Étude des effets dynamiques et thermodynamiques de l'inclusion de la glace mobile dans l'océan et de son impact sur le système couplé de l'IPSL.

Study of the dynamic and thermodynamic effects of mobile ice inclusion in the ocean and its impact on the IPSL coupled system

• Auteur / Autrice : Clément Billy
• Direction : Gurvan Madec
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Modélisation, méthodes numériques pour l'étude du système climatique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques

Mots clés

Mots clés libres

Océan

Couplage océan-glace

Modélisation numérique

Sea-ice

Ocean-ice coupling

Sea-ice

Numerical modelling

Ocean

Résumé

L'objectif de cette thèse est de mieux prendre en compte les interactions dynamiques et thermodynamiques entre les glaces mobiles (glace de mer et icebergs) et l'océan de surface et d'en analyser l'impact dans les systèmes couplés océan-glace et océan-glace-atmosphère de l'IPSL. La composante océan-glace de l'IPSL (NEMO- OCE-SI3) considère que la glace de mer lévite au-dessus de l'océan, c'est à dire sans peser sur ce dernier. Les échanges glace-océan assurent la conservation en volume, chaleur et sel. Toutefois, au niveau dynamique, si la glace exerce bien un frottement à la surface de l'océan, son advection n'induit pas de déplacement d'eau et sa formation/fonte induit une réponse dynamique erronée. Cette thèse propose d'utiliser la méthode de pénalisation en volume de Brinkman (Kevlahan et al. 2015, Debreu et al. 2020) déjà implémentée dans NEMO (Nasser 2023). Cette méthode consiste à introduire dans les mailles océaniques une fraction solide. Dans le cas de la glace mobile, cette fraction représentera le volume de glace par maille et devra être variable en temps et donc induira une réponse de la dynamique océanique à l'advection de glace. En outre, la distribution sous maille de la glace de mer est représentée sous forme de catégories d'épaisseur et la résolution verticale de l'océan est de l'ordre du mètre proche de la surface. La distribution verticale des flux (stress, flux thermohalins et d'eau douce) à l'interface glace-océan a donc probablement un fort impact sur le comportement du système océan-glace. L'approche développée pourra de même être appliquée aux icebergs dont la surface est bien moindre que celle de la banquise mais dont l'empreinte en profondeur est bien supérieure. Par année, les grandes étapes de l'étude peuvent se résumer ainsi : (1a) prise en compte de la variation temporelle de la pénalisation ; (1b) introduction simple de la distribution sur la verticale des flux glace de mer–océan (déjà fait pour les icebergs ce qui a produit un changement majeur des taux de fonte et de trajectoires des icebergs (Merino et al. 2016)) ; (2) introduction de l'individualisation par catégorie de glace des flux glace–océan ; (3) introduction de la glace de mer pénalisée dans le système couplé de l'IPSL. Par comparaison entre expériences utilisant la glace de mer qui lévite ou celle incluse par pénalisation dans des configurations tests (Ia), ORCA1 (Ib-II) et le couplé IPSL (3), on s'attachera à identifier les mécanismes physiques en jeu dans les changements de comportement associés à l'inclusion physiquement cohérente et numériquement stable de la glace mobile.

The aim of this thesis is to take better account of the dynamic and thermodynamic interactions between mobile ice (sea ice and icebergs) and the surface ocean, and to analyze their impact on the coupled ocean-ice and ocean-ice-atmosphere systems at IPSL. The IPSL ocean-ice component (NEMO/OCE–SI3) assumes that sea ice levitates above the ocean, i.e. without weighing on it. Ice-ocean exchanges ensure conservation of volume, heat and salt. However, at the dynamic level, while ice does exert friction on the ocean surface, its advection does not induce water displacement, and its formation/melt induces an erroneous dynamic response. Here we propose to use the Brinkman volume penalization method (Kevlahan et al. 2015, Debreu et al. 2020) already mplemented in NEMO (Nasser 2023). This method consists in introducing a solid fraction into ocean grid cells. In the case of mobile ice, this fraction will be the volume of ice, and should be variable in time. It will induce an ocean dynamical response to ice advection. In addition, since sea ice is represented as thickness categories, and since the vertical resolution of the ocean is of the order of a meter close to the surface, we will also study the impact of the vertical distribution of calculated fluxes at the ice-ocean interface (stress, thermohaline and freshwater fluxes) on the behaviour of the ocean-ice system. The developed approach can also be applied to icebergs, which have a much smaller surface area than pack ice but a much larger immersed thickness. By year, the main stages of the study can be summarized as follows: (1a) taking into account the temporal variation of the penalization ; (1b) simple introduction of the vertical distribution of ice-ocean fluxes (already done for icebergs, which produced a major change in melting rates and iceberg trajectories (Merino et al. 2016) ; (2) introduction of ice-ocean fluxes by ice category ; (3) introduction of penalized sea ice into the IPSL coupled system. By comparing experiments using levitating and penalized sea ice in test configurations (Ia), and in ORCA1 (Ib-II) and the IPSL coupled system (III), we will identify the physical mechanisms at play in the changes in behavior associated with the physically consistent and numerically stable inclusion of mobile ice.