Mercator Ocean newsletter 01

La lettre trimestrielle de MERCATOR

numéro 1 - Avril 2001

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EditoLe 17 janvier 2001, MERCATOR a franchi une étape importante avec la publication du premier bulletin opérationnel. Ainsi, chaque semaine, plus de 700 produits graphiques sont disponibles en ligne, décrivant l'océan, de la surface jusqu'au fond, sur toute la zone sélectionnée, avec une continuité dans l'espace et dans le temps. Ces bulletins PSY-1 version1, bénéficient d'une validation scientifique et technique constante, avec la volonté d'améliorer en permanence leur qualité. Pour vous faire découvrir cette "cuisine interne" à l'origine des bulletins MERCATOR, nous vous proposons chaque trimestre "La lettre trimestrielle de MERCATOR". L'occasion de faire le point sur les événements qui marquent le projet et d'apporter un éclairage spécifique sur certains points. La première lettre annonce le printemps : extinction de "voix" pour ERS-2 durant 3 semaines, un étrange mélange au goût MERCATOR, bilan sur la convection hivernale, découverte du delta de l'Amazone, pour finir avec la campagne "POMME".

Sommaire

- 1 - L'extinction d'ERS-2 - 2 - Bizarre, le mélange ? - 3 - La devinette - 4 - La convection hivernale - 5 - Amazone.cône - 6 - La campagne Pomme

Bonne lecture !

L'extinction d'ERS-2

Peu après le premier bulletin MERCATOR du 17-1-2001, ERS-2 a cessé de fournir des observations pendant plus de trois semaines.

Cet arrêt fût temporaire comme le montre le nombre d'observations satellitales utilisées par le système d'analyse-prévision PSY1-v1 de MERCATOR (diagramme issu du bulletin technique d'assimilation). Mais quel a été l'impact sur les analyses MERCATOR ? Les tourbillons se sont-ils "vidés de leur énergie"? Pour mémoire, l'arrêt d'ERS-1 fin 1993 a vu croître considérablement les scores rms de prévision à 7 jours mesurés par TOPEX/POSEIDON :

Cette augmentation peut être en partie liée à l'utilisation des forçages analysés du centre européen à partir de 1994, la réanalyse ERA-15 étant utilisée en 1993. Toutefois, le début d'ERS-2 en mars 1995, marque une nette amélioration sur les scores TOPEX/POSEIDON. Si ERS a eu un impact positif sur le système d'assimilation dans le passé, Il est légitime de penser que le trou de février 2001 pourrait être dommageable aux analyses et aux prévisions. Si l'on compare la déviation standard des analyses de niveau de la mer (SSH) sur la période sans observation ERS-2 (~février 2001, gauche) et la même période de 2000 (droite), on constate que la réponse est nuancée.


no 1 - Avril 2001 p2

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L'extinction d'ERS-2(suite)

Une réponse nuancée

Ainsi, la variabilité de SSH est supérieure en 2001 dans la région tropicale. A l'opposé, dans le Golfe du Mexique et au voisinage du Gulf Stream, la variabilité est moindre en 2001.

Le trou en 2001 d'ERS-2 ne se traduit donc pas de façon criante en terme de variabilité. Cela montre que ce trou de quelques semaines d'ERS-2 n'engendre pas de révolution dans les analyses de PSY1-v1. Dans la suite, nous allons étudier plus en détail l'impact sur la mésoéchelle.

L'impact d'ERS-2 est plus clair dans la région du Gulf Stream sur la SSH analysée comme le montre la comparaison entre la SSH du 28-2-2001 (ci-dessous, haut) avec celle du 23-2-2000 (ci-dessous, bas) :

On voit que les structures sont plus grossières en 2001 sans ERS-2. On vérifie aux autres dates que cet exemple est tout à fait typique du "trou ERS-2" : des structures moins fines et moins d'énergie aux petites échelles.

Immédiatement, on songe que ceci va être aussi dommageable dans la région Pomme. Heureusement, la variabilité de SSH y est moindre et le manque des observations ERS-2 est y moins sensible comme on peut le voir sur les scores de prévisions à 7 jours qui restent stationnaires :

Ceci se vérifie sur deux cartes de dates voisines en 2000 (gauche) et 2001 (droite) :

Pour conclure

Le trou d'ERS-2 fût assez court pour que l'impact négatif sur les analyses et les prévisions reste limité. L'impact le plus net concerne les régions d'intense variabilité mésoéchelle. Dans une région comme le Gulf-Stream, on retrouve que 2 satellites sont préférables pour un bon rendu des structures mésoéchelles. Ceci est particulièrement sensible en temps réel où les observations satellitales de SSH les plus récentes datent généralement de 72h (J-3) : avec un seul satellite, la couverture altimétrique de la semaine en cours devient partielle, et les espaces inter-traces excèdent les dimensions caractéristiques de la mésoéchelle.



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Bizarre, le mélange ?

Certains d'entre vous nous ont signalé des anomalies concernant la profondeur de la couche de mélange (MXLB) qui est présentée dans les bulletins océaniques prévisionnels. En général, l'étonnement concerne des zones où la MXLB est faible, au milieu d'une région où la même MXLB est nettement plus profonde. De plus, ces zones peu stratifiées ont des formes "bizarres", comme par exemple sur l'analyse du 7-3-2001entre l'Irlande et le Groenland, ou sur la prévision à deux semaines du 7-2-2001 au Nord-Ouest de la Galice :

Quel est donc la nature de ce phénomène pour le moins bizarre?

La notion de couche de mélange ne repose par sur une définition unique Si l'on s'intéresse aux masses d'eau (formation d'eau profonde, circulation thermohaline), on utilisera plutôt une définition de la couche de mélange construite avec un critère absolu sur la densité. Une fois définies les classes de densité que l'on veut suivre, ce critère permet de bien suivre les bilans de masses. Si l'on s'intéresse à la dynamique de la couche de mélange (convection, re-stratification), on utilisera plutôt une définition basée sur un critère relatif sur le gradient vertical de densité. Ce critère permet de suivre le processus de la couche de mélange, de façon indépendante des masses d'eau. Noter qu'il existe aussi des définitions basées sur le niveau de turbulence verticale... La MXLB qui est présentée dans les bulletins est du second type, et sa définition précise est donnée dans les pages d'information du site MERCATOR. Ce critère qui permet de suivre jour par jour la structure de la couche de mélange est utilisé dans l'assimilation pour distinguer les processus qui relèvent de la dynamique de la couche de mélange de ceux qui relèvent de la circulation générale.

Si l'on revient à l'exemple le plus bizarre, à savoir la langue d'eau zonale au large de la Galice, et que l'on creuse le sujet à l'aide de la section 9 "New York-Brest" qui traverse la zone vers 25°O-45°N, on s'aperçoit que la langue d'eau se distingue par une faible salinité de surface :



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Bizarre, le mélange ?(suite)

L'origine de l'eau douce

Cette eau douce trouve son origine dans le flux d'eau douce imposé à la surface du modèle :

Cette situation où les précipitations analysées ou prévues marquent nettement la MXLB représente la plupart des cas que nous avons étudiés. Les autres cas sont dus à un rayonnement solaire important (ciel clair et situation de bloquage).

Le plus souvent, les fronts atmosphériques ne donnent pas lieu à un impact aussi net sur la MXLB, la circulation océanique de surface brassant les eaux pendant le passage du front. Cependant, l'exemple étudié a la particularité de présenter des courants de surface ayant une structure surtout zonale qui coïncide avec la zone de précipitation (ci-dessus). C'est la conjonction de ces deux phénomènes qui explique donc ce mélange pas si bizarre que ça...

La devinette

Si le diagnostic de MXLB prend parfois des formes bizarres, il en est de même pour les courants (tourbillons), les ondes tropicales (damier), les upwellings côtiers (filaments)... Voici une image issue des bulletins MERCATOR de ce premier trimestre. Il s'agit bien sûr de reconnaître le phénomène océanique représenté. En l'occurence, il ne s'agit pas d'une guitare usagée de Jimi Hendrix, ni d'une peinture méconnue de Jackson Pollack, ni même d'un coulis de tomate au fond d'un verre. Alors?

REPONSE



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La convection hivernale

L'hiver est fini est il est possible de faire un premier bilan de la convection hivernale. Voici en introduction un panorama du contexte dynamique de janvier-février-mars (JFM) de ces 3 dernières années (successivement 99-00-01) :

Ces cartes présentent le niveau de la mer (SSH) analysé (Topex/Poseidon+ERS-2) de MERCATOR moyenné sur JFM de 1999, 2000 et 2001 et réfèrencé avec JFM de 1993-95. On y constate un affaiblissement de la gyre subpolaire (SG). En 1999 et 2001, ceci va de pair avec un affaiblissement de la partie nord de la gyre subtropicale (~38°N-48°N). Dans ces conditions, quelle a été la convection? Pour cerner ce phénomène chaotique car régulier ou intermittent, superficiel ou profond, nous commençons par étudier un diagnostic de couche de mélange.



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La convection hivernale(suite)

Plus précisément, il s'agit de la profondeur maximale de la base de la couche de mélange (MXLB) prévue par le modèle (forçages du Centre Européen), et ceci pour 1993-95, 1999, 2000 et 2001. On voit que la convection est nettement moins intense en 99-01. On peut aussi noter que l'intensité varie avec les zones de formation d'eau profonde (DWF) :

Ainsi 2001 ressemble à 2000 sauf la zone 1. Si la convection a été moins intense ces dernières années, quelle en a été la régularité?

1 - Mer d'Irminger 2 - Rockall-Feröe 3 - Mer du Labrador 4 - Canal Imarssuak 5 - Bassin du Labrador

37°O-61°N 12°O-59°N 53°O-58°N 43°O-57°N 45°O-54°N

Les séries temporelles de MXLB dans les 5 zones de DWF montrent un comportement analogue dans les zones 2 et 5. En revanche les autres zones sont bien différentes. Ainsi, les zones 1 et 4 présentent en 99-01 une convection beaucoup plus progressive qu'en 93-95. On'en imagine bien que la quantité de masse d'eau profonde a été faible. La zone 3 présente en 2001 une convection analogue à 1995. Si l'on regarde les séries temporelles de température et salinité dans la zone 1 (ci-dessous), on voit que la convection a atteint son maximum mi mars. Mais il a manqué peu de chose pour détruire la thermocline et permettre la DWF.



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La convection hivernale(fin)

Conclusion

Voici la température analyséeà 1000m sur JFM de 93-95 et 2001 :

Si l'on en croit ces analyses, l'impact de la faible convectiondes dernières années se traduit bien par un réchauffementen profondeur. Ceci est cohérent avec l'affaiblissement de la SG déduit de la SSH. Le maintien de la convection au sud des Feröe participe à une situation encore inchangée au bas du plateaucontinental européen.

Amazone.cône

Le cône formé par le delta de l'Amazone est une région très particulière de l'Atlantique. Située au voisinage de l'ITCZ (zone de convergence inter-tropicale), elle est sujète à de fortes précipitation et subit le fort débit du fleuve (on peut d'ailleurs le mesurer avec TOOPEX/POSEIDON).

Les marées qui sont amplifiées par la forme et la profondeur du delta, se font sentir plusieurs centaines de km en amont. Enfin le courant du nord Brésil (NBC), intense courant de bord ouest coule le long du talus. C'est donc le lieu d'un mélange permanent d'eaux claires et turbides, salées et douces.

Dans cette étude, nous analysons l'impact des traces altimétriques Topex-Poseidon et ERS2 qui sont assimilées. La première figure présente l'anomalie de niveau de la mer (SLA) prévue le 17-01-2001 :

On remarque qu'au niveau du delta, la SLA est quasiment nulle. Pourtant, la SLA obsevée par TOPEX/POSEIDON (trace 202, courbe noire) présente un signal de l'ordre de 80cm près de l'équateur, signal important qui n'est pas prévu par le modèle :



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Amazone.cône(fin)

On retrouve cette différence entre le modèleet les données le long des traces :

Ce qui particulier à cette situation, c'est que la trace 202 est la seule source d'information de la région.

Lors de l'analyse (en cyan le long de la trace 202), ce sont les structures de corrélation qui extrapolent l'information sur les points sans observations. C'est ce qu'on retrouve sous forme d'un intense tourbillon cyclonique sur la figure précédente.

Si l'on applique cette correction telle quelle dans le modèle, on va imposer une modification importante sur le NBC. Or, beaucoup de processus ne peuvent être représentés par ce modèle, en particulier la marée. Si la SLA était contaminée par du signal de marée, alors l'extrapolation de ce signal irait perturber le NBC. Pour éviter ceci dans PSY1-v1, on ne corrige pas le modèle dans les régions peu profondes et on le laisse ajuster sa dynamique aux corrections hauturières.

En conclusion

Cette étude montre qu'il faut être prudent en ce qui concerne l'assimilation des traces près des côtes et dans les zones peu profonde (< 200m). Si on veut les assimiler en zone côtières dasn un modèle de bassin, il faut leur affecter une erreur plus importante qu'en zone hauturière.

Enfin, si l'on parle souvent de utiliser le modèle de bassin pour forcer des modèles côtiers, cet exemple illustre bien la situation inverse où un modèle côtier peut avoir un impact significatif sur la circulation au large.



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La campagne POMME

De nombreux flotteurs ont été largués durant les différentes campagnes POMME. En dépit de l'extinction temporaire de ERS-2, on n'a pas résisté à l'envie de faire ici une comparaison préliminaire avec les analyses MERCATOR. Dans cette étude, nous avons choisi de mettre en regard les analyses MERCATOR et les réanalyses POMME. Les réanalyses POMME sont une combinaison des analyses SOPRANE et des observations in situ : dérives des objets dérivants de types SURDRIFT, MARVOR et PROVOR, et profils de mesures de température et de salinité.

Du côté POMME/SOPRANE, la fonction de courant à 400m est représentée. Le modèle étant "quasi-géostrophique" (QG 10 couches, 1/10°), la vitesse dérive de ce champ. Sur une courte période, on peut identifier les isolignes aux lignes de courant. Les vitesses déduites des trajectoires des flotteurs à 400m sont superposées sur les figures POMME. Seules les positions antérieures de moins d'un mois de la date d'analyse sont consevées (temps réel oblige) .

Du côté MERCATOR/PSY1-v1, l'anomalie de pression à 400m est représentée par analogie. Le modèle étant dit "aux équations primitives" (PE 43 couches, 1/3°), la vitesse ne dérive pas d'un potentiel (seule la composante barotrope en dérive). Toutefois, l'équilibre géostrophique s'applique bien dans cette région, et la pression du modèle PE est analogue à la fonction de courant du QG. On a toutefois ôté du PE un gradient de pression constant zonal et méridien (noyau de Poisson). Ceci correspond aux courants des Açores, à la dérive Nord Atlantique et au courant du Portugal qui sont différents entre le PE et QG. Le champ de vitesse présenté est la vitesse du modèle à 400m (composante barotrope et barocline).

Les trajectoires à 400m sont superposées sur les figures MERCATOR. Seules les positions éloignées de moins de 14 jours de la date d'analyse sont consevées. En fait, le mot trajectoire est à nuancer suivant les objets dérivants. Les SURDRIFTs sont des bouées "droguées" à 400m. Autrement dit, un fin cable relie l'émetteur de surface à l'ancre flottante qui est poussée par le courant à 400m. Observations et positions sont transmises chaque jour.


no 1 - Avril 2001 p10

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La campagne POMME(suite)

Les MARVORs sont des flotteurs dérivants de subsurface dont la profondeur de dérive choisie est 400dBar. A intervalles fixes (2 mois par exemple), ils remontent à la surface et transmettent l'ensemble des observations et des positions obtenues par localisation acoustique. Les PROVORs sont des profileurs dérivants de subsurface dont la profondeur de garage est 400m. Ces ludions plongent à 2000m puis remontent en surface pour transmettre l'ensemble des observations. C'est seulement à cet instant que le profileur est localisé. Après quelques traitements, on peut calculer avec une bonne précision la dérive du flotteur à la profondeur de garage.

Les trajectoires formées des positions transmises ne sont donc pas continues à 400m, voire très discontinues. Ainsi, en date du 28-3-01, la dérive observée vers 16°O-47°N ne peut pas être interprétéeen tant que vecteur vitesse, auquel cas l'analyse MERCATOR serait très mauvaise. Par contre, cette dérive correspond très bien à une ligne de courant. C'est la raison pour laquelle on a présenté les trajectoires des MARVORs et SURDRIFTs par des lignes épaisses continues, et les déplacements des PROVORs par des lignes fines discontinues. Le gris correspond à des dates situées à moins de 14 jours de part et d'autre de la date d'analyse, le blanc à moins de 7 jours. Les points indiquent les positions. Noter que l'accumulation des positions issues de différents objets permet de bien cerner certaines structures (ex: le 28-3-01 vers 18°O-39°N). La dernière position est indiquée par un triangle pour orienter les trajectoires.

Idéalement, il faudrait advecter les positions des objets dérivants dans le modèle. En pratique cela est lourd car ce devrait être fait à chaque instant si l'on veut représenter le rebroussement observé le 28-3-01 vers 23°O-47°N.

Par ailleurs, l'algorithme est différent pour chaque objet, et doit être 3D pour prendre en compte les effets de montée-descente ou de trainée : la seule advection à 400m n'est certainement pas valide à 100% pour modéliser la dérive complexe de ces objets. Une solution pourrait être d'advecter un nuage de positions dans le modèle. Mais la présentation du résultat sous forme de spaghettis est souvent peu claire, à moins de présenter une trajectoire d'ensemble et son enveloppe... C'est pour toutes ces raisons que nous nous bornons ici à une première approche simple mais synthétique. Si l'on compare les analyses MERCATOR avec les réanalyses POMME, on constate tout de suite une concordance entre pression et fonction de courant. La structure dépressionnaire vers 38°N est plus marquée dans MERCATOR, indiquant un courant vers l'ouest plus fort à 40°N. Le courant du Portugal est aussi intense dans MERCATOR.


no 1 - Avril 2001 p11

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La campagne POMME(fin)

Le courant des Açores pénètre plus profondément dans le glofe de Cadix dans POMME. Au niveau de la mésoéchelle, on retrouve bien des structures communes comme le tourbillon cyclonique vers 19°O-42°N.

Il y a toutefois des petites différences dans le positionnement des structures, et aussi dans leurs formes : les tourbillons de MERCATOR sont plus "rond" que dans POMME. Si l'on regarde les trajectoires des flotteurs autour du 3-7-01, on peut voir un bon accord autour des cyclones vers 19°O-42°N et 17°O-39°N, et des anticyclones vers 18°O-43°N et 19°O-44°N. Les déplacements plus réduits (16°O-45°N, 22°O-47°N) correspondent moins. L'analyse MERCATOR du 28-3-01 est en accord avec les flotteurs, exception faite du mystérieux rebroussement vers 23°O-47°N...

En résumé, la concordance entre les analyses et les dérives sont souvent bonnes. Ceci s'explique vraisemblablement par un faible courant moyen (inconnue majeure du système) et par un cisaillement vertical modeste. Dans ces conditions, l'altimétrie satellitale est très corrélée avec le courant à 400m, et elle est bien décodée par PSY1-v1. Toutefois, il convient de noter que les vitesses de PSY1-v1 sont sous-estimées (~10cm/s) par rapport aux pseudo-vitesses des dérives (~13cm/s). Cela s'explique plus par les rayons de decorrélation (~300km dans cette région) imposés dans l'analyse MERCATOR/PSY1-v1 des observations altimétriques, que par la résolution du modèle (~30km dans cette région). Ces rayons sont davantage adaptés au large signal stérique (cycle saisonnier) qu'au fin signal mésoéchelle. Les structures de 2° (~150km) sont bien présents dans l'analyse PSY1-v1, mais les structures plus fines sont atténuées. Cette difficulté de l'assimilation en univarié (un seul mode analysé dans PSY1-v1) est inhérente à l'utilisation conjointe d'une unique observation (le niveau de la mer) qui est en fait le cumul de phénomènes de différentes échelles, avec une seule fonction de corrélation. Les évolutions multivariées de l'assimilation dans MERCATOR autoriseront différentes fonctions de corrélation, ce qui permettra de résoudre naturellement l'atténuation des fines structures mésoéchelle.

Pour conclure

Les SURDRIFTs, MARVORs et PROVORs sont de toute évidence extrêmement précieux pour régler les futures systèmes d'assimilation de MERCATOR. Une validation plus fine des courants reste encore à réaliser, de même que la validation de la structure thermohaline avec les sections hydrographiques de la campagne POMME...

Remerciements

Nous remercions les équipes qui nous ont fourni les observations :

l le LPO (IFREMER/UBO) pour les MARVORs, l le CMO (SHOM) pour les SURDRIFTs l CORIOLIS (IFREMER, CNRS-INSU, METEO-

FRANCE, CNES, IRD, IFRTP) pour les PROVORs l les équipes des campagnes POMME sur l'Atalante et

le D'Entrecastaux.


no 1 - Avril 2001 p12

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Bloc - Notes

A lire

l "CNES qui se passe" d'avril 2001 : "MERCATOR : l'océanographie opérationnelle dans le bon courant"

Note de la rédaction

Ceci est la première mouture ...nous attendons vos commentaires et remarques pour améliorer la prochaine édition et répondre au mieux aux questions que vous vous posez sur MERCATOR.

Prochaine édition : début juillet

La prochaine lettre sera davantage axée sur la validation avec entre autres les observations du réseau Pirata.

On étudiera aussi les méandres du NECC.

Enfin, la validité des prévisions à 7 et 14 jours sera illustrée dans diverses régions.

Edition : l Corinne Guiose l Eric Greiner

Rédaction :

l Michel Assenbaum (MIA), l Mounir Benkiran (MBK) l Eric Greiner (ERG)

- 1 - L'extinction d'ERS-2 (ERG) - 2 - Bizarre, le mélange ? (ERG) - 3 - La devinette (ERG) - 4 - La convection hivernale (ERG) - 5 - Amazone.cône (MBK & ERG ) - 6 - La campagne Pomme (ERG & MIA)

Crédits : l Pierre De Mey l Laure Siefridt, l Laurence Fleury l Yann Drillet

Adresse :

l [email protected]

mailto:[email protected]

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