", J. Geophys. Res., 108 (C10), 3324, doi:10.1029/2002JC001698, available through http://www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/PROFS/ under 'Publications') Parouty S., F. Counillon and L. Bertino (2005) : Comparison of operational ocean forecasting systems, Tech. report 264, NERSC. Roumanou A., E.P. Chassignet and W. Sturges (2004) : "Gulf of Mexico circulation within a high resolution numerical simulation of the North Atlantic Ocean", J. of Geophys. Res., VOL 109, C01003,doi:1029/2003JC001770 Scharroo R., W.H.F. Smith and J.L. Lillibridge, 2005 : "Satellite Altimetry and the Intensification of Hurricane Katrina", EOS, volume 26, number 40 Sheinbaum J., J. Candela, A. Badan and J. Ochoa (2002) : "Flow Structure and transport in the Yucatan Channel", Geophys. Res. Letters, VOL. 29, NO. 3, 10.1029/2001GL013990 Schmitz, W.J., Jr (2003) : "On the circulation in and around the Gulf of Mexico. Vol I : A review of the deep water circulation" available through http://www.cbi.tamucc.edu/gomcirculation/ Welsh S.E. and M. Inoue (2000) : Loop Current Rings and deep circulation in the Gulf of Mexico, J. Geophys. Res., 105, 16,951-16,959.
  42. 42. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 42 Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi données Mercator-Océan Remerciements Les auteurs remercient C.L.S. pour la fourniture des données de Chlorophylle-A MODIS issue du traitement CATSAT et remercient la société Ocean Numerics (Dave Szabo, Fabien Lefevre) pour la fourniture de la carte de synthèse des fronts. Les données de température de surface de la mer des bouées ancrées proviennent du Centre National des Données de Bouées (http://ndbc.noaa.gov). Les données de transport volumique du câble sont disponibles en lignes sur le site internet http://www.aoml.noaa.gov/phod/floridacurrent/data_access.html. Le projet CANEK (Echange à travers le Détroit du Yucatan) a été financé par le CICESE, CONACyT du Mexique, l’Institut Inter-Américain pour le Changement Climatique (IAI) et Deepstar. .
  43. 43. La lettre trimestrielle Mercator Océan N°19 – Octobre 2005 – Page 43 GIP Mercator Océan - Bloc Notes - Rédaction en chef Nathalie Verbrugge Secrétariat de rédaction Monique Gasc Articles Note d’actualité : le global, une nouveauté de taille à Mercator Par Nathalie Verbrugge et Marie Drevillon PSY2V2, le nouveau prototype opérationnel haute résolution de Mercator Par Jean-Michel Lellouche, Eric Greiner et Mounir Benkiran Validation de l’Atlantique Nord dans les deux modèles haute résolution de Mercator Par Laurence Crosnier, Nathalie Verbrugge, Jean-Michel Lellouche, Mounir Benkiran, Eric Greiner Evaluation du nouveau système d’assimilation multi-varié multi-données Mercator-Océan pour la prévision du Loop Current et des positions des tourbillons frontaux dans le Golfe du Mexique Par Sylvie Saint-Albin, Laurence Crosnier, Robin. Stephens Contact N’hésitez pas à nous faire part de vos remarques à l’adresse : webmaster@mercator-ocean.fr Prochaine édition : Janvier 2006

×