Etude de la circulation océanique au Nord de la Nouvelle-Guinée avec ROMS

OPB205 : Modélisation 3D océaniqueMaster 1 Sciences de la Mer

Fabregas Anaïs13 Mai 2019

2

Présentation de la zone d’étude

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

https://www.google.com/maps/place/New+Guinea/

Présentation de la zone d’étude• Variations saisonnières

➢ Du vent (mousson)

3

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

https://www.google.com/maps/place/New+Guinea/

Présentation de la zone d’étude

4

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Variations saisonnières➢ Du vent

➢ Des courants

Prentice & Hope, 2006

Présentation de la zone d’étude

5

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Variations saisonnières➢ Du vent

➢ Des courants

Prentice & Hope, 2006

Caractéristiques du modèle

6

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

➢ Navier-Stokes 𝛿𝑢

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑢 − 𝑓𝑣 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑥+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑢 + 𝐴𝜈𝛿2𝑢

𝛿𝑧2

𝛿𝑣

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑣 + 𝑓𝑢 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑦+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑣 + 𝐴𝜈𝛿2𝑣

𝛿𝑧2

➢ Hydrostatique 𝛿𝑃

𝛿𝑧+ 𝜌𝑔 = 0

Caractéristiques du modèle

7

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

➢ Navier-Stokes 𝛿𝑢

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑢 − 𝑓𝑣 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑥+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑢 + 𝐴𝜈𝛿2𝑢

𝛿𝑧2

𝛿𝑣

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑣 + 𝑓𝑢 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑦+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑣 + 𝐴𝜈𝛿2𝑣

𝛿𝑧2

➢ Hydrostatique 𝛿𝑃

𝛿𝑧+ 𝜌𝑔 = 0

➢ Continuité (incompressible) 𝛿𝑢

𝛿𝑥+

𝛿𝑣

𝛿𝑦+

𝛿𝑤

𝛿𝑧= 0

Caractéristiques du modèle

8

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

➢ Navier-Stokes 𝛿𝑢

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑢 − 𝑓𝑣 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑥+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑢 + 𝐴𝜈𝛿2𝑢

𝛿𝑧2

𝛿𝑣

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑣 + 𝑓𝑢 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑦+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑣 + 𝐴𝜈𝛿2𝑣

𝛿𝑧2

➢ Hydrostatique 𝛿𝑃

𝛿𝑧+ 𝜌𝑔 = 0

➢ Continuité (incompressible) 𝛿𝑢

𝛿𝑥+

𝛿𝑣

𝛿𝑦+

𝛿𝑤

𝛿𝑧= 0

➢ Conservation de la chaleur 𝛿𝑇

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑇 = 𝐾ℎ𝛻ℎ

2𝑇 + 𝐾𝜈𝛿2𝑇

𝛿𝑧2

du sel𝛿𝑆

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑆 = 𝐾ℎ𝛻ℎ

2𝑆 + 𝐾𝜈𝛿2𝑆

𝛿𝑧2

Caractéristiques du modèle

9

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

➢ Navier-Stokes 𝛿𝑢

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑢 − 𝑓𝑣 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑥+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑢 + 𝐴𝜈𝛿2𝑢

𝛿𝑧2

𝛿𝑣

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑣 + 𝑓𝑢 =

−1

𝜌

𝛿𝑃

𝛿𝑦+ 𝐴ℎ𝛻ℎ

2𝑣 + 𝐴𝜈𝛿2𝑣

𝛿𝑧2

➢ Hydrostatique 𝛿𝑃

𝛿𝑧+ 𝜌𝑔 = 0

➢ Continuité (incompressible) 𝛿𝑢

𝛿𝑥+

𝛿𝑣

𝛿𝑦+

𝛿𝑤

𝛿𝑧= 0

➢ Conservation de la chaleur 𝛿𝑇

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑇 = 𝐾ℎ𝛻ℎ

2𝑇 + 𝐾𝜈𝛿2𝑇

𝛿𝑧2

du sel𝛿𝑆

𝛿𝑡+ Ԧ𝑣. 𝛻𝑆 = 𝐾ℎ𝛻ℎ

2𝑆 + 𝐾𝜈𝛿2𝑆

𝛿𝑧2

➢ Equation d’état 𝜌 = 𝜌(𝑆, 𝑇, 𝑃)

10

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

• Conditions limites et initiales➢ Données de WOA

➢ Salinité et Température

➢ Méthode dynamique pour estimer 𝑉

Caractéristiques du modèle

11

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

• Conditions limites et initiales

• Forçages en surface➢ Données de COADS

➢ Vent, Apport d’eau douce, SST, SSS, Radiation solaire

Caractéristiques du modèle

12

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

• Conditions limites et initiales

• Forçages en surface

• Grille➢ Arakawa C sur l’horizontale

➢ Sigma généralisée sur la verticale

Caractéristiques du modèle

13

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

• Conditions limites et initiales

• Forçages en surface

• Grille

• Pas de temps Δ𝑡➢ Critère CFL

Caractéristiques du modèle

14

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Equations Primitives

• Conditions limites et initiales

• Forçages en surface

• Grille

• Pas de temps Δ𝑡➢ Critère CFL

➢ Time-splitting

Caractéristiques du modèle

Implémentation en Nouvelle-Guinée

15

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Détermination de la zone➢ Lon [121 ; 163]° Est

➢ Lat [-12 ; 14]° Nord

➢ 32 niveaux verticaux

➢ Résolution 1/3°

Implémentation en Nouvelle-Guinée

16

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Détermination de la zone

• Pas d’espace➢ Dx = Dy = 37 km

Implémentation en Nouvelle-Guinée

17

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Détermination de la zone

• Pas d’espace

• Pas de temps➢ Δ𝑡 externe = 60 sec

➢ Δ𝑡 interne = 3600 sec = 1 h

Implémentation en Nouvelle-Guinée

18

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Détermination de la zone

• Pas d’espace

• Pas de temps

• Pre-processing avec Matlab 2012a➢ Création de la grille avec 4 frontières ouvertes

➢ Calcul des conditions initiales, limites, des forcages

Résultats

19

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Simulation sur 10 ans de 12 mois

• Diagnostic tools

Résultats

20

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Temps (années) Temps (années)

Diagnostic tools

Résultats

21

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Temps (années) Temps (années)

Diagnostic tools➢Stabilisation du modèle après 1-2 ans

Résultats

22

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Temps (années) Temps (années)

Diagnostic tools➢Stabilisation du modèle après 1-2 ans

➢Salinité augmente jusqu’à 4-5 ans

Résultats

23

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Temps (années) Temps (années)

Diagnostic tools➢Stabilisation du modèle après 1-2 ans

➢Salinité augmente jusqu’à 4-5 ans

➢Etude de l’année 8

New Guinea Coastal Current NGCC

● Mesures in situ➢ Courant de surface

➢ Inversion saisonnière due aux vents (Wyrtki, 1961)

24

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

NGCC dans le modèle

25

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Juillet (saison SE)

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Vitesse zonale (m/s)

120°E 136°E 144°E 152°E 160°E

10°N

5°N

0°

5°S

10°S

NGCC dans le modèle

26

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Juillet (saison SE)

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Vitesse zonale (m/s)

120°E 136°E 144°E 152°E 160°E

10°N

5°N

0°

5°S

10°S

• Courant NW tel qu’attendu

NGCC dans le modèle

27

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

NECC

Janvier (saison NW)

10°N

5°N

0°

5°S

10°S

120°E 136°E 144°E 152°E 160°E

Vitesse zonale (m/s)-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

NGCC dans le modèle

28

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

NECC

Janvier (saison NW)

10°N

5°N

0°

5°S

10°S

120°E 136°E 144°E 152°E 160°E

Vitesse zonale (m/s)-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

• Pas d’inversion, NGCC absent

New Guinea Coastal Undercurrent NGCUC

● Mesures in situ➢ Courant vers l’Ouest toute l’année

➢ Vitesse principale à -200 m

➢ Affaiblissement durant la saison NW (Kuroda, 2000)

29

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

New Guinea Coastal Undercurrent NGCUC

● Mesures in situ

● NGCUC dans le modèle:➢ Sections verticales pour observer les courants en profondeur

30

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

New Guinea Coastal Undercurrent NGCUC

● Mesures in situ

● NGCUC dans le modèle:➢ Sections verticales pour observer les courants en profondeur

31

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Janvier (saison NW)Juillet (saison SE)

W EW E

NGCUC dans le modèle

32

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Juillet (saison SE)

Profondeur (m)

-200

-400

-600

-800

-1000

-1200

-1400

-1600

Vitesse (m/s)

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Position le long du transect (km)

W E

NGCUC dans le modèle

33

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Juillet (saison SE)

Vitesse (m/s)

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

• Diffus: Vitesse max 0.7 m/s• Profond et épais (150 à 400m)

Profondeur (m)

-200

-400

-600

-800

-1000

-1200

-1400

-1600

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Position le long du transect (km)

W E

NGCUC dans le modèle

34

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Janvier (saison NW)

Vitesse (m/s)1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Profondeur (m)

-200

-400

-600

-800

-1000

-1200

-1400

-1600

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Position le long du transect (km)

W E

NGCUC dans le modèle

35

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Janvier (saison NW)

Vitesse (m/s)1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Position le long du transect (km)

Profondeur (m)

-200

-400

-600

-800

-1000

-1200

-1400

-1600

W E

• Intense: Vitesse max 1 m/s• Concentré entre 80 et 200m

Conclusion

36

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Modèle stable

Conclusion

37

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Modèle stable

• Modèle validé➢ Variation saisonnière du NGCC

➢ NGCUC observable à l’année

Conclusion

38

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Modèle stable

• Modèle validé

• Points discutables➢ Inversion ou arrêt du NGCC

➢ Affaiblissement du NGCUC peu clair

Conclusion

39

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Modèle stable

• Modèle validé

• Points discutables

• Intérêt sociétal➢ Etudes récentes de la circulation profonde pour l’exploitation

minière

Bibliographie

40

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

• Coffey Natural Systems. 2008. Solwara 1 Project Environmental Impact Statement. Retrieved from: http://www.nautilusminerals.com/irm/content/pdf/environment-reports/Appendices%201-3.pdf

• Kuroda, Y. (2000). Variability of Currents off the Northern Coast of New Guinea. Journal of Oceanography, 56(1), pp.103-116.

• Large, W., McWilliams, J., & Doney, S. (1994). Oceanic vertical mixing: A review and a model with a nonlocal boundary layer parameterization. Reviews Of Geophysics, 32(4), 363. doi: 10.1029/94rg01872.

• Penven P., Cambon G., Tan T., Marchesiello P., Debreu L. (2010). ROMS AGRIF / ROMSTOOLS User’s Guide. Retrieved from ftp://ftp.legos.obs-mip.fr/pub/romsagrif/DATA_ROMS/user_manual/doc_roms_agrif_v2.1_19_07_2010.pdf

• Prentice, M. L. & Hope, G. (2006). Climate of Papua. Retrieved from: https://www.researchgate.net/publication/230892232_Climate_of_Papua

• Wyrtki, K. (1961). Physical oceanography of the Southeast Asian waters. La Jolla, Calif.: University of California, Scripps Institution of Oceanography. pp.22-24. Retrieved from : https://escholarship.org/uc/item/49n9x3t4

Intertropical Convergence Zone

41

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

https://scied.ucar.edu/docs/why-monsoons-happen

Calcul du critère CFL 1/3

42

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Smallest latitudinal cell Dx min (km) 35.9280

Largest latitudinal cell Dx max (km) 37.0442

Smallest longitudinal cell Dy min (km) 36.0031

Largest longitudinal cell Dy max (km) 37.0441

Number of latitudinal cells LLm 125

Number of longitudinal cells MMm 78

Maximum depth Hmax (m) 5000

Calcul du critère CFL 2/3

43

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

NDTFAST (sec) 60 External time step Δ𝑡e = Δ𝑡i / NDTFAST

dt[sec] or DTI (sec) 3600 Internal time step of one hour,

24 daily iterations

NTIMES (h) 720 Length of simulation, number of

hours in 30 days

= 30j x 86400s / DTI

NRST (h) 720 Restart file created at the end

of each month (roms_rst.nc)

=NTIMES

NWRT and NAVG (h) 72 Data saved every 3 days =3j x 86400s / DTI (si on veut

sauvegarder tous les 3j)

Calcul du critère CFL 3/3

44

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Δ𝑡 ≤1

𝑐∗ [

1

Δ𝑥2+

1

Δ𝑦2](−12)

• Δ𝑡 externe court :➢ Processus 2D

➢ Barotrope, SSH

➢ Shallow water

• Δ𝑡 interne long :➢ Processus 3D

➢ Barocline, T, S

➢ Equations primitives

Courants régionaux

45

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Coffey Natural Systems, 2008

Vents in situ vs. forcing

46

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Kuroda, 2000

NGCUC vers l’Ouest

47

Introduction Méthodes Résultats Analyse Conclusion Questions

Juillet (saison SE) Janvier (saison NW)

210 m de profondeur