Modélisation des écoulements d'eaux denses à travers des seuils topographiques dans les modèles réalistes de circulation océanique : une démonstration du potentiel que représente l'hybridation d'une coordonnée géopotentielle et d'une coordonnée suivant le terrain

Modelling dense water flows through sills in large scale realistic ocean models : demonstrating the potential of a hybrid geopotential/terrain-following vertical coordinate

• Auteur / Autrice : Pedro Colombo
• Direction : Bernard Barnier, Thierry Penduff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
• Date : Soutenance le 28/06/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Éric Blayo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Chanut, Bruno Zakardjan, Julie Deshayes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Marsaleix, Arne Biastoch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plateau continental

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Océan

Modélisation

Eaux profondes

Ocean

Modelling

Deep waters

Résumé

Dans le jargon de l’océanographie physique, un «overflow » est une masse d’eau dense, formée sur un plateau continental ou dans une mer marginale, qui rejoint l’océan ouvert en s’écoulant par-delà de fortes contraintes topographiques telles que d’étroits détroits, des seuils ou des talus continentaux particulièrement pentus. Ces processus d'overflow jouent un rôle important en distribuant les flux de chaleur et de sel dans l'océan, car ils alimentent les courants profonds et la plus grande partie des eaux profondes de l'océan global. Une représentation irréaliste de ces processus dans les modèles peut avoir un impact sur leur aptitude à simuler d'autres aspects majeurs de la circulation océanique globale.Représenter de manière réaliste les overflows est encore un défi en modélisation numérique de l’océan. Cette thèse étudie ce problème en utilisant le modèle de la circulation générale océanique NEMO avec une configuration régionale de l’overflow du détroit du Danemark (Denmark Strait Overflow, DSO) avec des résolutions dites eddy-permitting/resolving (permettant la génération de turbulence de mésoéchelle). Dans ce travail je propose d’abord une définition du DSO pour pouvoir caractériser les masses d'eaux qui lui sont associées et pour mettre en évidence et quantifier les principaux défauts de représentation du DSO rencontrés dans une simulation de référence réalisée avec les paramètres standards couramment utilisés dans les configurations globales de NEMO (configurations Drakkar).Grâce à cette définition, j’ai pu quantifier l'impact d'un grand nombre de paramètres du modèle sur la représentation du DSO avec des résolutions allant de l'eddy-permitting (1/12°) à l'eddy-resolving (1/60°). Cette étude, qui a nécessité un grand nombre de simulations de sensibilité, a été faite avec le système de coordonnée verticale classique utilisé dans NEMO, qui est la coordonnée géopotentielle z.Les améliorations les plus importants ont été trouvées en augmentant la résolution verticale et horizontale de façon cohérente. Mes résultats ont cependant montrés que la plupart des paramètres du modèle ont un impact très faible sur la représentation finale du DSO. En particulier, nous avons trouvé qu'augmenter la résolution verticale sans utiliser une résolution horizontale cohérente détériore la solution. La principale raison est que la paramétrisation EVD, représentant la convection libre forcée par une instabilité statique de la colonne d’eau, propage la veine de fluide en direction de la pente de la grille, et non de la pente de la topographie, ce qui induit une trop forte dilution des propriétés de l’overflow. Une très haute résolution horizontale et verticale (1/60° et 300 niveaux) permet de résoudre la couche d'Ekman de fond et de maintenir l'EVD localisé au fond, limitant ainsi la dilution de la veine d’eau dense.J’ai ensuite étudié la représentation du DSO dans un système de coordonnée hybride combinant une coordonnée suivant-le-terrain (s) avec la coordonnée géopotentielle (z). Les améliorations obtenues dans la représentation du DSO sont remarquables et pour une faible augmentation du coût de calcul. Finalement, nous proposons un système de coordonnée verticale mixte s-z qui consiste en une implémentation locale de la coordonnée s à l’intérieur de la grille du modèle en coordonnée z, limité à la région où le DSO se produit. Cette implémentation locale minimise les effets des erreurs du gradient de pression liés à ce type de coordonnée, fait une connexion lisse avec la coordonnée z, et n'introduit pas de coûts de calcul démesurés. L'amélioration de la représentation du DSO est encore très importante.Ce travail souligne l'importance d’adapter le système de coordonnée verticale aux processus physiques les plus pertinents. Un défi de la modélisation serait d'avoir un système de coordonnée verticale qui est localement adapté aux processus océaniques dominants.

Overflows play an important role distributing the heat and salt fluxes in the ocean, feeding deep boundary currents and most of the world ocean deep waters. Therefore, an unrealistic representation of overflows in global models may have impacts over many aspects of the simulated state of the ocean.To achieve a realistic representation of overflows is still a challenge for ocean modelling. This work addresses this problem using the community ocean general circulation model NEMO with a regional configuration of the Denmark Strait Overflow (DSO) at eddying resolutions. This work first proposes a definition of the DSO in order to characterize its associated water masses and to find the main caveats in a control simulation that uses the most standard parameters of the commonly used global configurations of NEMO (e.g. Drakkar configurations).Thanks to this definition we then study the impacts on the DSO of a large number of model parameters through a range of eddy-permitting to eddy-resolving resolutions (e.g. 1/12° and 1/60°) in the classic z-coordinate system used in NEMO. Main findings were found increasing the horizontal and vertical resolution, but most model parameters have no significant impacts. In particular it was found that increasing vertical resolution without using a coherent horizontal resolution degrades the solution. The main reason is the EVD parameterisation that propagates the dense vein of fluid along a grid-slope, instead the topographic slope. Coherent and very high resolution both in the horizontal and in the vertical is needed in order to resolve Ekman bottom boundary layer dynamics and keep the EVD localized to the very bottom.We also study the representation of the DSO with a hybrid terrain-following (s) and geopotential (z) coordinate system and obtained considerable improvements for a relatively small increase in computational cost. Finally, we propose a mixed s-z vertical coordinate that relies on a local implementation of s-coordinates within the z-coordinate model, limited to the area where DSO waters are produced. This local implementation is such that it minimizes the effects of pressure gradient errors linked to this type of coordinate, smoothly connects to the global z-coordinate, and does not add any significant computational cost. The improvement of the DSO is found to be drastic.This work emphasizes the utility of adapting the vertical coordinate system to the main physical problem. A modeling challenge would be to have a vertical coordinate system that is locally adapted to the most critical ocean process.