Bilan 1999 et proposition 2000 pour le PNDEC
Variabilité climatique engendrée par la circulation océanique
Thierry Huck
18 octobre 1999
Les travaux réalisés dans le cadre des objectifs poposés en 1998 pour
l'année 1999 ont abouti à une meilleure compréhension de la
variabilité interdécennale de la circulation thermohaline dans des
modèles idéalisés
et à une estimation de la robustesse de ces modes vis-à-vis de la
turbulence méso-échelle, des interactions avec l'atmosphère et avec la
topographie (Huck et al. 2000).
Les résultats fondamentaux restent valides, notamment que la circulation
océanique présente des modes de variabilité propres lorsqu'elle est
forcée par des flux de chaleur quasi-constants à sa surface, ce qui est
le cas à grande échelle (à l'exclusion du cycle saisonnier). Cette
variabilité est générée par une instabilité à grande échelle,
de type barocline, qui est principalement efficace dans la région de bord
ouest et le long de la dérive nord Atlantique.
La période des oscillations est déterminée par le temps de propagation
d'anomalies de température correspondant à des ondes planétaires
baroclines d'est en ouest à travers le bassin.
En outre, des méthodes et codes d'analyse de stabilité linéaire ont
été développés et utilisés avec succés pour prédire la structure,
la période et le taux de croissance des modes instables dans les
configurations idéalisées, dans le cadre des équations
quasi-géostrophiques et planétaires géostrophiques, en une, deux et trois
dimensions.
Les différentes interactions préoccupantes pour le maintien des
oscillations interdécennales étaient principalement avec la turbulence
océanique à méso-échelle, qui résulte du même type d'instabilité
barocline mais avec des taux de croissance plusieurs fois plus élevés
(Gill et al. 1974), avec l'atmosphère, via les flux de chaleur sensible
et latente qui dissipent les anomalies de température de surface, et avec
la topographie, qui amortirait les modes baroclines par le couple des forces
de presssion sur le fond (Greatbatch et al. 1997).
L'importance de ces trois interactions a été
analysée dans des modèles numériques et quoiqu'elles impliquent toutes
un amortisssement des oscillations, aucune prise séparément n'est apparue
critique pour la survie des oscillations.
Pour analyser l'influence des tourbillons méso-échelle et s'affranchir
d'une paramétrisation du mélange horizontal (qu'ils induisent) qui
s'avérait critique à basse résolution, des expériences résolvant
marginalement le premier mode barocline ont été réalisées, via une
série d'éxpériences numériques dans la même configuration
idéalisée pour des résolutions variant progressivement de 320 à 20 km.
L'initialisation de chaque expérience avec une interpolation des champs de
température à l'équilibre (statistique) pour la résolution
immédiatement inférieure a assuré une circulation thermohaline et
une stratification quasi-stationnaires tout au long des simulations, permettant
de limiter les périodes transitoires souvent énergétique et prônes à
des oscillations. Toujours est-il que
la variabilité longue période reste fortement énergétique à toutes
les résolutions et module largement le niveau d'énergie cinétique
turbulente du bassin.
La période varie légérement avec la résolution, ce qui n'est
pas surprenant vu les changements de la circulation moyenne, mais surtout des
pics fréquentiels secondaires apparaissent aux plus hautes résolutions,
déteriorant la régularité des oscillations à basse résolution et
par conséquent la prédictabilité du système.
Pour estimer l'influence du couplage avec l'atmosphère, un modèle
atmosphérique à une couche en équilibre énergétique (EBM) a
été développé et couplé aux modèles océaniques planétaires
géostrophiques (Huck et al. 1999a) et aux équations primitives du GFDL,
MOM3 (Pacanowski et Griffies 1999). Pour un bassin d'extension plus réaliste,
une circulation thermohaline d'intensité raisonnable est reproduite avec
des coefficients de mélange vertical réduits (
).
Pour des coefficients de couplage air-mer variant de 0 à 65 W m-2
K-1, le modèle produit des oscillations décennales.
Les mêmes coefficients utilisés dans des conditions de relaxation des
températures de surface ne permettraient pas les oscillations :
une rétroaction réaliste des anomalies de température océanique
grande-échelle sur les températures atmosphériques, qui réduit les
différences de température et donc les flux air-mer, ce qui allongent
significativement leur durée de vie, est nécessaire pour permettre les
oscillations.
Finalement différents profils analytiques de topographies ont été
testés, toujours dans des conditions de forçage idéalisées.
L'influence d'une bathymétrie variant avec la longitude (dans le sens de
propagation supposé des ondes planétaires baroclines) est nettement plus
important qu'une bathymétrie variant avec la latitude, et implique un
amortissement des oscillations. Néanmoins, cet amortissement reste limité
et il suffit de réduire dans des limites réalistes un paramètre tel que
la diffusion horizontale de température pour voir les oscillations
réapparaître.
En conclusion, la topographie et le couplage avec l'atmosphère représentent
des termes dissipateurs pour les oscillations alors que la turbulence méso-
échelle (océanique et certainement atmosphérique via le forçage
stochastique par les flux de quantité de mouvement, chaleur et eau douce)
joue plutôt un rôle excitateur qui tend néanmoins à rendre les
oscillations moins régulières. L'idéal pour progresser serait donc
un modèle couplé résolvant les tourbillons océaniques ...
Plusieurs expériences idéalisées ont permis de clarifier le mécanisme
de variabilité, qui ne semble pas s'exprimer exactement de la même
manière suivant la configuration et le forçage.
Ainsi, en utilisant des flux de chaleur uniformes zonalement et variant
linéairement avec la latitude, des ondes sont apparues clairement se
propager le long du bord nord du domaine avec une vitesse et une structure
verticale qui suggèrent des ondes baroclines de grande longueur d'onde,
O(1000 km).
Une analyse de stabilité linéaire dans le formalisme quasigéostrophique
montre que les profils verticaux de densité et de vitesses zonales sont
instables dans ces régions et que la forte viscosité ou diffusion
horizontale de densité déplacent les taux de croissance maximaux vers
les nombres d'ondes plus faibles (par rapport à l'échelle habituelle du
rayon de déformation). [Pourquoi ces modes s'expriment même à haute
résolution lorsque les diffusivités sont fortement réduites reste un
mystère à éclaircir.]
Ces ondes se propagent vers l'ouest (plutôt grâce au gradient méridien de
température que de vorticité planétaire) avec des vitesses de groupe qui
semblent expliquer la période des oscillations. En fait, une analyse
dimensionnelle de la période suivant ce mécanisme est en parfait accord
avec un grand nombre d'expériences numériques décrivant l'espace des
paramètres (Huck et al. 2000).
L'analyse locale de stabilité s'avérant insuffisante pour déterminer
la structure méridienne des ondes instables, des outils numériques sont
en cours de
développement pour prendre en compte l'évolution du champ moyen de
densité et de vitesse avec la latitude, dans les limites des approximations
quasi-géostrophiques mais aussi pour des dynamiques plus adéquates.
Finalement, des méthodes d'analyse linéaire de stabilité du système
tridimensionnel ont été expérimentées en géométrie idéalisée
pour les équations planétaires géostrophiques
et donnent des résultats tout-à-fait satisfaisants et en accord avec les
expériences numériques directes (Huck et Vallis, en préparation).
Notre objectif est de documenter des modes de variabilité de l'océan
et du système couplé océan-atmosphère-glace sur des périodes
interannuelles à interdécennales pour les comparer aux observations
et aux modèles les plus réalistes.
Notre démarche consiste à chercher des mécanismes conceptuels 'simples'
et à les tester dans des configurations de plus en plus réalistes,
jusqu'à pouvoir les comparer aux observations (COADS par exemple).
Cette approche inverse se justifie par la difficulté de comprendre ou
interpréter les modes de variabilité observés ou modélisés par les
systèmes couplés réalistes. Connaissant la signature des modes cherchés
peut-être est-il plus aisé de déterminer lesquels s'expriment dans les
observations ou les simulations.
On s'intéresse dans un premier temps à la signature des modes décennaux
de la circulation thermohaline (étudiés extensivement dans des modèles
simplifiés) dans des configurations réalistes, à l'aide de simulations
numériques océaniques, et d'études de stabilité linéaire.
Puis ce seront les interactions tourbillons océaniques - vent qui seront
étudiées de manière conceptuelles d'abord (Cessi 1998 ; Gallego et Cessi
1999), et dans des modèles plus ou moins simplifiés, afin de déterminer
les différences fondamentales avec la variabilité de type thermohaline.
Finalement les interactions avec la glace de mer seront considérées afin
d'estimer leur importance dans la variabilité observée, plus précisement
on s'attend à trouver des interactions vent-glace de mer importantes en mer
du Groenland (Delworth et al. 1997).
L'étude de la variabilité de la circulation océaniques dans l'Atlantique
Nord sera analysée dans des configurations réalistes (océan seulement
ou couplé)
en fonction du forçage à la surface et des paramètres des modèles.
Plusieurs résultats de modèles sont disponibles à ce jour
(CERFACS, LODYC, GFDL, Lamont)
et seront analysés en collaboration avec les groupes les ayant produits.
On s'interesera principalement à l'influence des conditions aux
limites à la surface (relaxation, mixtes, flux constants, couplé à un
modèle atmosphérique complet ou simplifié) sur la variabilité.
Dans les cas où un état d'équilibre est disponible, les techniques
d'analyse de stabilité linéaire développées en 1999 seront utilisées
afin de définir les caractéristiques des modes les plus instables
(structure, période, taux de croissance) et leur sensibilité à la
configuration du modèle et au forçage.
Il est à noter que les calculs de type
quasi-géostrophique ne sont pas adéquates pour décrire la dynamique
dans les régions d'où les oscillations semblent émerger.
Par conséquent, des calculs de stabilité dans le cadre de simplifications
moins draconiennes seront développés. Les calculs de stabilité en trois
dimensions devront également être étendus pour prendre en compte la
température et la salinité, ainsi que des géométries complexes.
Finalement, les modes ainsi documentés par simulations numériques ou
calculs de stabilité seront comparés aux observations afin de déterminer
si le mode thermohalin peut expliquer une partie de la variabilité observée
dans l'Atlantique Nord.
De nombreux mécanismes de variabilité faisant intervenir les interactions
de l'océan avec le vent ou la glace ont été proposés dans la
littérature, soit conceptuels, soit dans des modèles.
Deux types d'interactions nous intéressent tout particulièrement pour leur
rôle potentiel dans la variabilité de l'Atlantique Nord, l'influence
réciproque du vent et des tourbillons océaniques (subtropical ou
subpolaire) et les interactions océan-vent-glace de mer dans la
mer du Groenland, que plusieurs auteurs ont mentionnées comme initiateur
potentiel de variabilité dans tout l'Atlantique Nord.
On s'attachera d'abord à reproduire les mécanismes conceptuels dans des
modèles simplifiés, puis à les étendre à des configurations plus
réalistes, le but étant de documenter la signature de ces modes pour
pouvoir la comparer aux observations.
À cette fin, une paramétrisation des vents basée sur le transport de
quantité de mouvement par instabilité barocline (Green 1970) est en
cours de développement pour le modèle atmosphérique simplifié
mentionné précédemment.
Couplé à un modèle océanique à une couche, ce type de modèle
génère des oscillations décennales (Cessi 1999), sans que le mécanisme
soit encore trés clair. Néanmoins, ce mécanisme pourrait s'appliquer
au type de variabilité décrit par Latif et Barnett (1994).
Finalement, en collaboration avec des spécialistes de la modélisation de
la glace de mer, on cherchera à déterminer l'influence de la glace sur la
stabilité et la variabilité de la circulation océanique (Lohmann et
Gerdes 1998). Principalement on comparera la variabilité des modèles
océan-atmosphère simplifiés incluant ou n'incluant pas la glace de mer,
et on essaiera de rationnaliser ces résultats de manière conceptuelle.
1 chercheur CNRS à 70%
(éventuellement étudiant de DEA et/ou thèse)
Moyens demandés :
- frais de déplacements pour les réunions du groupe,
3 par ans, soit environ 8000 FF
- matériel spécifique pour les calculs de stabilité linéaire qui
requièrent énormément de mémoire (PC Pentium III 2 processeurs
600 MHz 512 Mo, équipé de Matlab, environ 22 000 FF)
-
L. Terray et C. Cassou, CERFACS : analyse de stabilité de la circulation
océanique dans les modèlisation globales couplées et océaniques
seulement réalisées au CERFACS.
-
G. Madec, LODYC : analyse de stabilité de la circulation océanique dans
une simulation OPA forcé par des flux de chaleur constants, diagnostiqués
après une simulation sous conditions de relaxation.
-
G. Vallis et S. Smith, GFDL : calcul de stabilité pour des dynamiques
d'ordre supérieur à l'approximation quasi-géostrophique
(Large Scale Geostrophic, Smith et Vallis 1999 ;
Frontal Geostrophic Dynamics, Cushman-Roisin 1986).
-
T. Delworth, GFDL : comparaison de la variabilité dans les modèles
couplés et les modèles d'océan seulement (modèle "R30" du GFDL).
-
M. Visbeck et G. Krahmann, Lamont Doherty Earth Observatory, Columbia
University : Étude de stabilité dans un modèle océanique réaliste
de l'Atlantique Nord couplé à un modèle de couche de mélange
atmosphérique (Seager et al. 1995), qui produit de la variabilité
décennale.
-
K. Lygre et H. Drange, Nansen Center, Norvège (financement demandé dans
le cadre du Programme d'Actions Intégrées Aurora 2000) : Influence de la
glace de mer sur la stabilité de la circulation océanique.
-
B. Tremblay, LDEO, Columbia University : Modes de variabilité climatique
dus au couplage glace de mer - vent avec des modèles atmosphériques
simplifiés.
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Bilan 1999 et proposition 2000 pour le PNDEC
Variabilité climatique engendrée par la circulation océanique
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The translation was initiated by Thierry Huck on 1999-10-20
Thierry Huck
1999-10-20