Etudes et évaluation de processus océaniques par des hiérarchies ...

22 CHAPITRE 3. DYNAMIQUE OCÉANIQUE ET NOTION D’ECHELLE
les courants gravitaires sont responsables du transport du carbone dissout vers l’océan
profond où il est privé de contact avec l’atmosphère pour plusieurs centaines d’années.
3.3 Modèles mathématiques et numériques adaptées
aux études de la dynamique subméso-échelle
tel-00545911, version 1 - 13 Dec 2010
Les quatre dernières décennies en recherche océanique sont marquées par le grand
succès des modèles numériques de la dynamique des océans. Depuis une trentaine d’années
de tels modèles sont employés pour étudier la circulation globale (DRAKKAR, MERCA-
TOR).
Les processus dynamiques océaniques à grande échelle, à l’exception des zones équatoriales,
sont pour leur majeur partie près d’un équilibre géostrophique. Nous distinguons ici “la
dynamique à grande échelle” des “processus dynamiques à grande échelle”, ces derniers
excluant l’influence des processus à plus petite échelle sur cette dynamique. L’équation
géostrophique forcée amène à la relation de Sverdrup qui a permis au milieu du XX eme
siècle d’expliquer les propriétés principales de la circulation à l’échelle du bassin. La
linéarité de ce modèle a permis un traitement analytique ou semi analytique des équations
de Sverdrup.
La variabilité des processus dynamiques, depuis la grande échelle jusqu’à la mésoéchelle,
à l’exception des régions équatoriales, est bien décrite par les équations quasigéostrophiques.
C’est à l’aide de ces équations et leurs intégrations numériques, obtenues
au cours des trentes dernières années du XX eme siècle, que nous devons une majeure partie
de notre connaissance de la circulation océanique de l’échelle globale jusqu’à la mésoéchelle
(de l’ordre de 100km). Ces équations sont basées sur la quasi bi-dimensionalité de
la dynamique à ces échelles.
Pendant les dernières décennies le modèle de base pour l’étude de la dynamique des
océans est devenu celui des équations primitives, basées sur l’approximation hydrostatique
de la dynamique des océans. Cette approximation suppose une forte dominance
de l’accélération horizontale sur l’accélération verticale, cette dernière est donc négligée.
Les raisons dynamiques pour cette anisotropie sont détaillées dans la section précédente.
Ces arguments, ainsi que les expériences numériques, montrent que pour des phénomènes
à des échelles horizontales grandes par rapport à l’extension verticale, l’approximation
hydrostatique est une approximation bien justifiée et qu’elle continuera d’être à la base
de la modélisation de la circulation dans les bassins océaniques. La reconnaissance de
l’importance des tourbillons méso-échelles et l’absence de paramétrisations efficaces (voir
section 4.2) pour représenter leurs effets sur la dynamique à grande échelle, a amené
à des discrétisations spatiales de plus en plus fines dans des modèles numériques, pour
inclure explicitement cette dynamique méso-échelle. Les résolutions fines actuellement
utilisées dans des simulations pluriannuelle de la circulation générale des océans permettent
une bonne représentation des tourbillons méso-échelles. Ces modèles sont basés
sur les équations hydrostatiques de la dynamique de l’océan. Aujourd’hui existent plusieurs
modèles numériques, d’accès public, et ils sont utilisés pour l’étude, la réanalyse et