Une part importante de l’énergie cinétique de l’océan est apportée par les vents à sa surface. La représentation des conditions atmosphériques de surface dans les modèles d’océan est par conséquent un véritable enjeu pour améliorer la qualité des simulations numériques océaniques.
A fine échelle, l’océan module les flux de de quantité de mouvement et de chaleur échangés entre les deux milieux, ce qui entraîne des changements à plus grande échelle de la circulation océanique et atmosphérique. Ces interactions peuvent être représentées par des modèles couplés océan-atmosphère à haute résolution, mais leur complexité et leur coût de calcul élevé rend leur utilisation difficile pour les systèmes de prévision actuels de l’océan.
Dans cette thèse, l’approche proposée par Lemarié et. al. (2020) est explorée pour représenter les mécanismes de couplage air-mer à fine échelle dans les modèles d’océan. Elle consiste à coupler un modèle de couche limite atmosphérique (le modèle ABL1D) au modèle d’océan NEMO. Ce modèle représente les processus atmosphériques pertinents aux interactions air-mer. Son originalité réside également dans la méthode de guidage géostrophique utilisée pour contraindre le gradient de pression de grande échelle issu d’une prévision ou d’une réanalyse atmosphérique.
Des simulations couplées entre le modèle d’océan NEMO et le modèle d’atmosphère Meso-NH sont utilisées comme références et comme forçage du modèle ABL1D. Les simulations réalisées couvrent la zone IBI (Iberian-Biscay-Ireland) dans l’Atlantique Nord-Est.
La comparaison de ces simulations aux simulations couplées NEMO–ABL1D (ou ABL1D seule) permet d’évaluer le réalisme et les limitations du modèle de couche limite. Le vent, la température et l’humidité simulés par le modèle ABL1D sont en bon accord avec le modèle Meso-NH grâce aux contraintes dynamiques et thermodynamiques qui lui sont imposées (guide géostrophique et rappel newtonien des traceurs). Néanmoins, nous montrons que ces contraintes ne permettent pas de compenser totalement les processus non-résolus dans la couche limite, en particulier la convection peu profonde et l’advection.
Nous montrons ensuite la capacité du système couplé NEMO-ABL1D à représenter les coefficients de couplage thermique et dynamique qui attestent d’un ajustement des vents dans la CLA aux anomalies de SST et de courant réaliste à méso-échelle.
Enfin, nous montrons à l’aide du bilan de l’énergie cinétique océanique que l’effet du couplage dynamique sur l’énergie cinétique est significatif jusqu’à 1500 m de profondeur. Dans la couche superficielle (0-300 m), cette réduction est principalement liée à une diminution du travail du vent sur l’océan. En profondeur (300-2000 m), l’affaiblissement du terme de conversion d’énergie potentielle en énergie cinétique explique la réduction de l’énergie cinétique. Cet affaiblissement est dû à la modification du pompage d’Ekman induite par le couplage des vents et des courants.
Enfin, cette thèse vise à montrer que notre approche de couplage simplifiée est une alternative prometteuse pour représenter l’effet du couplage océan-atmosphère à méso-échelle. |
A large part of the ocean kinetic energy is brought by surface winds. The representation of atmospheric surface conditions in ocean models is therefore a real challenge to improve the quality of numerical ocean simulations.
At fine scales, the ocean modulates the momentum and heat fluxes exchanged between both environments, leading to larger scale changes in ocean and atmospheric circulations. These interactions can be represented by high resolution coupled ocean - atmosphere models, but their complexity and their high computational cost make them difficult to use for current ocean forecasting systems.
In this thesis, the approach proposed by Lemarié et al. (2020) is explored to represent fine scale air - sea coupling mechanisms in ocean models. It consists in coupling an atmospheric boundary layer model (ABL1D) and the NEMO ocean model. ABL1D represents the atmospheric processes relevant to air - sea interactions. Its originality also lies in the geostrophic guidance method used to constrain the large-scale pressure gradient derived from an atmospheric forecast or reanalysis.
Coupled simulations between the NEMO ocean model and the Meso-NH atmospheric model are used as references and as a forcing for ABL1D model. The simulations presented cover the IBI (Iberian-Biscay-Ireland) area in the North East Atlantic.
Comparing these simulations to the coupled NEMO-ABL1D simulations allows us to assess the realism and limitations of the ABL1D model. The wind, temperature and humidity simulated by the ABL1D model are in agreement with the Meso-NH model thanks to the dynamic and thermodynamic constraints imposed on ABL1D (geostrophic guide and Newtonian relaxation on tracers). However, we show that these constraints do not fully compensate for unresolved processes in the boundary layer, such as shallow convection or advection.
We then show the ability of the NEMO - ABL1D coupled system to represent the thermal and dynamic coupling coefficients that attest to a realistic mesoscale adjustment of winds adjustment to Sea Surface Temperature (SST) and surface current anomalies.
Finally, by using an ocean kinetic energy budget, we show that the effect of dynamic coupling on kinetic energy is significant down to 1500 meters depth. In the surface layer (0-300 m), this reduction is mainly related to a decrease in the work of the wind at the ocean surface. At depth (300 - 2000m), the weakening of the potential to kinetic energy conversion term explains the reduction in kinetic energy. This weakening is due to the modification of Ekman pumping induced by the coupling of currents and winds.
Finally, this thesis aims at showing that our simplified coupling approach is a promising alternative to represent the effect of ocean-atmosphere coupling at mesoscale. |