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Evaluation altimétrique du modèle océanique NMC

J. E. Harris, D. B. Enfield et N. J. Bravo (NOAA/AOML, USA)

Dans le cadre du programme " Pan American Climate " de la NOAA, nous avons testé la performance du modèle de circulation générale océanique (OGCM) du Centre de Météorologie National, NMC en utilisant les données altimétriques TOPEX/POSEIDON (T/P). Les résultats préliminaires concordent bien dans certaines régions du Pacifique, en particulier au voisinage de l'équateur. Dans d'autres régions les résultats sont moins satisfaisants, ce qui pourrait indiquer certaines imperfections du modèle OGCM, telles que le forçage du vent, la résolution spatiale ou les paramètres internes.

Le modèle du NMC a été précédemment évalué en utilisant des données in-situ non déjà assimilées notamment des données de marégraphes côtiers ou situés près des îles dans le Pacifique (Enfield and Harris, 1995). Cette étude montre que le cycle annuel et la variabilité interannuelle à grande échelle sont généralement bien simulés sur 11 ans (1982-1993) dans la région tropicale du Pacifique. Toutefois la variabilité le long de la limite Est de la zone est moins bien reproduite. L'analyse mois par mois du modèle forcé avec des vents observés donne des résultats meilleurs que celle avec des vents de prévision à moyen terme, suggérant que le modèle de prévision des vents devrait être amélioré. Le manque de données de marégraphes dans la région du Pacifique Est gène l'évaluation du programme OGCM dans cette région. En comparant les hauteurs de mer mesurées par l'altimètre T/P (période de répétitivité à 10 jours) avec les hauteurs dynamiques fournies hebdomadairement par le modèle OGCM (prévisions " nowcasts "), nous espérons compléter les résultats de Enfield et de Harris en tirant parti de la meilleure résolution spatiale des données altimétriques et de la meilleure résolution temporelle des prévisions " nowcasts ".

Les hauteurs de mer T/P sont issues des enregistrements géophysiques (GDR) avec élimination des données aberrantes, correction de la marée Cartwright et Ray, approximation par spline le long des traces répétitives après retrait de géoide et du profil océanique moyen. Les champs obtenus en sortie du modèle sont des prévisions " nowcasts " en temps peu différé et hebdomadaires. Ils sont produits par le projet model couplé à la NOAA/NMC (Ji et al., 1995). La région du modèle est grossièrement compris entre 122°Est et 72°Ouest et entre 35°S et 45°N, avec 27 niveaux verticaux. Le modèle assimile les données de températures de surface SST et les profils de température mesurés à l'aide de sondes XBT et bouées TAO.

Le modèle OGCM est forcé par des champs de vent obtenus par une version modifiée du modèle de prévision à moyen terme i.e. avec les données SST comme conditions aux limites. Les champs de hauteurs de mer obtenus, à la fois, à partir des prévisions " nowcasts " et des données altimètriques sont interpolés par analyse objective sur une même grille de 1,5 degré de longitude et de 1 degré de latitude, centrée sur les périodes de prévisions hebdomadaires pour les années 1993 et 1994 (cycles T/P 11 à 84). La moyenne sur deux ans des hauteurs de mer a été soustraite afin de fournir des résidus de hauteur pour les deux ensembles de données. La variabilité potentielle expliquée inclut le cycle annuel, les événements interannuels à basse latitude et les événements intrasaisonniers qui se propagent et en particulier le contre-courant nord equatorial (NECC).

Les différences de rms entre les deux ensembles de données donnent une valeur moyenne de 7,2 cm pour l'ensemble du domaine et un peu moins de 5 cm entre 5°N et 5°S. Comme on le voit sur la figure 1, la cartographie des écart-types est en accord avec les distributions de la variabilité à l'échelle du bassin ; les deux cartes présentent des phénomènes similaires à grande échelle, tels que des maxima de variabilité dans les régions de fort courants, le Kuroshio et à l'ouest de l'Australie, des bandes de variabilité élevée au voisinage de 5-7°N et 10-12°N et sur presque toute l'étendue du bassin, une région subtropicale calme à l'ouest de l'Amérique Nord et Sud. L'absence de variabilité importante le long de l'équateur sur l'une et l'autre carte peut être attribuée à la très faible amplitude de la force de Coriolis à cet endroit

 

 

 

Figure 1 : Ecart-type sur la hauteur de mer (en cm) pour la période 1993-1994 à partir:

(A) des résidus de hauteurs de mer TOPEX/POSEIDON,

(B) des anomalies relatives à 1 000 m des hauteurs dynamiques des prévisions modèle

 

On observe aussi des différences importantes entre les cartes. La prévision " nowcast " sous-estime la projection vers l'Est de l'énergie potentielle des grands tourbillons dans l'extension du Kuroshio et à l'est de l'Australie : les points représentés en rouge sur la figure (" yeux de taureau ") correspondant à une variabilité importante au voisinage de 160°W et 175°W le long de 5-10°N, paraissent presque entièrement associés à une dépression extrême de la structure thermique du modèle à la fin 1994. La figure 2 A montre que les hauteurs de mer prédites et les données altimétriques sont fortement corrélés le long de l'équateur, avec un intervalle de confiance de 90% sur la plus grande partie de la région, soit entre 10°S et 20°N.

 

 

Figure 2 :

(A) Carte de corrélation croisée des résidus de hauteurs de mer, T/P par rapport aux prévisions du NMC. La coorélation à 90% est indiquée par une ligne de niveau blanche.

(B) Amplitude (en cm) de l'harmonique annuelle calculée à partir des données T/P.

Exceptée pour la région située entre 2 et 3 degrés de l'équateur, la plus grande partie de la corrélation observée est expliquée par la grande amplitude de l'harmonique annuelle (Figure2 B). La corrélation est meilleure pour les régions où l'amplitude annuelle est plus élevée tandis que la corrélation diminue là où l'harmonique annuelle est faible (cf. 10°S vers le pôle et 20°N vers le pôle). Les corrélations élevées le long de l'équateur ne peuvent être expliquées de cette manière parce que l'harmonique annuelle est faible en cet endroit. Les ondes de Kelvin intrasaisonnières en l'absence de bruit de fond dû à un phénomène énergétique (cf. Busalacchi et al., 1994) sont l'explication la plus vraisemblable de cette corrélation, ce qui suggère que le modèle OGCM représente assez fidèlement ces événements.

Un diagramme de Hovmuller de la variabilité zonale et temporelle du débit du Contre Courant Nord Equatorial (NECC) illustre à la fois les points forts et les faiblesses du modèle OGCM (cf figure 3). Nous avons calculé la composante zonale du flux à partir de la différence des hauteurs de mer entre 6°N et 12°N, la relation géostrophique donnant l'échelle. Ceci nous donne les vitesses résiduelles car la topographie moyenne a été soustraite. L'altimétrie comme le modèle OGCM reproduisent pratiquement de la même manière la nature saisonnière du NECC. Le flux atteint son maximum à la fin de l'automne boréal et son minimum à la fin du printemps, comme on s'y attendait, et le signal annuel se propage vers l'Ouest à partir de la limite Est. Le modèle OGCM (cf figure 3 B) reproduit assez mal quelques événements comme la variabilité se propageant vers l'Ouest et qui est observée par l'altimétrie, en particulier dans l'Est du Pacifique, en hiver et au printemps (cf figure 3 A).

 

 

 

Figure 3 : Fluctuations de la vitesse zonale résiduelle (en cm/s) du contre-courant nord equatorial entre 6°N et 12°N à partir:
(A) des résidus de hauteurs de mer TOPEX/POSEIDON,
(B) des anomalies relatives à 1 000 m des hauteurs dynamiques des prévisions du modèle.

 

 

Ces phénomènes de faible débits correspondent à des élévations de niveau de la mer qui se propagent vers l'Ouest le long de la limite Nord du contre-courant près de 11-12°N (non indiqué sur la carte), diminuant ainsi la pente Nord-Sud du NECC. Ils correspondent bien, tant par leur vitesse de propagation (16 cm/s) que par leur saison aux tourbillons anticycloniques observés tant avec les données flotteurs que les données GEOSAT par Hansen et Maul (1991) et Giese et al., (1994). Ils sont probablement générés dans les golfes de Tehuantepec et de Papagayo par les jets de vent brutaux dans des cols de montagnes combinés à des masses d'air froides au-dessus de l'Amérique du Nord. Cependant, la résolution temporelle de ces éléments est grossière dans le modèle OGCM et il n'y a pas de correspondance temporelle précise point par point, ni de concordance au niveau des vitesses de propagation.

Conclusion:

Les comparaisons préliminaires entre les données altimétrique T/P et le modèle océanique du NMC indiquent que ce dernier reproduit de manière réaliste la plus grande partie de la variabilité annuelle de 10°S à 20°N, y compris le contre-courrant nord équatorial qui traverse le bassin, mais ne rend pas complètement compte des événements topographiques se propageant vers l'Ouest qui sont clairement observés avec l'altimétrie T/P. Notre prochain objectif est d'étudier les échelles et phénomènes temporels autres que le cycle annuel, tels que la variabilité de propagation vers l'Est le long de l'équateur, de mettre en évidence l'instabilité des vagues tropicales aux environs de 5°N, et l'existence possible de modes de bassin interannuels identifiés par Enfield et Harris (1995).

Bibliographie:

  • Busalacchi, A.J., M.J. Mc Phaden, J. Picaut, J. Geophys. Res., 99, 24725-24738 (1994).
  • Enfield, D.B., J. Harris, J. Geophys. Res., 100, 8661-8675 (1995).
  • Giese, B.S., J.A. Carton, L.J. Holl, 1994. J. Geophys. Res., 99, 24739-24748 (1994).
  • Hansen, D.V., G.A. Maul, J. Geophys. Res., 96, 6965-6979 (1991).
  • Ji, M., A. Leetma, J. Derber, Mon Weather Rev., 123, 460-481 (1995).
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