La stratégie du SHOM en modélisation océanographique : le choix d'hycom Stéphanie Louazel, Rémy Baraille, Stéphanie Corréard, Cyril Lathuilière, Flavien Gouillon, Annick Pichon
Division HOM du SHOM responsable du soutien des forces navales dans le domaine de l'environnement océanographique Besoin pour la lutte anti sous-marine par grands fonds identifié depuis les années 90 Lancement du développement de SOAP Participation du SHOM à Mercator-Océan, spécialisé dans la modélisation du domaine océanique hauturier Mais ces modèles ne couvrent pas l'approche des continents (talus et plateaux). Or les besoins de la Marine ont évolué et il s'avère nécessaire d'élargir la modélisation opérationnelle à de nouvelles régions, notamment côtières. Objectifs des projets MOUTON puis PROTEVS (financement DGA) : développer les modèles régionaux/côtiers des futurs systèmes opérationnels
Historique des modèles utilisés au département Recherche 1993 : modèle quasi-géostrophique 1994 : modèle shallow-water Bleck & Boudra (1986) 1995 : modèle MICOM (Miami Isopycnic Model) 2000 : modèle HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model)
Historique des modèles utilisés au département Recherche 1993 : modèle quasi-géostrophique 1994 : modèle shallow-water Bleck & Boudra (1986) 1995 : modèle MICOM (Miami Isopycnic Model) 1998 : SOAP avec modèle de circulation quasi-géostrophique 2000 : modèle HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 2009 : SOAP3 avec modèle de circulation aux équations primitives NEMO de Mercator-Océan 2010 : système temps réel Manche-Gascogne basé sur HYCOM 2011 : premiers tests de SOAP3 avec HYCOM
Les attendus d'un modèle régional/côtier Représenter correctement les processus hauturiers (plaines abyssales) dynamique de moyenne échelle, processus de mélange vertical,... Représenter correctement les processus côtiers sur les plateaux continentaux marée, surcote, accidents topographiques, panaches fluviaux Être capable de représenter conjointement le plateau continental et la plaine abyssale Le talus continental est le siège de phénomènes cruciaux pour nos domaines d'intérêt telle la marée interne
PLAN 1- Les caractéristiques techniques d'hycom 2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière 3- Les coopérations Conclusion
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Les modèles aux équations primitives diffèrent notamment par la définition de la coordonnée verticale coordonnée verticale fixe coordonnée géopotentielle (ex NEMO) coordonnée sigma (ex MARS et ROMS) coordonnée verticale variable coordonnée isopycnale (ex MICOM) HYCOM : coordonnée hybride
1- Les caractéristiques techniques d'hycom HYCOM : coordonnée verticale hybride coordonnée géopotentielle dans les couches de surface coordonnée sigma par petits fonds coordonnée isopycnale dans l'océan intérieur sigma géopotentielle isopycnale
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Les propriétés de la coordonnée verticale hybride : La coordonnée géopotentielle permet de bien discrétiser la couche de mélange. La coordonnée sigma permet d'augmenter la résolution près du fond. La coordonnée isopycnale permet de préserver les caractéristiques des masses d'eau intermédiaires et profondes (pas de mélange numérique). La coordonnée isopycnale est une coordonnée naturelle pour la dynamique tourbillonnaire.
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Les propriétés de la coordonnée verticale hybride : La grille de calcul peut être adaptée à chaque instant à la configuration de la zone et aux phénomènes physiques. La coordonnée hybride permet de gérer des bathymétries à forts gradients comme le talus sans générer d'instabilités. La combinaison de différents types de coordonnées ajoute des degrés de libertés et des possibilités permettant l'optimisation de la représentation des différents processus.
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Les limites de la coordonnée verticale hybride : Elle exige de définir des densités cibles dont le paramétrage peut être délicat pour certains processus. Elle exige des schémas numériques sophistiqués coûteux en temps de calcul.
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Développements numériques réalisés par le SHOM pour adapter HYCOM à la modélisation régionale et côtière : meilleure prise en compte de la surface libre qui n'est plus négligée devant la hauteur d'eau totale mise en place de conditions aux limites adaptées à un forçage aux frontières ouvertes par des modèles de bassin mise en place de conditions aux limites adaptées aux entrées d'eau douce au niveau des embouchures
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Développements numériques réalisés par le SHOM pour adapter HYCOM à la modélisation régionale et côtière : mise en place d'un schéma numérique spécial pour gérer les bancs découvrants Test académique du bol de Thacker Variation temporelle de la ssh en un point découvrant Théorie Modèle
1- Les caractéristiques techniques d'hycom Développements numériques réalisés par le SHOM pour adapter HYCOM à la modélisation régionale et côtière : mise en place d'un mailleur pour grilles curvilignes et implémentation d'agrif pour raffiner le maillage au niveau des zones d'intérêt grille mère grille fille Température de surface Maillage curviligne Mise en place d'agrif
2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière HYCOM initialement conçu pour la modélisation hauturière Sortie du NRL Stennis Space Center } coordonnée verticale hybride + développements numériques effectués HYCOM adapté à : la modélisation continue du hauturier au côtier la modélisation des processus régionaux et côtiers
2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière Modélisation des ondes internes Section modèle à travers le golfe de Gascogne Composante nord/sud du courant de marée (m/s) au point fixe PF01 HYCOM isopycnal sans forçage météo In situ Amplitude de la marée interne M2 Pichon et al. 2013 (JMS) Internal tide interactions in the Bay of Biscay : Observations and modelling HYCOM réaliste
2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière Dynamique tourbillonnaire Simulation HYCOM en isopycnal Vorticité potentielle (m-1s-1) Simulation HYCOM en z Dissipation du tourbillon plus importante en z qu'en isopycnal
2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière Mélange diapycnal Il se paramétrise dans un modèle isopycnal Il est subi dans les autres modèles Condition initiale Test du «lock-exchange» Modèle ROMS Modèle shallow-water GOLD T=17h Modèle MITgcm ΔZ=5 m ΔZ=1 m Ilicak et al. 2011 (Ocean Modelling) Spurious dianeutral mixing and the role of momentum closure
2- Les capacités d'hycom à la modélisation hauturière/régionale/côtière Courants de gravité Simulation HYCOM en isopycnal Simulation HYCOM en z Dissipation de l'eau persique dans le golfe d'oman plus importante en z qu'en isopycnal
3- Les coopérations Une communauté HYCOM française restreinte : SHOM Quelques PME ont une expérience HYCOM via les marchés passés avec le SHOM : Actimar, Hocer, Alyotech Quelques laboratoires utilisent HYCOM : LPO,...
3- Les coopérations Les collaborations «numériques» en France dans le cadre des projets : PREVIMER EPIGRAM COMODO L'utilisation de modèles différents n'empêche pas les numériciens de coopérer Progression de tous les modèles
3- Les coopérations Une communauté HYCOM internationale large : Le consortium HYCOM est piloté par les Etats-unis : NRL RSMAS (Miami) COAPS (Tallahassee) Université du Michigan Rencontres régulières pour faire converger les codes Etudes de processus communes (panaches de rivière) Participation du SHOM à la mise en place du forum HYCOM
3- Les coopérations Une communauté HYCOM internationale large : Les membres européens du consortium : NERSC (Bergen) NOCS (Southampton) DMI (Copenhague) : soutien du SHOM pour la mise en place d'un modèle de marée dans un fjord du Groenland IH (Lisbonne) : développement en commun d'une maquette sur la façade ibérique
3- Les coopérations Les principaux systèmes temps réel basés sur HYCOM opérationnels ou pré-opérationnels Système global du NRL Système RTOFS global et Atlantique de la NOAA Site HYCOM du NRL Système global du NAVOCEANO Sortie Atlantique RTOFS
3- Les coopérations Les principaux systèmes temps réel basés sur HYCOM opérationnels ou pré-opérationnels Système TOPAZ Europe du Nord du NERSC Système Manche-Gascogne de PREVIMER/SHOM
Conclusion HYCOM caractérisé par sa coordonnée verticale hybride qui permet : une modélisation continue du hauturier au côtier une modélisation des processus régionaux/côtiers Communauté HYCOM internationale large et active Communauté HYCOM française restreinte mais la multiplicité des modèles est un atout important chaque modèle a ses avantages et ses inconvénients et HYCOM répond aux besoins du SHOM émulation entre les équipes communauté des modélisateurs/numériciens importante