Simulations océaniques multi-échelles basées sur une stratégie de raffinement de maillage avec adaptation locale de la dynamique et de la physique – MOTIONS

Dans le contexte de l'intensification du changement climatique global, les modèles de circulation océanique sont une composante importante, en support à la recherche et aux applications opérationnelles, pour guider les politiques de gestion. Une meilleure compréhension du fonctionnement de l'océan à toutes les échelles, du forçage à l'échelle planétaire à la dissipation à l'échelle microscopique, est essentielle dans le cadre des prévisions météorologiques et climatiques. Pour les côtes métropolitaines françaises, les systèmes régionaux de prévision océanique (e.g. ceux opérés par le SHOM, l'Ifremer ou Mercator Ocean) sont configurés à une résolution de l'ordre du kilomètre sur l'horizontale et de la dizaine de mètres sur la verticale à l'aide de modèles aux équations primitives. Les équations primitives sont une forme approchée des équations de Navier-Stokes sous des hypothèses simplificatrices, y compris l'hypothèse hydrostatique. Cependant, la représentation précise de certains processus clés de petite échelle (et de leur retroaction à plus grande échelle) nécessite de relâcher l'hypothèse hydrostatique et de raffiner la résolution. Il faudrait des ordinateurs significativement plus rapides et plus gros que les calculateurs actuels pour que les modèles régionaux résolvent les équations de Navier-Stokes à une résolution d’une dizaine de mètres sur de grandes zones géographiques. Le projet MOTIONS vise la conception de méthodes numériques robustes et efficaces pour permettre une stratégie de modélisation innovante reposant sur le raffinement de maillage structuré par blocs: les équations du modèle, les schémas numériques et les paramétrisations physiques sont localement adaptés pour permettre une modélisation multi échelles cohérente. Le projet sera centré autour du modèle CROCO qui possède deux fonctionnalités clés : une capacité de nesting 2-way et un solveur Navier-Stokes à surface libre. L'application cible pour guider et évaluer les développements numériques est la simulation de processus non hydrostatiques de fine échelle et leur rétroaction à plus grande échelle dans le continuum dynamique Méditerranée/Atlantique Nord-Est. Un benchmark académique ainsi que des démonstrateurs numériques "à l'échelle" seront conçus pour illustrer le potentiel de l'approche proposée pour les études régionales et de processus. Une telle entreprise représente une rupture méthodologique par rapport aux pratiques actuelles car (1) la grande majorité des modèles d'océan réalistes repose sur les équations primitives (2) les modèles non-structurés offrent une flexibilité limitée pour adapter localement les équations du modèle, les schémas numériques et la physique. En se basant sur les briques élémentaires disponibles dans le modèle CROCO, les défis scientifiques suivants, de nature mathématique, numérique et dynamique, seront abordés : (i) Emboîtement « 2-way » d'un zoom Navier-Stokes à haute résolution dans une grille équations primitives à basse résolution (ii) Traitement numérique efficace des ondes acoustiques/gravitaires rapides pour le noyau Navier-Stokes compressible à surface libre de CROCO (iii) Définition des prérequis en terme de résolution horizontale/verticale, de schémas numériques et de modèles sous-maille pour représenter la sous-mésoéchelle océanique (iv) Conception de diagnostics pour évaluer les développements numériques dans des cas idéalisées dans un premier temps puis réalistes. La bonne réalisation des travaux proposés offrira des perspectives sans précédent pour l'étude de la dynamique à petite échelle et de sa rétroaction à grande échelle. En se basant sur les résultats du processus de développement et d'évaluation, des recommandations sur l'évolution future des systèmes de prévision côtiers et régionaux en terme de schémas numériques et de paramétrisations sous-maille seront formulées afin d’accompagner l'augmentation de la résolution des modèles.