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Regional models

Par ecola — Dernière modification 26/08/2014 22:02

Développement de la modélisation régionale océanique et atmosphérique

nested ROMS TIW 

Participants: Patrick Marchesiello, Gildas Cambon, Laurent Debreu, Pierrick Penven, Jerome Lefevre

En 2008, les principaux développeurs français en modélisation océanique issus des instituts concernés (INRIA, IRD, CNRS, Ifremer, SHOM) ont participé à une première réunion nationale (Coordinateur : L. Debreu, Autran, Octobre 2008). Un objectif de cette réunion était de fédérer nos efforts et viser un projet commun sur la base d’une plateforme de modélisation. Dans cet effort, le modèle régional ROMS, dont la branche française est développée à l’IRD (en collaboration avec l’INRIA) et basée au LEGOS, joue un rôle essentiel. Le premier attrait du modèle, commun aux trois versions, est la sophistication de son coeur dynamique basé sur des schémas numériques d'ordre élevé visant la minimisation des effets de dispersion et diffusion numériques, avec un soin particulier pour la diffusion diapycnale. Ensuite, la version IRD de ROMS utilise la bibliothèque AGRIF pour un nesting 2-way performant au niveau des modes rapides de la circulation (figure ci-dessus). Finalement, notre stratégie encourage l’aspect « logiciel libre » du modèle, c’est-à-dire qu’un gros effort est fait pour maintenir une version communautaire facile d’accès et d’utilisation qui  se nourrit de l’apport de chacun pour mieux servir en retour l’ensemble de la communauté. Cette stratégie nous amène aujourd’hui à une communauté de plusieurs centaines d'utilisateurs répartis dans le monde dont une grande partie dans les pays du sud. C’est donc aussi une approche très compatible également avec nos missions de recherche pour le développement.

Méthodes numériques

 Le développement des schémas numériques en différences finies dans les modèles de nouvelle génération est orienté vers le compromis entre leur précision et leur coût. Sanderson (1998) est l’auteur d’un article qui aujourd’hui fait référence: «order and resolution for computational ocean dynamics». Dans cet article, il démontre que l’ordre de précision optimale théorique des schémas de discrétisation d’un modèle tridimensionnel de l’océan est le 5ème ordre. Cette nouvelle loi de la modélisation explique l’utilisation croissante en modélisation océanique et atmosphérique des méthodes de discrétisation d’ordre intermédiaire. Les modèles régionaux ROMS et WRF en sont les meilleurs exemples pour l’océan et l’atmosphère respectivement. Cela a donc posé une limite au développement des méthodes en différences finies, et les raffinements à venir seront d’avantage attendus dans la fonctionnalité (orientation de la diffusion numérique par exemple) que dans l’ordre formel des schémas, ainsi que dans le développement des paramétrisations physiques et des couplages entre les différents milieux, notamment les interactions air/vagues/océan.

Resolution effective

Un aspect des méthodes numériques qui nous intéresse particulièrement concerne l'évaluation des mécanismes de dissipation dans le contexte de l'ordre des schémas numériques, de la cascade turbulente et de la modélisation submésoéchelle. L'objectif est de faire avancer la connaissance fondamentale des processus de dissipation numérique, de définir la résolution effective des modèles en fonction des schémas utilisés (et donc de guider les utilisateurs de modèles notamment dans les études de la turbulence océanique) et de contribuer à la conception des modèles de future génération. suivre ce lien ...

Traitement de la topographie

Un aspect numérique qui reste problématique dans les modèles régionaux est lié au traitement de la topographie. En coordonnées sigma (qui épouse le fond), les conditions limites de fond sont exactes et ne font l’objet d’aucune approximation due à la discrétisation, comme c’est le cas dans les modèles à coordonnée géopotentielle. Cette représentation du fond permet de s’attaquer à des problèmes très sensibles à la structure du fond marin, tels que la dynamique des courants de pente, la génération des ondes de marées internes sur le talus continental, ou encore la couche de fond océanique et l’évolution associée du substrat benthique (à l’aide de modèles particulaires couplés au modèle océanique). Nous avons montré le rôle fondamentale de la topographie sur la circulation dans plusieurs régions et à des échelles diverses (Marchesiello etal., 1998 ; Marchesiello et Middleton, 2000 ; Marchesiello et al., 2003 ; Couvelard et al., 2008), ce qui a confirmé l’intérêt des coordonnées sigma (pour peu que le schéma de gradient de pression respecte le bilan de vorticité intégré).

Mais leur application en modélisation n’est pas sans problème. Après les progrès réalisés sur le calcul du gradient de pression par plusieurs équipes, nos travaux ont récemment révélé un nouveau défi  pour la modélisation (Marchesiello et al., 2009a). Il s’agit de limiter l’effet Veronis, une quantité excessive de diffusion numérique diapycnal liée à l’utilisation des nouveaux schémas d’advection. Dans nos travaux, l’effet Veronis apparaît fortement amplifié par l’orientation des niveaux sigma qui forment un angle fort avec celle des masses d’eau. Puisque cet effet ne devient acceptable qu’à très haute résolution (< 1km),  la solution à ce problème pour des résolutions intermédiaires a été de séparer les parties advectives et diffusives du schéma d’advection de ROMS (UP3), afin de réorienter la diffusion et ainsi corriger l’effet Veronis tout en conservant les qualités du schéma de départ : faible dispersion et diffusion numérique. Cette approche a été consolidé par Lemarié et al. (2012) avec notamment un traitement implicite des flux verticaux associés à la rotation des tenseurs de diffusion, permettant une diffusion d'ordre élevé le long des surfaces isopycnales. Mais si cette technique est efficace pour les schémas linéaires (UP3), il n’en va pas de même pour les schémas monotones (type CFL ou TVD, appréciés notamment dans les applications biologiques) qui ne sont pas aussi simples à décomposer. Une réflexion en profondeur est à mener à ce niveau. Nous testons dés à présent de nouvelles idées dans ce sens, tout en affinant le nouveau schéma proposé.

Couplage océan-vagues-atmosphère

Un des développements physiques importants auquel on portera beaucoup d’attention dans les prochaines années concerne les interactions air/vagues/océan. Nous avons commencé à aborder l’interaction air/océan dans le cadre d’une application sur l’activité cyclonique dans le Pacifique Sud (Lemarié et al., 2008 ; collaboration IRD-INRIA). Nous avons utilisé le modèle atmosphérique régional WRF (Weather Research Forcast model) couplé à son pendant océanique ROMS. Contrairement aux stratégies habituellement employées (méthodes asynchrones), la méthode itérative proposée (par décomposition de Schwartz) permet d’assurer la continuité de la solution couplée à l’interface air-mer à un coût acceptable (sans recours à un couplage synchrone à très haute fréquence). Ceci est particulièrement important dans le cas des cyclones dont la violence des processus implique des échanges air-mer particulièrement rapides.

couplage ROMS WRF sur le cyclone Erica

Figure 1: Trajectoire et intensité du cyclone Erika simulé par le modèle WRF en mode (a) forcé par des températures de surface fixe et (b) couplé au modèle d’océan régional ROMS. Noter les différences d’intensité du cyclone simulé ainsi que le refroidissement de l’océan le long de la trace du cyclone.

En revanche, la formulation « bulk » usuelle des échanges air-mer que nous avons utilisé jusqu’à présent n’a pas été développée sur la base d’observations d’évènements extrêmes (vents supérieurs à 34 m/s). En effet, des observations récentes montrent qu’en présence de cyclones les vagues ont un impact considérable sur les flux de moment et de chaleur dans les couches limites océanique et atmosphérique. En particulier, si les mers jeunes (vagues de haute fréquence) peuvent augmenter la rugosité de l’océan (Doyle, 2002), éventuellement la couche formée par les bancs d’écume (« foamlayer ») altèrent les échanges en formant une couche glissante à l’interface des 2 milieux (Powell et al., 2003). De même, les embruns (« sea-spray ») semble intensifier les flux de chaleur latente et sensible. Dans ces conditions, la rugosité de surface habituellement déduite de la formulation de Charnock dans les formules bulk usuelles, n’est pas adaptée au calcul des flux entre les deux media. Cela peut induire une erreur importante sur le calcul de la dissipation des cyclones d’une part, et sur celui du transfert d’enthalpie qui est directement lié à l’intensité du cyclone. Dans le cadre de la thèse de Swen Jullien, nous proposons donc d'analyser l'impact de ces différents processus d'interaction sur l'activité cyclonique du Pacifique Sud, sur la base de simulations longues permettant une réelle pertinence statistique.

 Nous proposons également de poursuivre l'implémentation des interactions vagues-courant de McWilliams et al. (2004). Outre l’importance de ces interactions pour l'évaluation de la dynamique couplée OA, les paramétrisations du transfert de moment et de masse des vagues vers les courants permettront aussi d’aborder les problèmes de vulnérabilité du littoral face aux vagues engendrés par les évènements violents. A terme, c’est un véritable couplage à trois niveaux : air/vagues/océan que l’on visera. A coté de nos coupleurs "maisons", nous utilisons le coupleur générique OASIS progressivement implementé sur les modèles communautaires  (WRF pour l’atmosphère ; Wavewatch pour les vagues).

Références:

  •  Lemarié F., 2009 : Algorithmes de Schwarz et couplage océan-atmosphère. Thèse de l’Université Joseph Fourier, Grenoble, France.
  • Marchesiello P. L. Debreu and X. Couvelard, 2009: Spurious diapycnal mixing in terrain-following coordinate models: the problem and a solution. Ocean Modelling, 26, 156-169.
  • Marchesiello, P., J.C. McWilliams, and A. Shchepetkin, 2001: Open boundary conditions for long-term integration of regional oceanic models. Ocean Modelling, 3, 1-20.
  • Penven P., L. Debreu, P. Marchesiello, and J.C. McWilliams, 2006: Evaluation and application of the ROMS 1-way embedding procedure to the central california upwelling system. Ocean Modelling, 12, 157-187.
  • Penven P., P. Marchesiello, L. Debreu, and J. Lefevre, 2008: Software tools for pre- and post-processing of oceanic regional simulations. Environ. Model. Softw., 23, 660-662.
  • Sanderson, B. G., 1998: Order and resolution for computational ocean dynamics. J. Phys. Oceanogr., 28, 1271–1286.
  • Shchepetkin, A., and J.C. McWilliams, 2005: The Regional Oceanic Modeling System: A split-explicit, free-surface, topography-following-coordinate ocean model. Ocean Modelling, 9, 347-404.
  • Shchepetkin, A.F., and J.C. McWilliams, 2003: A method for computing horizontal pressure-gradient force in an ocean model with a non-aligned vertical coordinate. J. Geophys. Res., 108, C3, 3090.
  • Skamarock, W. C., J. B. Klemp, 2007: A Time-Split Nonhydrostatic Atmospheric Model for Research and NWP Applications.  J. Comp. Phys. special issue on environmental modeling.

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