MN - Modèles Numériques

Communauté de Modélisation Océanographique – COMODO

Modélisation numérique de l’océan : les chercheurs de la communauté française se penchent sur les enjeux actuels et futurs

Les modèles numériques sont aujourd’hui des outils indispensables pour la compréhension et la prévision à diverses échelles temporelles et spatiales des processus océaniques. L’objectif de ce projet est de proposer une évaluation rigoureuse ainsi que des voies d’amélioration des modèles actuels afin de répondre aux nombreux enjeux environnementaux liés à l’océan.

Evaluer et améliorer les modèles numériques pour une meilleure prévision de l'état de l'océan

L'océan, couplé avec les autres composantes (atmosphère, continent, et la glace) est un élément primordial du système terrestre. Les événements récents ont soulevé des questions sur les implications sociales et économiques des modifications anthropiques du système terrestre, à la fois sur son évolution à long terme et les évènements extrêmes. Une meilleure compréhension du système océan est un élément clé pour améliorer notre prévision de telles conséquences. Les modèles d'océan sont des outils essentiels pour comprendre les processus clés, simuler et prévoir les événements à différentes échelles spatiales et temporelles.<br />L’accroissement continu de la puissance de calcul a permis une augmentation de la résolution spatiale et temporelle des modèles permettant ainsi la représentation d’un plus vaste spectre d’énergie. Ceci a conduit à s’intéresser à la dynamique de sous-mésoéchelle y compris dans les modèles globaux de type climat. Cette dynamique sous-mésoéchelle est également très importante dans les zones côtières où une connaissance approfondie de l’océan est essentielle pour de nombreuses applications environnementales : biogéochimie marine, pollution maritime, pêche, érosion côtière, climat régional.<br />La représentation de ces fines échelles spatiales remet en question les approches traditionnelles de modélisation numérique de l’océan. Cette proposition reflète un effort global de la communauté française de recherche pour renforcer les interactions entre ses membres. Cet effort commun est dirigé vers deux objectifs principaux: l'amélioration des modèles et des méthodes numériques existants, la proposition d’orientations pour le développement des modèles d’océan de nouvelle génération.

Les modèles actuels de l'océan souffrent d'un certain nombre de problèmes bien identifiés qui seront abordés au cours de ce projet. Afin d’avancer sur ces questions, ce projet propose une évaluation innovante des mécanismes de dissipation en particulier dans le contexte de la modélisation sous-mésoéchelle, l'amélioration des schémas d'advection-diffusion pour la réduction du mélange diapycnal artificiel pour une représentation exacte des traceurs actifs (température et salinité) et passifs. La deuxième partie du projet se base sur les récents progrès de notre communauté sur les systèmes de coordonnées verticales, les maillages non structurés et la modélisation non-hydrostatique. L'objectif est ici à la fois à poursuivre la recherche fondamentale sur ces sujets et de contribuer à la conception des modèles de future génération au niveau des systèmes d'équations résolues et des méthodes numériques. Les développements proposés seront évalués grâce à une suite de cas tests comportant d’une part des cas tests idéalisés pour l’évaluation de propriétés fondamentales des méthodes numériques et d’autre part de cas tests plus complexes permettant une évaluation approfondie des progrès effectués au cours de ce projet. Cette suite de tests, accompagné des résultats des différents modèles, sera publiée afin de fournir des éléments de validation pour les futurs développements ainsi que la possibilité à des travaux plus théoriques sur les schémas numériques d’être évalués dans le contexte de la modélisation de l'océan.

Une partie des résultats obtenus concerne la diminution des erreurs des modèles liées à la discrétisation numérique. A titre d'exemple, nous avons proposé une nouvelle méthode numérique permettant de rendre la diffusion numérique interne aux modèles plus consistante avec ce qui se passe dans la réalité.
Les travaux portent également sur la réduction des hypothèses simplificatrices dans les systèmes d'équations utilisées. Ainsi les hypothèses hydrostatiques et d'incompressibilité ont été levées pour permettre la simulation d'échelles de plus en plus fines.
Enfin, les membres du projet ont également proposé un formalisme mathématique permettant une comparaison rigoureuse de différentes classes de méthodes d'approximation : différences finies, volumes finis, éléments finis.
Les améliorations induites par l'ensemble de ces développements peuvent être évaluées grâce à une suite de cas tests également mis en place dans le cadre de ce projet.

Coordonnées verticales, grilles structurées et non structurées, schémas temporels font partie des points clefs qui sont également à l'étude dans les équipe de recherche du projet. Construire les briques de base des futurs systèmes de modélisation océanique est l'élément moteur du projet.

1. Flavien Gouillon, R. Baraille, M. Boutet, C. Lathuiliere,
Y. Morel, V. Kourafalou, 2013. Potential Vorticity diagnostics
for river plumes modelling. To be submitted to J. Phys. Oceanogr.
2. Michaud H., Marsaleix P., Leredde Y., Estournel C., Bourrin F., Lyard F., Mayet C., Ardhuin F., 2012. Three-dimensional modelling of wave-induced current from the surf zone to the inner shelf. Ocean Science, 8, 657-681, dx.doi.org/10.5194/os-8-657-2012
3. Lemarie F., L. Debreu, A. F. Shchepetkin and J.C. McWilliams,n 2013 : On the stability and accuracy of the harmonic and biharmonic isoneutral mixing operators in ocean models, Ocean Modelling, vol. 52-53, p. 9-35.
4. Anne-Claire Bennis, F. Dumas, F. Ardhuin, B. Blanke, 2013 Mixing parameterization: Rip currents and wave set-up. Submitted to Journal of Geophysical Research – Oceans.
5. Marsaleix P., Auclair F., Duhaut T., Estournel C., Nguyen C., Ulses C., 2012. Alternatives to the Robert-Asselin filter. Ocean Modelling, 41, 53-66, dx.doi.org/10.1016/j.ocemod.2011.11.002

Cette proposition met l'accent sur le premier axe thématique: modélisation et simulation de systèmes complexes, et est fortement en lien avec la modélisation numérique en sciences de l’environnement, en particulier l'océanographie. L'océan, couplé avec les autres composantes (atmosphère, continent, et la glace) est un élément primordial du système terrestre. Les événements récents ont soulevé des questions sur les implications sociales et économiques des modifications anthropiques du système terrestre, à la fois sur son évolution à long terme et les évènements extrêmes. Une meilleure compréhension du système océan est un élément clé pour améliorer notre prévision de telles conséquences. Les modèles d'océan sont des outils essentiels pour comprendre les processus clés, simuler et prévoir les événements à différentes échelles spatiales et temporelles. L'ensemble de la communauté française en modélisation de l’océan s’est récemment regroupé sous le nom du groupe COMODO (Communauté de Modélisation Océanographique). Cette communauté est diversifiée et offre une variété à la fois dans les applications effectuées et dans les approches numériques utilisées pour la modélisation de l'océan. Elle s'appuie également à des degrés divers sur la communauté internationale. Pour la première fois, cette proposition reflète un effort global de la communauté française pour renforcer les interactions entre ses membres. Cet effort commun sera dirigé vers deux objectifs principaux: l'amélioration des modèles et des méthodes numériques existants, la proposition d’orientations pour le développement des modèles d’océan de nouvelle génération.

Les modèles actuels de l'océan souffrent d'un certain nombre de problèmes bien identifiés qui seront abordés au cours de ce projet. Afin d’avancer sur ces questions, ce projet propose une évaluation innovante des mécanismes de dissipation en particulier dans le contexte de la modélisation sous-mésoéchelle, l'amélioration des schémas d'advection-diffusion pour la réduction du mélange diapycnal artificiel pour une représentation exacte des traceurs actifs et passifs. La deuxième partie de la proposition se base sur les récents progrès de notre communauté sur les systèmes de coordonnées verticales, les maillages non structurés et la modélisation non-hydrostatique. L'objectif est ici à la fois à poursuivre la recherche fondamentale sur ces sujets et de contribuer à la conception des modèles de future génération au niveau des systèmes d'équations résolues et des méthodes numériques. Les développements proposés seront évalués grâce à une suite de cas tests comportant d’une part des cas tests idéalisés pour l’évaluation de propriétés fondamentales des méthodes numériques et d’autre part de cas tests plus complexes permettant une évaluation approfondie des progrès effectués au cours de ce projet. Cette suite de tests, accompagné des résultats des différents modèles, sera publiée afin de fournir des éléments de validation pour les futurs développements ainsi que la possibilité à des travaux plus théoriques sur les schémas numériques d’être évalués dans le contexte de la modélisation de l'océan.

Coordination du projet

Laurent Debreu (INRIA - Centre Grenoble Rhône-Alpes) – laurent.debreu@imag.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS LPO CNRS - DELEGATION BRETAGNE PAYS DE LA LOIRE
INRIA Grenoble Rhône-Alpes - Laboratoire Jean Kuntzmann - EPI MOISE INRIA - Centre Grenoble Rhône-Alpes
LEGOS (IRD/CNRS) INSTITUT DE RECHERCHE POUR LE DEVELOPPEMENT - IRD
IFREMER IFREMER - CENTRE DE BRETAGNE
UPS-LA UNIVERSITE TOULOUSE III [PAUL SABATIER]
SHOM SERVICE HYDROGRAPHIQUE ET OCEANOGRAPHIQUE DE LA MARINE (SHOM)
LEGI (CNRS) / LOCEAN / LPO CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES

Aide de l'ANR 1 048 854 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2011 - 48 Mois

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