Déplétion/réplétion de la Warm Pool dans le Pacifique Tropical ouest : apport de l'assimilation de données TOPEX/POSEIDON

L. Gourdeau (IRD, France), T. Delcroix (IRD, Nouvelle Calédonie), J. Verron (LEGI, France)

L'étude des variations de masse de la Warm Pool est particulièrement importante vis à vis des théories existantes sur ENSO. Dans le but de comprendre les mécanismes régissant ces variations, les données altimétriques de TOPEX/POSEIDON sont assimilées dans un modèle aux équations primitives de l'océan Pacifique tropical pour la période octobre 1992 - octobre 1996. Le rôle respectif des transports zonaux et méridiens dans les variations de volume de la Warm Pool est ici clairement mis en évidence par les champs du modèle assimilé.

Les études océanographiques dans le Pacifique tropical menées par les équipes de l'IRD au LEGOS (Toulouse) et à Nouméa, en collaboration avec le LEGI (Grenoble) et des équipes américaines (NASA/GSFC), concernent essentiellement l'analyse et la compréhension des mécanismes d'ENSO et de la dynamique de la Warm Pool. Dans ce cadre, un système de modélisation/assimilation a été mis en place pour utiliser l'ensemble des observations disponibles, avec en premier lieu les données altimétriques, afin de disposer d'une vision intégrée de toutes les informations théoriques et observationnelles du système océanique. Nous présentons ici les premiers résultats montrant l'apport de l'assimilation des données TOPEX/POSEIDON dans un modèle aux équations primitives pour l’étude de la dynamique de la Warm Pool qui joue un rôle particulièrement important dans la problématique ENSO.

Assimilation

La méthode d'assimilation utilisée est basée sur le filtre SEEK [Pham et al., 1998] dans une version dégradée où la base réduite de propagation des erreurs est fixe. Le modèle dynamique utilisé [Gent & Cane, 1989] est un modèle aux équations primitives, à gravité réduite, à haute résolution horizontale. Seules les données des anomalies de niveau de la mer TOPEX/POSEIDON sont assimilées sous les traces du satellite avec un pas de temps de 3 jours. Dans le cadre d'expériences jumelles, la méthode est performante et toutes les variables du modèle sont contrôlées par la seule observation de surface [Verron et al., 1999].
Quatre années de TOPEX/POSEIDON (1992-96) sont ensuite utilisées dans le but de valider les simulations du modèle en mode assimilation par des confrontations avec des observations indépendantes issues des mouillages TAO [Hayes et al., 1991] et du réseau opérationnel XBT [Gourdeau et al., 1999]. Les résultats, décrit dans Gourdeau et al. [1999], montrent que l'assimilation a notablement amélioré les performances du modèle. En terme d'anomalies de niveau de la mer, la comparaison aux mouillages TAO donne une corrélation moyenne de 0.66 et une différence RMS de 4.4 cm pour le modèle avec assimilation contre 0.49 et 5.5 cm, respectivement, pour le modèle sans assimilation. L'assimilation est particulièrement intéressante pour sa capacité à contraindre les structures de subsurface. À titre d'exemple, la profondeur de l'isotherme 20°C (caractéristique de la thermocline) est mieux simulée grâce à l'assimilation : la différence RMS calculée aux mouillages TAO est de 28 m avec assimilation contre 35 m pour le modèle sans assimilation. En ce qui concerne la température, une étude statistique à partir des XBT montre que les erreurs sur les champs moyens et de variabilité du modèle ont été réduites approximativement de moitié. La validation des champs de vitesse du modèle est plus difficile vu le peu d'observations disponibles limitées à 6 mouillages TAO le long de l’équateur. Néanmoins, la corrélation est nettement améliorée au niveau et au-dessus du sous courant équatorial comme le montre la Figure 1.

Figure 1 : Corrélation le long de l’équateur entre les vitesses zonales issues des mesures aux mouillages TAO (indiquées par les croix) et celles issues des simulations sans assimilation (a) et avec assimilation (b).

Évolution de la Warm Pool

Nous avons utilisé les champs assimilés, dont la qualité par rapport à la « réalité » a été montrée plus haut, pour étudier les mécanismes responsables de la vidange ou du remplissage de la Warm Pool entre octobre 1992 et octobre 1996. La dynamique de la Warm Pool est reconnue comme jouant un rôle important pour la compréhension d'ENSO en regard de la théorie du « build up » proposée par Wyrtki [1985]. La période étudiée est particulière puisqu'elle se caractérise par deux événements chauds (El Niño) relativement faibles (1993, 1994-1995) et un événement froid (La Niña) en 1996. La Warm Pool est définie ici par des eaux supérieures à 20°C dans une boîte limitée à 140°E-180°E en longitude et 5°N-5°S en latitude. La Figure 2a (trait plein) montre l’évolution dans le temps du volume de la Warm Pool calculée en utilisant les champs de température. En terme d'anomalie de volume sur la période, on observe des anomalies négatives correspondant aux déplacements vers l'est de la Warm Pool lors des événements El Niño de 1993 et 1994-95, et des anomalies positives entre les 2 événements chauds et lors de la Niña de 1996 correspondant aux déplacements vers l'ouest de la Warm Pool. Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus par Delcroix et al. [1998]. L'avantage de la modélisation est de pouvoir disposer de champ complet de vitesse ; ainsi une autre estimation des variations de la Warm Pool peut être calculée à partir des transports zonaux et méridiens à travers la boîte (Figure 2b). Ces transports sont comptés positifs (négatifs) pour un flux entrant (sortant) dans la boîte. La comparaison entre ces 2 estimations montre que : a) les variations mesurées à partir des températures sont en phase avec celles estimées à partir du transport zonal, b) en opposition de phase avec celles estimées à partir du transport méridien et c) les amplitudes des variations estimées par les températures sont plus faibles d'un facteur 3 par rapport à celles estimées à partir des transports zonaux ou méridiens. Par contre, la somme des transports zonaux et méridiens équilibre totalement les variations mesurées par les températures (Figure 2a, trait pointillé). Ces mêmes calculs effectués à partir des champs du modèle libre amènent à des résultats relativement différent (Figure 3) puisque la corrélation entre les variations de volume déduites des températures et des champs de vitesse est de -0.3, contre 0.73 dans le cas de l'assimilation.

Figure 2 : Évolution du volume de la Warm Pool calculée à partir des températures (ligne continue) et des transports zonaux et méridiens (pointillé), (a). Contributions respectives du transport zonal (en continu) et méridien (pointillé), (b). Toutes ces estimations sont calculées à partir des champs assimilés.

Figure 3 : Évolution du volume de la Warm Pool calculée à partir des températures (trait plein) et des vitesses obtenues par le modèle sans assimilation (trait pointillé)

Conclusion

La méthode d'assimilation, basée sur le filtre SEEK, semble particulièrement adaptée pour propager l'information altimétrique en subsurface sur les variables de température et de vitesse du modèle. L’étude des variations de masse de la Warm Pool met clairement en évidence l'importance égale des transports zonaux et méridiens. Si les mécanismes responsables des courants zonaux sont identifiés comme étant associés à des ondes équatoriales de Kelvin et de Rossby [Delcroix et al., 1998], ceux responsables des courants méridiens sont actuellement à l’étude car ils pourraient avoir un rôle important dans la dynamique d'ENSO. On montre que le déficit (respectivement, l'accumulation) de masse pendant El Niño (La Niña), résulte essentiellement du bilan des transports de masse intégrés dans le temps à travers les frontières est et nord. On notera le renversement des transports zonaux et méridiens entre El Niño et La Niña (Figure 4). Les variations du niveau de la mer (de l'ordre de 10-20 cm) correspondantes, traduites via le modèle et l'assimilation en terme de courants de subsurface, permettent d'accéder à une estimation des bilans globaux de transports de masse (de l'ordre de 10¹⁴ m³).

Figure 4 : Représentation schématique des principaux mécanismes responsables des variations de masse de la Warm Pool pour deux situations contrastées correspondant au El Niño de 1993 (a) et à La Niña de 1996 (b).

Références :

Delcroix, T., B. Dewitte, Y. Dupenhoat, F. Masia, J. Picaut, 1998: Equatorial waves and Warm Pool transports during the 1992-97 ENSO events. J. Geophys. Res. (soumis).
Gent, P.R., M.A. Cane, 1989: A reduced-gravity primitive equation model of the upper equatorial ocean. J. of Comput. Physics, 81 (2), 444-480.
Gourdeau, L., J. Verron, T. Delcroix, A.J. Busalacchi, R. Murtugudde, 1999: Assimilation of TOPEX/POSEIDON altimetric data in a primitive equation model of the tropical Pacific Ocean: 1992 - 1996. J. of Geophys. Res. (soumis).
Hayes, S.P., L.J. Mangum, J. Picaut, A. Sumi, K. Takeuchi, 1991: TOGA-TAO: A moored array for real-time measurements in the tropical Pacific Ocean. Bull. Am. Meteorol. Soc., 72, 339-347.
Pham D.T., J. Verron, M.C. Roubaud, 1998: A singular evolutive extended Kalman filter for data assimilation in oceanography. J. of Marine Systems, 16, 3-4, 323-340.
Verron J., L. Gourdeau, D.T. Pham, R. Murtugudde, A.J. Busalacchi, 1999: An extended Kalman filter to assimilate satellite altimeter data into a non-linear numerical model of the tropical Pacific Ocean: method and validation, J. Geophys. Res., 104, 5441-5458.
Wyrtki K. , 1985: Water transports in the Pacific and the genesis of El Niño cycles, J. Geophys. Res., 90, 7129-7132.