La lettre trimestrielle de Mercator d'avril 2001 présente les développements récents du projet, notamment la publication hebdomadaire de bulletins océaniques, tout en soulignant les impacts de l'extinction temporaire d'ERS-2 sur les analyses de convection et de variabilité. En parallèle, des anomalies de la couche de mélange et les dynamiques spécifiques de l'écosystème autour du delta de l'Amazone sont explorées. Enfin, les premières comparaisons des analyses Mercator avec les campagnes POMME sont abordées pour évaluer la qualité des prévisions.

1. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
numéro 1 - Avril 2001
CNES
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IFREMER
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METEO-FRANCE
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Edito
Le 17 janvier 2001, MERCATOR a franchi une étape importante avec la
publication du premier bulletin opérationnel. Ainsi, chaque semaine, plus
de 700 produits graphiques sont disponibles en ligne, décrivant l'océan,
de la surface jusqu'au fond, sur toute la zone sélectionnée, avec une
continuité dans l'espace et dans le temps. Ces bulletins PSY-1 version1,
bénéficient d'une validation scientifique et technique constante, avec la
volonté d'améliorer en permanence leur qualité.
Pour vous faire découvrir cette "cuisine interne" à l'origine des bulletins
MERCATOR, nous vous proposons chaque trimestre "La lettre
trimestrielle de MERCATOR".
L'occasion de faire le point sur les événements qui marquent le projet et
d'apporter un éclairage spécifique sur certains points. La première lettre
annonce le printemps : extinction de "voix" pour ERS-2 durant 3
semaines, un étrange mélange au goût MERCATOR, bilan sur la
convection hivernale, découverte du delta de l'Amazone, pour finir avec
la campagne "POMME".
Sommaire
- 1 - L'extinction d'ERS-2
- 2 - Bizarre, le mélange ?
- 3 - La devinette
- 4 - La convection hivernale
- 5 - Amazone.cône
- 6 - La campagne Pomme
Bonne lecture !
L'extinction d'ERS-2
Peu après le premier bulletin MERCATOR du 17-1-2001,
ERS-2 a cessé de fournir des observations pendant plus de
trois semaines.
Cet arrêt fût temporaire comme le montre le nombre
d'observations satellitales utilisées par le système d'analyse-
prévision PSY1-v1 de MERCATOR (diagramme issu du
bulletin technique d'assimilation). Mais quel a été l'impact
sur les analyses MERCATOR ? Les tourbillons se sont-ils
"vidés de leur énergie"?
Pour mémoire, l'arrêt d'ERS-1 fin 1993 a vu croître
considérablement les scores rms de prévision à 7 jours
mesurés par TOPEX/POSEIDON :
Cette augmentation peut être en partie liée à l'utilisation des
forçages analysés du centre européen à partir de 1994, la
réanalyse ERA-15 étant utilisée en 1993. Toutefois, le début
d'ERS-2 en mars 1995, marque une nette amélioration sur les
scores TOPEX/POSEIDON. Si ERS a eu un impact positif
sur le système d'assimilation dans le passé, Il est légitime de
penser que le trou de février 2001 pourrait être dommageable
aux analyses et aux prévisions.
Si l'on compare la déviation standard des analyses de niveau
de la mer (SSH) sur la période sans observation ERS-2
(~février 2001, gauche) et la même période de 2000 (droite),
on constate que la réponse est nuancée.

2. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p2
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L'extinction d'ERS-2
(suite)
Une réponse nuancée
Ainsi, la variabilité de SSH est supérieure en 2001 dans la
région tropicale. A l'opposé, dans le Golfe du Mexique et au
voisinage du Gulf Stream, la variabilité est moindre en 2001.
Le trou en 2001 d'ERS-2 ne se traduit donc pas de façon criante
en terme de variabilité. Cela montre que ce trou de quelques
semaines d'ERS-2 n'engendre pas de révolution dans les
analyses de PSY1-v1. Dans la suite, nous allons étudier plus en
détail l'impact sur la mésoéchelle.
L'impact d'ERS-2 est plus clair dans la région du Gulf Stream
sur la SSH analysée comme le montre la comparaison entre la
SSH du 28-2-2001 (ci-dessous, haut) avec celle du 23-2-2000
(ci-dessous, bas) :
On voit que les structures sont plus grossières en 2001 sans
ERS-2. On vérifie aux autres dates que cet exemple est tout à
fait typique du "trou ERS-2" : des structures moins fines et
moins d'énergie aux petites échelles.
Immédiatement, on songe que ceci va être aussi
dommageable dans la région Pomme. Heureusement, la
variabilité de SSH y est moindre et le manque des
observations ERS-2 est y moins sensible comme on peut le
voir sur les scores de prévisions à 7 jours qui restent
stationnaires :
Ceci se vérifie sur deux cartes de dates voisines en 2000
(gauche) et 2001 (droite) :
Pour conclure
Le trou d'ERS-2 fût assez court pour que l'impact négatif
sur les analyses et les prévisions reste limité. L'impact le
plus net concerne les régions d'intense variabilité
mésoéchelle. Dans une région comme le Gulf-Stream, on
retrouve que 2 satellites sont préférables pour un bon rendu
des structures mésoéchelles. Ceci est particulièrement
sensible en temps réel où les observations satellitales de
SSH les plus récentes datent généralement de 72h (J-3) :
avec un seul satellite, la couverture altimétrique de la
semaine en cours devient partielle, et les espaces inter-
traces excèdent les dimensions caractéristiques de la
mésoéchelle.

3. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p3
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Bizarre, le mélange ?
Certains d'entre vous nous ont signalé des anomalies
concernant la profondeur de la couche de mélange
(MXLB) qui est présentée dans les bulletins océaniques
prévisionnels. En général, l'étonnement concerne des
zones où la MXLB est faible, au milieu d'une région où la
même MXLB est nettement plus profonde. De plus, ces
zones peu stratifiées ont des formes "bizarres", comme par
exemple sur l'analyse du 7-3-2001entre l'Irlande et le
Groenland, ou sur la prévision à deux semaines du 7-2-
2001 au Nord-Ouest de la Galice :
Quel est donc la nature de ce phénomène pour le moins
bizarre?
La notion de couche de mélange ne repose par sur une
définition unique Si l'on s'intéresse aux masses d'eau
(formation d'eau profonde, circulation thermohaline), on
utilisera plutôt une définition de la couche de mélange
construite avec un critère absolu sur la densité. Une fois
définies les classes de densité que l'on veut suivre, ce critère
permet de bien suivre les bilans de masses. Si l'on s'intéresse à
la dynamique de la couche de mélange (convection, re-
stratification), on utilisera plutôt une définition basée sur un
critère relatif sur le gradient vertical de densité. Ce critère
permet de suivre le processus de la couche de mélange, de
façon indépendante des masses d'eau. Noter qu'il existe aussi
des définitions basées sur le niveau de turbulence verticale...
La MXLB qui est présentée dans les bulletins est du second
type, et sa définition précise est donnée dans les pages
d'information du site MERCATOR. Ce critère qui permet de
suivre jour par jour la structure de la couche de mélange est
utilisé dans l'assimilation pour distinguer les processus qui
relèvent de la dynamique de la couche de mélange de ceux qui
relèvent de la circulation générale.
Si l'on revient à l'exemple le plus bizarre, à savoir la langue
d'eau zonale au large de la Galice, et que l'on creuse le sujet à
l'aide de la section 9 "New York-Brest" qui traverse la zone
vers 25°O-45°N, on s'aperçoit que la langue d'eau se distingue
par une faible salinité de surface :

4. La lettre trimestrielle de
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no 1 - Avril 2001 p4
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Bizarre, le mélange ?
(suite)
L'origine de l'eau douce
Cette eau douce trouve son origine dans le flux d'eau douce
imposé à la surface du modèle :
Cette situation où les précipitations analysées ou prévues
marquent nettement la MXLB représente la plupart des cas
que nous avons étudiés. Les autres cas sont dus à un
rayonnement solaire important (ciel clair et situation de
bloquage).
Le plus souvent, les fronts atmosphériques ne donnent pas
lieu à un impact aussi net sur la MXLB, la circulation
océanique de surface brassant les eaux pendant le passage du
front. Cependant, l'exemple étudié a la particularité de
présenter des courants de surface ayant une structure surtout
zonale qui coïncide avec la zone de précipitation (ci-dessus).
C'est la conjonction de ces deux phénomènes qui explique
donc ce mélange pas si bizarre que ça...
La devinette
Si le diagnostic de MXLB prend parfois des formes bizarres,
il en est de même pour les courants (tourbillons), les ondes
tropicales (damier), les upwellings côtiers (filaments)...
Voici une image issue des bulletins MERCATOR de ce
premier trimestre. Il s'agit bien sûr de reconnaître le
phénomène océanique représenté. En l'occurence, il ne s'agit
pas d'une guitare usagée de Jimi Hendrix, ni d'une peinture
méconnue de Jackson Pollack, ni même d'un coulis de tomate
au fond d'un verre. Alors?
REPONSE

5. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p5
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La convection hivernale
L'hiver est fini est il est possible de faire un premier bilan de la
convection hivernale. Voici en introduction un panorama du
contexte dynamique de janvier-février-mars (JFM) de ces 3
dernières années (successivement 99-00-01) :
Ces cartes présentent le niveau de la mer (SSH) analysé
(Topex/Poseidon+ERS-2) de MERCATOR moyenné sur
JFM de 1999, 2000 et 2001 et réfèrencé avec JFM de
1993-95. On y constate un affaiblissement de la gyre
subpolaire (SG). En 1999 et 2001, ceci va de pair avec un
affaiblissement de la partie nord de la gyre subtropicale
(~38°N-48°N). Dans ces conditions, quelle a été la
convection? Pour cerner ce phénomène chaotique car
régulier ou intermittent, superficiel ou profond, nous
commençons par étudier un diagnostic de couche de
mélange.

6. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p6
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La convection hivernale
(suite)
Plus précisément, il s'agit de la profondeur maximale de la base
de la couche de mélange (MXLB) prévue par le modèle
(forçages du Centre Européen), et ceci pour 1993-95, 1999,
2000 et 2001. On voit que la convection est nettement moins
intense en 99-01. On peut aussi noter que l'intensité varie avec
les zones de formation d'eau profonde (DWF) :
Ainsi 2001 ressemble à 2000 sauf la zone 1. Si la convection a
été moins intense ces dernières années, quelle en a été la
régularité?
1 - Mer d'Irminger
2 - Rockall-Feröe
3 - Mer du Labrador
4 - Canal Imarssuak
5 - Bassin du Labrador
37°O-61°N
12°O-59°N
53°O-58°N
43°O-57°N
45°O-54°N
Les séries temporelles de MXLB dans les 5 zones de DWF
montrent un comportement analogue dans les zones 2 et 5.
En revanche les autres zones sont bien différentes. Ainsi,
les zones 1 et 4 présentent en 99-01 une convection
beaucoup plus progressive qu'en 93-95. On'en imagine bien
que la quantité de masse d'eau profonde a été faible. La
zone 3 présente en 2001 une convection analogue à 1995.
Si l'on regarde les séries temporelles de température et
salinité dans la zone 1 (ci-dessous), on voit que la
convection a atteint son maximum mi mars. Mais il a
manqué peu de chose pour détruire la thermocline et
permettre la DWF.

7. La lettre trimestrielle de
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no 1 - Avril 2001 p7
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La convection hivernale
(fin)
Conclusion
Voici la température analysée
à 1000m sur JFM de 93-95 et 2001 :
Si l'on en croit ces analyses, l'impact de la faible convection
des dernières années se traduit bien par un réchauffement
en profondeur.
Ceci est cohérent avec l'affaiblissement de la SG déduit de la
SSH.
Le maintien de la convection au sud des Feröe participe
à une situation encore inchangée au bas du plateau
continental européen.
Amazone.cône
Le cône formé par le delta de l'Amazone est une région très
particulière de l'Atlantique. Située au voisinage de l'ITCZ (zone
de convergence inter-tropicale), elle est sujète à de fortes
précipitation et subit le fort débit du fleuve (on peut d'ailleurs le
mesurer avec TOOPEX/POSEIDON).
Les marées qui sont amplifiées par la forme et la profondeur du
delta, se font sentir plusieurs centaines de km en amont. Enfin
le courant du nord Brésil (NBC), intense courant de bord ouest
coule le long du talus. C'est donc le lieu d'un mélange
permanent d'eaux claires et turbides, salées et douces.
Dans cette étude, nous analysons l'impact des traces
altimétriques Topex-Poseidon et ERS2 qui sont assimilées. La
première figure présente l'anomalie de niveau de la mer (SLA)
prévue le 17-01-2001 :
On remarque qu'au niveau du delta, la SLA est quasiment
nulle. Pourtant, la SLA obsevée par TOPEX/POSEIDON (trace
202, courbe noire) présente un signal de l'ordre de 80cm près
de l'équateur, signal important qui n'est pas prévu par le
modèle :

8. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p8
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Amazone.cône
(fin)
On retrouve cette différence entre le modèle
et les données le long des traces :
Ce qui particulier à cette situation, c'est que la trace 202
est la seule source d'information de la région.
Lors de l'analyse (en cyan le long de la trace 202), ce sont les
structures de corrélation qui extrapolent l'information sur les
points sans observations. C'est ce qu'on retrouve sous forme
d'un intense tourbillon cyclonique sur la figure précédente.
Si l'on applique cette correction telle quelle dans le modèle,
on va imposer une modification importante sur le NBC. Or,
beaucoup de processus ne peuvent être représentés par ce
modèle, en particulier la marée. Si la SLA était contaminée
par du signal de marée, alors l'extrapolation de ce signal irait
perturber le NBC. Pour éviter ceci dans PSY1-v1, on ne
corrige pas le modèle dans les régions peu profondes et on le
laisse ajuster sa dynamique aux corrections hauturières.
En conclusion
Cette étude montre qu'il faut être prudent en ce qui concerne
l'assimilation des traces près des côtes et dans les zones peu
profonde (< 200m). Si on veut les assimiler en zone côtières
dasn un modèle de bassin, il faut leur affecter une erreur plus
importante qu'en zone hauturière.
Enfin, si l'on parle souvent de utiliser le modèle de bassin
pour forcer des modèles côtiers, cet exemple illustre bien la
situation inverse où un modèle côtier peut avoir un impact
significatif sur la circulation au large.

9. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p9
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La campagne POMME
De nombreux flotteurs ont été largués durant les différentes
campagnes POMME. En dépit de l'extinction temporaire de
ERS-2, on n'a pas résisté à l'envie de faire ici une
comparaison préliminaire avec les analyses MERCATOR.
Dans cette étude, nous avons choisi de mettre en regard les
analyses MERCATOR et les réanalyses POMME. Les
réanalyses POMME sont une combinaison des analyses
SOPRANE et des observations in situ : dérives des objets
dérivants de types SURDRIFT, MARVOR et PROVOR, et
profils de mesures de température et de salinité.
Du côté POMME/SOPRANE, la fonction de courant à 400m
est représentée. Le modèle étant "quasi-géostrophique" (QG
10 couches, 1/10°), la vitesse dérive de ce champ. Sur une
courte période, on peut identifier les isolignes aux lignes de
courant. Les vitesses déduites des trajectoires des flotteurs à
400m sont superposées sur les figures POMME. Seules les
positions antérieures de moins d'un mois de la date d'analyse
sont consevées (temps réel oblige) .
Du côté MERCATOR/PSY1-v1, l'anomalie de pression à
400m est représentée par analogie. Le modèle étant dit "aux
équations primitives" (PE 43 couches, 1/3°), la vitesse ne
dérive pas d'un potentiel (seule la composante barotrope en
dérive). Toutefois, l'équilibre géostrophique s'applique bien
dans cette région, et la pression du modèle PE est analogue à
la fonction de courant du QG. On a toutefois ôté du PE un
gradient de pression constant zonal et méridien (noyau de
Poisson). Ceci correspond aux courants des Açores, à la
dérive Nord Atlantique et au courant du Portugal qui sont
différents entre le PE et QG. Le champ de vitesse présenté
est la vitesse du modèle à 400m (composante barotrope et
barocline).
Les trajectoires à 400m sont superposées sur les figures
MERCATOR. Seules les positions éloignées de moins de 14
jours de la date d'analyse sont consevées. En fait, le mot
trajectoire est à nuancer suivant les objets dérivants. Les
SURDRIFTs sont des bouées "droguées" à 400m. Autrement
dit, un fin cable relie l'émetteur de surface à l'ancre flottante
qui est poussée par le courant à 400m. Observations et
positions sont transmises chaque jour.

10. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p10
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La campagne POMME
(suite)
Les MARVORs sont des flotteurs dérivants de subsurface
dont la profondeur de dérive choisie est 400dBar. A
intervalles fixes (2 mois par exemple), ils remontent à la
surface et transmettent l'ensemble des observations et des
positions obtenues par localisation acoustique. Les
PROVORs sont des profileurs dérivants de subsurface dont
la profondeur de garage est 400m. Ces ludions plongent à
2000m puis remontent en surface pour transmettre l'ensemble
des observations. C'est seulement à cet instant que le
profileur est localisé. Après quelques traitements, on peut
calculer avec une bonne précision la dérive du flotteur à la
profondeur de garage.
Les trajectoires formées des positions transmises
ne sont donc pas continues à 400m, voire très discontinues.
Ainsi, en date du 28-3-01, la dérive observée vers 16°O-47°
N ne peut pas être interprétée
en tant que vecteur vitesse, auquel cas l'analyse
MERCATOR serait très mauvaise. Par contre, cette dérive
correspond très bien à une ligne de courant.
C'est la raison pour laquelle on a présenté les trajectoires des
MARVORs et SURDRIFTs par des lignes épaisses
continues, et les déplacements des PROVORs par des lignes
fines discontinues. Le gris correspond à des dates situées à
moins de 14 jours de part et d'autre de la date d'analyse, le
blanc à moins de 7 jours.
Les points indiquent les positions. Noter que l'accumulation
des positions issues de différents objets permet de bien
cerner certaines structures (ex: le 28-3-01 vers 18°O-39°N).
La dernière position est indiquée par un triangle pour orienter
les trajectoires.
Idéalement, il faudrait advecter les positions des objets
dérivants dans le modèle. En pratique cela est lourd car ce
devrait être fait à chaque instant si l'on veut représenter le
rebroussement observé le 28-3-01 vers 23°O-47°N.
Par ailleurs, l'algorithme est différent pour chaque objet, et
doit être 3D pour prendre en compte les effets de montée-
descente ou de trainée : la seule advection à 400m n'est
certainement pas valide à 100% pour modéliser la dérive
complexe de ces objets. Une solution pourrait être d'advecter
un nuage de positions dans le modèle. Mais la présentation
du résultat sous forme de spaghettis est souvent peu claire, à
moins de présenter une trajectoire d'ensemble et son
enveloppe... C'est pour toutes ces raisons que nous nous
bornons ici à une première approche simple mais
synthétique.
Si l'on compare les analyses MERCATOR avec les
réanalyses POMME, on constate tout de suite une
concordance entre pression et fonction de courant. La
structure dépressionnaire vers 38°N est plus marquée dans
MERCATOR, indiquant un courant vers l'ouest plus fort à
40°N. Le courant du Portugal est aussi intense dans
MERCATOR.

11. La lettre trimestrielle de
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no 1 - Avril 2001 p11
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La campagne POMME
(fin)
Le courant des Açores pénètre plus profondément dans le
glofe de Cadix dans POMME. Au niveau de la mésoéchelle,
on retrouve bien des structures communes comme le
tourbillon cyclonique vers 19°O-42°N.
Il y a toutefois des petites différences dans le positionnement
des structures, et aussi dans leurs formes : les tourbillons de
MERCATOR sont plus "rond" que dans POMME. Si l'on
regarde les trajectoires des flotteurs autour du 3-7-01, on
peut voir un bon accord autour des cyclones vers 19°O-42°N
et 17°O-39°N, et des anticyclones vers 18°O-43°N et 19°O-
44°N. Les déplacements plus réduits (16°O-45°N, 22°O-47°
N) correspondent moins. L'analyse MERCATOR du 28-3-01
est en accord avec les flotteurs, exception faite du mystérieux
rebroussement vers 23°O-47°N...
En résumé, la concordance entre les analyses et les dérives
sont souvent bonnes. Ceci s'explique vraisemblablement par
un faible courant moyen (inconnue majeure du système) et
par un cisaillement vertical modeste. Dans ces conditions,
l'altimétrie satellitale est très corrélée avec le courant à 400m,
et elle est bien décodée par PSY1-v1. Toutefois, il convient
de noter que les vitesses de PSY1-v1 sont sous-estimées
(~10cm/s) par rapport aux pseudo-vitesses des dérives
(~13cm/s). Cela s'explique plus par les rayons de
decorrélation (~300km dans cette région) imposés dans
l'analyse MERCATOR/PSY1-v1 des observations
altimétriques, que par la résolution du modèle (~30km dans
cette région). Ces rayons sont davantage adaptés au large
signal stérique (cycle saisonnier) qu'au fin signal
mésoéchelle. Les structures de 2° (~150km) sont bien
présents dans l'analyse PSY1-v1, mais les structures plus
fines sont atténuées. Cette difficulté de l'assimilation en
univarié (un seul mode analysé dans PSY1-v1) est inhérente
à l'utilisation conjointe d'une unique observation (le niveau
de la mer) qui est en fait le cumul de phénomènes de
différentes échelles, avec une seule fonction de corrélation.
Les évolutions multivariées de l'assimilation dans
MERCATOR autoriseront différentes fonctions de
corrélation, ce qui permettra de résoudre naturellement
l'atténuation des fines structures mésoéchelle.
Pour conclure
Les SURDRIFTs, MARVORs et PROVORs sont de toute
évidence extrêmement précieux pour régler les futures
systèmes d'assimilation de MERCATOR. Une validation plus
fine des courants reste encore à réaliser, de même que la
validation de la structure thermohaline avec les sections
hydrographiques de la campagne POMME...
Remerciements
Nous remercions les équipes qui nous ont fourni les
observations :
l le LPO (IFREMER/UBO) pour les MARVORs,
l le CMO (SHOM) pour les SURDRIFTs
l CORIOLIS (IFREMER, CNRS-INSU, METEO-
FRANCE, CNES, IRD, IFRTP) pour les PROVORs
l les équipes des campagnes POMME sur l'Atalante et
le D'Entrecastaux.

12. La lettre trimestrielle de
MERCATOR
no 1 - Avril 2001 p12
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Bloc - Notes
A lire
l "CNES qui se passe" d'avril 2001 :
"MERCATOR : l'océanographie opérationnelle dans
le bon courant"
Note de la rédaction
Ceci est la première mouture ...nous attendons vos
commentaires et remarques pour améliorer la prochaine
édition et répondre au mieux aux questions que
vous vous posez sur MERCATOR.
Prochaine édition : début juillet
La prochaine lettre sera davantage
axée sur la validation avec entre
autres les observations du réseau
Pirata.
On étudiera aussi les méandres du
NECC.
Enfin, la validité des prévisions
à 7 et 14 jours sera illustrée
dans diverses régions.
Edition :
l Corinne Guiose
l Eric Greiner
Rédaction :
l Michel Assenbaum (MIA),
l Mounir Benkiran (MBK)
l Eric Greiner (ERG)
- 1 - L'extinction d'ERS-2 (ERG)
- 2 - Bizarre, le mélange ? (ERG)
- 3 - La devinette (ERG)
- 4 - La convection hivernale (ERG)
- 5 - Amazone.cône (MBK & ERG )
- 6 - La campagne Pomme (ERG & MIA)
Crédits :
l Pierre De Mey
l Laure Siefridt,
l Laurence Fleury
l Yann Drillet
Adresse :
l webmaster@mercator.com.fr