Assimilation de données dans un modèle numérique de l'Atlantique Nord

Mais deux limites inhérentes à l'observation altimétrique satellitale sont des obstacles «structurels» à la connaissance de l'océan à partir de cet outil : d'une part, on observe seulement la surface de l'océan et d'autre part, on échantillonne de manière sévère, dans l'espace et dans le temps, le signal océanique.

Les techniques d'assimilation de données permettent de tirer parti des observations de manière plus approfondie en leur associant d'autres types d'information disponibles, tels que des lois théoriques et physiques, des modèles numériques, d'autres observations, etc. En principe, c'est une approche qui peut permettre de réaliser sur des bases rationnelles les extrapolations nécessaires pour reconstruire une image de l'océan dans toute sa tridimensionalité à partir de la seule observation de surface et de reconstituer aussi les échelles spatio-temporelles non observées.
Toutefois, pour des applications pratiques à grande échelle, la lourdeur de l'arsenal méthodologique oblige (au moins provisoirement) à des compromis sur l'optimalité du processus.
Mais, même dans ces conditions, l'emploi de l'assimilation permet d'extraire des observations altimétriques beaucoup plus d'information que celles relatives à la seule surface.

A Grenoble, nous avons développé une telle approche avec les données TOPEX/POSEIDON en les assimilant dans un modèle numérique prognostique à haute résolution horizontale (1/6° x 1/6°) de l'océan Atlantique Nord entre 20° N et 60° N. L'objectif est de reconstruire le contenu 4D (3D + le temps) de la circulation océanique pendant la période d'observation correspondante de TOPEX/ POSEIDON, de valider autant que possible ces prédictions du modèle et ultimement, d'en tirer le maximum d'enseignement océanographique.

Les composantes variables (résidus) des observations altimétriques du satellite TOPEX/POSEIDON sont assimilées dans le modèle numérique de l'IMG configuré dans l'océan Atlantique Nord entre 20° N et 60° N. Le modèle est quasigéostrophique, possède quatre couches dans sa version actuelle et prend en compte des côtes réelles et la bathymétrie des fonds sous-marins.
La circulation océanique est forcée par le rotationnel de la tension du vent issue des données de Hellerman et Rosenstein (1983).
La relaxation newtonienne est utilisée comme technique d'assimilation pour introduire 'information sur la topographie dynamique à la surface de l'océan comme contrainte du modèle.
Cette assimilation est réalisée le long des traces au sol des satellites de manière séquentielle, c'est-à-dire lorsque les observations ont lieu.

La figure 1 montre une carte instantanée des lignes de niveau de la fonction de courant de surface (parallèle aux vecteurs vitesse instantanée) telle qu'elle a été prédite par le modèle en mode assimilation le 23 octobre 1992. La bathymétrie des fonds marins est également indiquée par un codage couleur sur les courbes de niveau.

Les analyses diagnostiques ont été développées de manière très approfondie pour mettre en évidence les propriétés des écoulements ainsi reconstitués. Il est cependant difficile de pousser très avant les validations par manque d'observations indépendantes. Cependant les validations réalisées, en particulier par rapport à des données courantométriques et de flotteurs lagrangiens, sont extrêmement positives quant au comportement climatologique des résultats. Les validations propres à la période d'observation TOPEX/POSEIDON sont évidemment encore plus difficiles étant donné l'insuffisance de la base de données d'observation.

Un des résultats les plus intéressants de nos simulations concerne la reconstitution des circulations profondes grâce au contrôle des seules données altimétriques de surface. Dans les couches profondes en effet, le modèle prédit des transports instantanés et moyens, et plus généralement possède des propriétés statistiques qui correspondent de manière assez remarquable avec ce que l'on connaît de l'océan Atlantique Nord. Les niveaux d'énergie dans le bassin Atlantique nord-est sont en général prédits avec moins d'acuité qu'à l'ouest mais restent toujours dans les ordres de grandeur attendus. Pour plus de détail, on peut se reporter à Blayo et al. [1993].

La figure 2 illustre un des effets remarquables de la topographie sous-marine sur le contrôle des circulations. On voit sur cette figure une iso-courbe d'énergie cinétique turbulente correspondant au niveau de 120 cm²/s² dans la région de l'océan Atlantique Nord-Ouest à proximité de la chaîne sous-marine des New-England Seamounts. Elle illustre notamment le piégeage de l'énergie turbulente par les montagnes puisque le dôme d'énergie cinétique turbulente pénètre plus profondément en amont et qu'un affaiblissement marqué de l'énergie se produit à l'aval immédiat de la chaîne.