Modelling the high frequency global ocean response to meteorological forcing
Etude et modélisation de la réponse haute fréquence de l'océan global aux forçages météorologiques
Résumé
Sea level changes continuously due to a wide variety of complex processes such as ocean tides resulting from the gravitational attraction of the Moon and Sun, or atmospheric forcing from pressure and wind. Altimetry (T/P and Jason) now provides high-precision information on the height of the water column at a global scale. For the study of the mesoscale circulation, the high frequency ocean signal that are aliased in the lower frequencies must be corrected with independent and accurate models. The ocean tide correction has achieved the required accuracy, while the ocean response to atmospheric forcing is still approximated by the inverse barometer effect (IB). Our first objective is to propose a new high-precision global model forced by realistic meteorological fields, the second objective being to propose a correction of the high-frequency signal that is more efficient than the IB.
We use the barotropic, time-stepping hydrodynamic model MOG2D-G, forced by ECMWF pressure and wind fields. Its main characterictic is a spatial finite element discretization, which allows to increase the resolution in shallow areas or steep bathymetry suitable for internal wave generation. The stability of the model is essentially controlled by a sub-time step process.
A global simulation was carried out over the period 1992-2002. The model outputs are compared with in situ observations (tide gauges and bottom pressure sensors), and with altimetry data over the period 1993-2001. The correction given by the model reduces the variance by more than 50% at the tide gauges, and by 15% at the T/P crossover points, compared to a static correction of IB. The impact of the model differs according to the location: MOG2D-G very effectively reduces the variance at high latitudes, which are very energetic, while at low latitudes the results are close to the static response. The preponderant effect of wind forcing is clearly apparent. In conclusion, MOG2D-G allows to model the meteorologically forced variability of the global ocean with an unprecedented accuracy.
Finally, we show the interest of MOG2D-G global simulations for applications concerning the impact of the barotropic ocean on the Earth's rotation or the calculation of the S1, S2 and Sa radiational tides.
Le niveau de la mer change continuellement sous l'effet de processus très variés et complexes comme les marées océaniques résultant de l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil, ou les forçages atmosphériques de la pression et du vent. L'altimétrie (T/P et Jason) fournit aujourd'hui une information de haute précision sur la hauteur de la colonne d'eau à l'échelle globale. Pour l'étude de la circulation mésoéchelle, le signal océanique hautes fréquences aliasé dans les basses fréquences doit être corrigé avec des modèles indépendants et précis. La correction de marée océanique a atteint la précision requise, tandis que la réponse de l'océan au forçage atmosphérique est approximée par le baromètre inverse (IB). Notre objectif premier est de proposer un nouveau modèle global haute précision forcé par des champs météorologiques réalistes, le deuxième objectif étant de proposer une correction du signal haute fréquence plus performante que le IB.
Nous utilisons le modèle hydrodynamique barotrope, time-stepping, MOG2D-G, forcé par les champs de pression et de vent ECMWF. Sa principale caractéristique est une discrétisation spatiale en éléments finis, qui permet d'augmenter la résolution dans les zones peu profondes ou de fortes pentes de la bathymétrie propices à la génération d'ondes internes. La stabilité du modèle est essentiellement contrôlée par un processus de sous pas de temps.
Une simulation globale a été réalisée sur la période 1992-2002. Les sorties du modèles sont comparées aux observations in situ (marégraphes et capteurs de pressions de fond), et aux données altimétriques sur la période 1993-2001. La correction donnée par le modèle permet de réduire la variance de plus de 50% aux marégraphes, et de 15% aux points de croisement T/P, par rapport à une correction statique de IB. L'impact du modèle diffère suivant la localisation: MOG2D-G réduit très efficacement la variance aux hautes latitudes qui sont très énergétiques, tandis qu'aux basses latitudes les résultats sont proches de la réponse statique. L'effet prépondérant du forçage du vent apparaît clairement. En conclusion, MOG2D-G permet de modéliser la variabilité de l'océan global forcée par la météorologie avec une précision sans précédent.
Nous montrons enfin l'intérêt des simulations globales MOG2D-G pour des applications concernant l'impact de l'océan barotrope sur la rotation de la Terre ou encore le calcul des marées radiationnelles S1, S2 et Sa.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)