Réflexion sur les données de vents satellites

Dans le cadre de ce travail de thèse, une étude portant sur la qualité des données de vent satellite grillé près des côtes du Pérou et du Chili a été réalisée en collaboration avec deux institutions du Pérou : l’IMARPE (Instituto del Mar del Peru) et la DHN (Direccion de la Hidrografia y Navegacion). Cette étude a débouché sur la rédaction d’un article ([Croquette et al. 2007], cf Annexe) et a eu pour but d’aider au choix du produit de vent pour le forçage des simulations numériques. Dans cet article, les variations saisonnières des vents parallèles à la côte et du rotationnel de vent des satellites ERS (1 degré) et QuikSCAT ( 50 degré) ont été comparées.

Les données de vents issues des stations côtières NAYLAMP du Pérou ont également été utilisées. Les principales conclusions sont résumées ci-dessous. Au Nord de 17°S et au Sud de 26°S, les cycles saisonniers des vents alongshore évalués à partir des produits ERS et QuikSCAT montrent un bon accord avec un décalage de deux et d’un mois (respectivement). L’étude sur la période de recouvrement des deux satellites permet de conclure que ce décalage est dû à la différence de période utilisée pour estimer les cycles saisonniers.

En revanche, entre 17°S et 26°S, QuikSCAT montre un cycle saisonnier en accord avec les stations côtières alors qu’ERS a un cycle saisonnier opposé. Par ailleurs, le rotationnel de vent, calculé à partir des données QuikSCAT, est deux à trois fois plus important à la côte que son homologue calculé à partir d’ERS. En particulier, au Chili, une bande de rotationnel négatif à la côte n’apparaît pas dans les données ERS. De forts gradients de vents à la côte ont été observés dans l’upwelling de Californie à l’aide de mesures aériennes [Münchow 1999]. Dans le Pacifique Sud Est, les données QuikSCAT indiquent également un fort gradient de vent à la côte. 

Modèles numériques

Deux types de modèles ont été utilisés : dans un premier temps, des sorties d’une simulation numérique, de résolution modérée, réalisée au LOCEAN, a été analysée. Dans un deuxième temps, une configuration de plus haute résolution a été mise au point avec un modèle de type différent : le modèle ROMS. La simulation a pu tourner sur les machines de calcul du CNES qui sont équipées des librairies et options de compilations pour une exécution du code en utilisant la parallélisation, permettant ainsi d’optimiser les temps de calcul. 

ORCA05

L’OGCM OPA (Océan Parallelisé) est un modèle aux équations primitives développé au LOCEAN [Madec et al 1998; http://www.lodyc.jussieu.fr/opa/]. La configuration ORCA05 en océan global avec surface libre a été utilisée ici. Les variables sont discrétisées sur une grille de type Arakawa C avec des coordonnées z. La résolution spatiale est de 0.5° et le modèle a 31 niveaux verticaux, avec des niveaux tous les 10 m dans les 500 premiers mètres. La diffusion latérale se fait le long des surfaces isopycnes et la turbulence induite par les phénomènes sous maille (turbulence méso-échelle) est paramétrée selon Gent and McWiliams [1990].

La diffusion verticale est paramétrée avec un schéma de fermeture de l’énergie cinétique turbulente TKE (Turbulent Kinetic Energy) [Blanke and Delecluse 1993]. Les vents ERS ont été utilisés pour forcer le modèle entre 1992 et 2001 et les flux de chaleur paramétrés à l’aide des formulations bulk et des réanalyses NCEP. Trois ans de spinup ont été réalisés à partir de l’état initial construit à partir de la climatologie de Levitus 1998 WOA. Une climatologie des précipitations [Xie et al 1998] et un rappel à la climatologie de Levitus 1998 sont utilisés pour contraindre la salinité de surface. L’étude sur les sorties du modèle a été limitée à la région comprise entre 100°W et 65°W et 50°S et 10°N.

ROMS

Le second modèle utilisé ici a des caractéristiques différentes. C’est un modèle régional aux équations primitives [Shchepetkins et McWilliams 2003]. Les équations sont discrétisées sur une grille tridimensionnelle Arakawa de type C avec des coordonnées horizontales curvilignes et des coordonnées sigma sur la verticale. Les coordonnées sigma suivent la bathymétrie et permettent une meilleure résolution verticale que les coordonnées z d’ORCA dans les zones côtières. Ces coordonnées conduisent cependant à l’apparition d’erreurs dans le calcul du gradient horizontal de pression en cas de pentes trop fortes.

Les composantes barotropes et baroclines sont calculées séparément avec un pas de temps plus petit pour la composante barocline. Le mélange vertical est paramétré avec un profil KPP (Kprofile parametrization) et les termes de diffusion verticale sont traités avec un schéma semi implicite de Crank-Nicholson. Le schéma d’advection utilisé est un schéma « upstream biased » du troisième ordre. Ce schéma d’advection a l’avantage d’inclure une diffusion implicite et de limiter la dispersion [Shchepetkins and McWilliams 1998]. Le modèle est donc moins dispersif qu’ORCA et permet le développement de structures fines à l’échelle de la maille. Une configuration incluant les côtes Péruviennes et Chiliennes a été mise au point.

La résolution spatiale est de 1/6° (~18 km) et la résolution verticale inclut 32 niveaux avec un raffinement en surface. Une configuration avec une meilleure résolution (1/9°) existe dans la région mais elle inclut seulement la zone du Pérou [Penven et al 2005]. Vu l’extension du domaine de notre configuration et les limites informatiques, la résolution horizontale a dû être limitée. Le modèle a été forcé par les tensions de vents quotidiennes QuikSCAT sur la période 2000 à 2004. Les vents QuikSCAT ont été choisis à la suite de l’étude effectuée sur les données satellites et les stations côtières (cf 1c).

Les flux de chaleur sont prescrits à l’aide de formulations bulk et des réanalyses NCEP. Les sorties de modèles ECCO (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean, http://www.ecco-group.org) ont été utilisées pour le forçage des conditions aux frontières et pour l’état initial et deux ans de spin up ont été réalisés. Des tests avaient été réalisés en utilisant ORCA2 aux frontières. En 2001, la simulation ORCA2 présentait dans la région du Pacifique Sud-Est des anomalies de hauteur de la mer très différentes des données TOPEX qui se répercutaient sur le modèle régional. L’utilisation des sorties ECCO a donc été préférée.