Extrait de la Lettre n°5 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1- Le domaine d'intérêt du projet de modélisation MOCA et la topographie du bassin: Atlantique Sud.

2-Modélisation: transport et flux de chaleur moyens des différentes masses d'eau Sud Atlantique.

3 - Modélisation : variation saisonnière des transports méridiens à 30°S.

4 - Modélisation : vue instantanée de la salinité à une profondeur de 155 m produite par le modèle SPEM à haute résolution dans la région du sud de l'Afrique après 25 ans d'intégration.

5 - Modélisation : vue instantanée des lignes de courant de la circulation de surface dans le modèle quasi-géostrophique de l'Atlantique Sud.

La modélisation de la circulation dans l'Atlantique sud permet d'estimer les flux d'eaux et de chaleur qui traversent cette zone. La comparaison avec les résultats de WOCE et de TOPEX-POSEIDON permet de valider les simulations. Le modèle en partie développé au LEGI à Grenoble est original par le choix de ses coordonnées, ce qui permet une meilleure représentation de la topographie.

L'intérêt majeur de l'Atlantique en océanographie est son importance sur la thermodynamique du système océan-atmosphère due à son rôle singulier dans le transport méridien de chaleur: dans l'Atlantique Sud le flux de chaleur est dirigé vers l'équateur, c'est à dire vers la source chaude superficielle.
Pour comprendre les causes de cette circulation océanique particulière ainsi que ses relations avec la circulation générale atmosphérique, le programme WOCE (World Ocean Circulation Experiment, voir article "WOCE, la participation française dans l'Atlantique" ) a coordonné la mise en place d'observations dans l'Atlantique Sud. Un programme de modélisation associé, le projet MOCA (Modélisation de la Circulation dans L'Atlantique), a été engagé sur l'étude de cette dynamique et de ces transports. Ce projet, mené au Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) de Grenoble, est soutenu par le CNRS et l'IFREMER à travers le PNEDC et l'IDRIS (Institut du Développement et des Ressources en Informatique Scientifique).

La contrainte du relief
Les mouvements des masses d'eau océaniques sont fortement contraints par la présence des côtes et par l'amplitude des topographies sous-marines qui est souvent du même ordre que l'épaisseur du fluide qui les recouvre (figure 1). La conséquence est que le transport méridien s'effectue en grande partie par des courants étroits mais intenses, tels le courant du Brésil et celui des Malouines dans l'Atlantique sud, qui s'appuient sur les talus continentaux ou les dorsales océaniques.
Ces contraintes se traduisent en modélisation essentiellement par une interrogation sur le choix du système de coordonnée verticale et de la résolution tri-dimensionelle les mieux adaptés pour représenter les processus dynamiques qui exercent ce contrôle bathymétrique. Le projet MOCA a opté pour une approche originale en océanographie, qui repose sur l'utilisation d'une coordonnée verticale qui suit le relief du fond des océans.

Les modèles de bassin
L'océan Atlantique sud est un bassin océanique largement ouvert sur l'océan Indien, sur l'Atlantique Nord, et est en contact avec le Pacifique par le passage de Drake (figure 1). Les modèles de circulation océanique à l'échelle des bassins ont été peu développés jusqu'à présent à cause de la difficulté à prendre en compte l'influence des océans extérieurs aux limites du domaine modélisé.
Le projet MOCA s'est attaché à apporter une solution satisfaisante à ce problème de condition aux limites dans le cas du bassin Atlantique sud. L'intérêt est de pouvoir limiter le domaine modélisé, ce qui permet de mettre l'accent sur la résolution et la représentation des phénomènes non linéaires et de mésoéchelle (une centaine de km), tout en restant raisonnable au niveau des moyens de calcul.

Les données de validation
Une des difficultés persistante des sciences océaniques est la faible couverture des données d'observation. Jusqu'à récemment, les seules données pouvant produire une image de la circulation à l'échelle d'un bassin étaient les compilations de données hydrographiques qui décrivent, dans les trois dimensions, les propriétés des masses d'eau. Ces données sont jugées sous-échantillonnées pour permettre une évaluation fiable des transports océaniques. Les observations collectées pendant WOCE vont grandement améliorer ces données avec un échantillonnage adapté, et avec des données nouvelles complémentaires, telles les données de flotteurs et les données satellitaires.
En particulier, les observations altimétriques de Topex/Poséidon sont les seules données océaniques avec une résolution spatio-temporelle proches de celles des modèles haute résolution, constituant ainsi un élément essentiel de validation des modèles.

Les modèles MOCA
Deux types de modèles de circulation sont utilisés dans MOCA. Le premier est un modèle aux équations primitives. Il simule l'évolution de la dynamique et de la thermodynamique de l'océan. Son originalité est l'utilisation d'une coordonnée verticale "s" qui suit la topographie de fond. Ce type de coordonnée n'avait pas été appliqué en océanographie à des problèmes de circulation générale, et l'un des objectifs de MOCA était d'étudier les possibilités offertes. Le code numérique de base est le code SPEM dont une nouvelle version a été développée pour répondre à la problématique de MOCA. Ce modèle est utilisé à basse et haute résolution pour étudier les flux de masse et les transports de chaleur dans l'Atlantique sud.
Le second modèle utilisé est un modèle quasi-géostrophique dont la thermodynamique reste simplifiée. Il est appliqué à très haute résolution, pour des études d'assimilation des données altimétriques Topex/Poséidon dans l'Atlantique Sud.
Tous ces modèles ont des frontières ouvertes adaptées aux échanges inter-bassins.

Variabilité des flux méridiens dans l'Atlantique Sud
Les simulations du cycle saisonnier, réalisées avec la version basse résolution du code SPEM (1,2¡ environ), ont mis en évidence un comportement original du modèle qui suggère un double schéma pour la circulation méridienne des masses d'eaux de surface (0-500 m) et de sub-surface (500-1000 m). Pour ces expériences, le modèle est forcé en surface par les vents et les flux du Centre Européen de Prévision Météorologique de Reading.
Pour les flux méridiens à 30°S, la solution du modèle fait la part entre les deux schémas de circulation largement discutés dans la communauté :

- la "route froide", qui privilégie un transport important vers le nord d'eau froide et peu salée d'origine antarctique (IW) à une profondeur intermédiaire (vers 800 m) pour contrebalancer le flux d'eau profonde (environ 2500 m) d'origine nord atlantique (DW) vers le sud. Le flux méridien de chaleur correspondant est généralement faible (entre 0,1 et 0,3 10¹⁵ W). L'eau profonde nord atlantique étant relativement salée, il en résulte globalement un flux d'eau douce vers le nord estimé à environ 0,32 Sverdrup (1 Sv = 10⁶ m³ s^-1).
- la "route chaude"par opposition suppose que cette balance est constituée par les eaux de surface (TW) venant pour une part de l'océan Indien, un schéma de circulation qui donne généralement un flux de chaleur vers le nord plus élevé (environ 0,5 à 0,6 10¹⁵ W) et un flux d'eau douce moindre.

En moyenne annuelle, la solution du modèle privilégie la "route froide", avec une proportion assez importante d'eau intermédiaire participant au transport vers le nord (figure 2a), et un flux méridien de chaleur relativement faible (0,29 10¹⁵ W) (figure 2b). Les eaux intermédiaires étant des eaux douces, le flux d'eau douce vers le nord atteint 0,27 Sv proche des estimations hydrographiques.
Le modèle indique que la variation saisonnière du flux méridien de chaleur à 30¡S (figure 3b) est importante. Le flux atteint un maximum pendant l'hiver austral, (0,62 10¹⁵ W en juin) et minimum pendant l'été austral (0,2 10¹⁵ W en décembre). Cette variabilité des flux est le résultat de l'action saisonnière du vent sur le gyre subtropical de l'Atlantique Sud, qui force le transport vers l'équateur d'eau de surface (TW), chaude et salée, pendant l'hiver (il atteint 10 Sv) et le réduit à 5 Sv en été (figure 3a).
Le modèle suggère donc un double schéma de circulation qui s'accorde avec la solution de la "route chaude" en hiver, et de la "route froide" en été. Ceci nous amène à réfléchir sur l'utilisation de données ne considérant pas le cycle saisonnier dans l'analyse des sections hydrographiques.

La mésoéchelle océanique
MOCA porte une attention particulière au rôle de la dynamique de mésoéchelle, en particulier sur le rôle des tourbillons dans les échanges entre le Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) et le "gyre" Atlantique Sud. Une version à haute résolution du code SPEM est alors utilisée, avec une grille isotrope de l'ordre de 1/3°. Une première simulation longue de 25 ans reproduit bien les structures tourbillonnaires majeures tel que les tourbillons des Aiguilles au sud de l'Afrique (figure 4).

Assimilation de données altimétriques
Le projet MOCA s'intéresse également à l'assimilation de données. Ainsi avec l'assimilation des données Topex/Poséidon et ERS-1, la simulation de la circulation dans l'Atlantique sud a été fortement améliorée. Par exemple les champs de courant en surface montrent une activité tourbillonnaire intense dont l'amplitude approche des niveaux très réalistes (figure 5). Enfin des expériences sont menées pour étudier le rôle de la surface libre de l'océan dans l'assimilation de données altimétriques.

Prospective : le projet CLIPPER
Le programme WOCE-France arrive en phase terminale des opérations à la mer et entre maintenant dans la phase d'exploitation. Dans la continuité du projet MOCA, une modélisation numérique à haute résolution (1/6°) de tout le domaine Atlantique, en mode forcé et en mode couplé avec un modèle d'atmosphère, apparaît nécessaire dans le cadre du programme WOCE-France et des programmes qui suivront (CLIVAR). C'est le projet CLIPPER qui implique trois laboratoires: le LEGI , Le LPO et le LODYC. Une telle expérience servira de cadre à un ensemble d'actions interactives entre observateurs, théoriciens et modélisateurs, et contribuera à la valorisation des observations réalisées pendant WOCE et à la compréhension des échanges océan-atmosphère aux échelles saisonnières et interannuelles. Enfin ce projet contribuera au développement et à la maîtrise des modèles futurs de prévision climatique du système couplé à haute résolution spatiale. De tels modèles sont envisagés en France dans le cadre du projet MERCATOR (mise en oeuvre d'un système de simulation de l'océan global assimilant données satellites et in situ, exploité de façon préopérationnelle par des scientifiques).Techniquement
Pour mieux fixer les idées sur les ressources impliquées dans de tels programmes de modélisation, voici quelques caractéristiques correspondant à 10 ans de simulation du modèle SPEM dans l'Atlantique Sud :
- points de grille: 321x257x20 (soit 30 km de résolution à 30°S et 10km dans la mer de Weddell; 20 niveaux verticaux).
- pas de temps : 1080 sec
- temps de calcul : 500 heures de C98
- volume de données de stockage : 40 Go.

Le modèle doit être intégré au moins sur 25 ans pour produire sur les cinq dernières années une solution statistiquement stationnaire dans les couches de surface.

Contact :
Bernard Barnier
Laboratoire d'Ecoulement Géophysique UMR C5519
BP 53
38041 St Martin d'Hères Cedex