Modèle hydrodynamique ROMS

Modèle hydrodynamique ROMS

Le modèle

Les forçages environnementaux (température, courants, salinité) sont simulés par le Regional Ocean Modelling System (ROMS, Shchepetkin and McWilliams, 2005). ROMS est un modèle basé sur les hypothèses hydrostatiques, d’incompressibilité et de Boussinesq pour résoudre les équations primitives et résout également la surface libre. Ces hypothèses sont décrites ci-après :

– L’approximation hydrostatique suppose que les échelles verticales sont très petites devant les échelles horizontales. L’océan est considéré comme une couche d’eau peu profonde. Du système d’équations de Navier-Stokes, seuls les termes de gravité et de pression sont conservés dans l’équation verticale de la quantité de mouvement conduisant à l’équilibre hydrostatique. Les vitesses verticales, dont les échelles spatiales et temporelles sont supposées petites, ne sont pas explicitement calculées et sont déduites de l’équation de continuité. Les processus faisant intervenir des vitesses verticales (ondes internes, convection,…) doivent alors être paramétrés via un modèle de fermeture turbulente (e.g. KPP dans le modèle ROMS, Large et al., 1994).
– L’approximation de Boussinesq suppose que la densité de l’eau de mer et la pression varie peu dans l’espace et dans le temps autour d’une valeur moyenne. Cette approximation permet de négliger toutes les variations de densité dans l’équation de Navier-Stokes sauf pour la force de gravité. Ces variations n’interviennent donc qu’à travers l’équilibre hydrostatique.
– L’hypothèse d’incompressibilité suppose que la masse volumique d’une particule de fluide ne varie pas avec la pression. Cette hypothèse transforme l’équation de continuité en une condition de non divergence du champ de vitesse.

La fermeture turbulente fournit les coefficients de mélange vertical (KM, KT , KS) dans la colonne d’eau. Les conditions aux limites décrites ci-dessus permettent d’imposer le forçage de l’océan aux interfaces océan-atmosphère et eau-sédiment. Le forçage à l’interface océan-atmosphère se fait par la tension de vent (τxs , τys ), les flux de chaleur (Q) échangés avec l’atmosphère et les flux d’eau douce par évaporation/précipitation (E-P). A l’interface eau-sédiment, ces conditions permettent de prescrire des flux de chaleur et de salinité nuls. Le flux de quantité de mouvement sur le fond (ou stress de fond) est paramétré en fonction du courant.

ROMS dans la zone Nord-Ouest Africaine

ROMS a récemment été adapté à la zone Nord-Ouest Africaine par Marchesiello and Estrade (2009), Machu et al. (2009), Mason et al. (2011) et (Sow, 2014). Les trois premières configurations couvrent la partie Nord du système, dans la zone du Sahara occidentale alors que la dernière (la configuration SECOCIMO) s’est concentrée plus au Sud, dans la partie sénégalo-mauritanienne. Ces configurations utilisent la capacité “2-way embedding” de la version ROMS-AGRIF (Penven et al., 2006; Debreu et al., 2012) et celle « 1-way offline nesting» de la version ROMS UCLA (Mason et al., 2010). Le “2-way embedding” consiste en deux (ou plus) domaines imbriqués de résolution spatiale différente qui rétroagissent l’un sur l’autre. Par exemple, dans la configuration CANARY de Machu et al. (2009), les sorties de la grille “parent” (englobant l’ensemble du système des Canaries (5°N-41°N) à une résolution (1/4°) servent de conditions aux frontières pour la grille “enfant” (englobant la partie centrale du Sahara occidental (21.5°N-31.5°N) à plus haute résolution (1/12°) (Figure 2.3). En retour, la grille “enfant” rétroagit sur la grille “parent”. La simulation utilisée dans cette thèse est très proche de celle de (Machu et al., 2009) : elle couvre le même domaine pour la grille parent alors que la grille enfant est une configuration réalisée avec un zoom (1/12°) dans la zone sénégalo-mauritanienne (Figure 2.3). Cette dernière configuration sera nommée par la suite SM1. A côté de SM1 nous avons utilisé les sorties de la configuration développée par (Mason et al., 2011) dont le domaine couvre toute la zone sénégalo-mauritanienne et la partie de la zone marocaine.

Configuration ROMS SM1 et SM2 

Les configurations SM1 et SM2 ont été utilisées pour simuler le cycle saisonnier utilisant un forçage climatologique mensuel. Cet approche où le forçage synoptique et interannuel est exclu permet de traiter la variabilité intrinsèque, méso-échelle, qui apparaît à l’intérieur d’un système régional en raison des non-linéarités de la dynamique. La configuration SM1 a été développée dans cette thèse pour l’étude de la rétention larvaire dans la zone sénégalo-mauritanienne. La configuration SM2 avec des forçages différents de celle de SM1 (voir ci-dessous) a été utilisée pour évaluer la robustesse de nos résultats .

Configuration SM1

Grille et bathymétrie 

La configuration SM1 couvre le Sud de la Guinée jusqu’à la frontière entre la Mauritanie et le Maroc et s’étend s’étant de 24°W à 13°W et de 8.5°N à 23°N (Figure 2.3) avec une résolution horizontale au 1/12°. La grille horizontale est donc constituée de 188 points suivant la direction méridienne et 131 points suivant la direction zonale. Ces caractéristiques (zone d’étude et résolution horizontale) permettent d’avoir une zone d’étude et une résolution spatiale suffisamment importantes pour que des structures physiques (filaments, méandres, tourbillons) réalistes puissent se développer. Mais aussi un nombre de points de grille suffisamment réduit pour que le temps de calcul numérique soit “raisonnable” et nous permettre de faire un maximum de tests.

Flux de surface : tension de vent et flux de chaleur 

Pour notre simulation, nous avons utilisé une climatologie de tension de vent (ou stress de vent) issue du diffusiomètre QuikSCAT (Liu et al., 1998) avec une résolution spatiale au 1/2°. La configuration SM1 est forcée à l’interface océan-atmosphère par les flux de chaleur et d’eau douce provenant de la climatologie mensuelle dérivée de COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set) avec une résolution spatiale de 1/2° (Da Silva et al., 1994). La seule spécification des flux de surface pourrait conduire à une dérive des champs modélisés de SST et SSS car le modèle ne représente pas les rétroactions de l’océan vers l’atmosphère. Par conséquent, les modèles régionaux utilisent souvent des termes de correction des flux de surface vers une climatologie. Une méthode satisfaisante est de linéariser le forçage thermique autour de la SST climatologique, afin de représenter de façon simplifiée le “feed-back” de la SST modélisée sur les flux de chaleur de surface (Barnier et al., 1995). Les flux d’eau douce sont spécifiés à partir des champs climatologiques de précipitation (P) et d’évaporation (E). Pour éviter toute dérive, un terme de correction du même type que pour les flux de chaleur est également ajouté à la formulation du flux d’eau douce.

Flux de surface : tension de vent et flux de chaleur 

En modélisation régionale, les domaines sont généralement limités par la côte et des frontières océaniques. Les côtes sont représentées par une condition de frontières fermées et les frontières océaniques sont généralement des frontières dites “ouvertes”. Ces frontières ouvertes doivent permettre aux perturbations se propageant de l’intérieur du domaine du modèle vers l’extérieur (par exemple des tourbillons océaniques, des ondes,. . . ), de sortir du domaine sans réflexion et doivent en même temps fournir au modèle les caractéristiques de l’océan environnant. Dans notre étude, les trois frontières latérales ouvertes (frontières Sud, Ouest et Nord) de la grille parent sont forcées utilisant la climatologie du World Ocean Altlas (WOA 2001, Conkright et al., 2002) pour la température, la salinité et les vitesses géostrophiques, et les frontières ouvertes de la grille enfant sont forcées en chaque pas de temps par la grille parent. La frontière Est est fermée.

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Table des matières

1 Introduction Générale
1.1 Contexte générale
1.2 Les upwellings
1.3 Le système d’upwelling Nord africain
1.3.1 Caractéristiques Physiques
1.3.2 Caractéristiques biogéochimiques
1.4 Les populations de petits poissons pélagiques présents dans la zone SénégalMauritanie
1.4.1 Distribution géographique de Sardinella aurita
1.4.2 Sardinella aurita de la zone sénégalo-mauritanienne
1.5 Objectifs de la thèse
1.6 Structure de la thèse
2 Matériels et méthodes
2.1 Introduction
2.2 Modèle hydrodynamique ROMS
2.2.1 Le modèle
2.2.2 ROMS dans la zone Nord-Ouest Africaine
2.2.3 Configuration ROMS SM1 et SM2
2.3 Le modèle couplé physique-biogéochimique ROMS-PISCES
2.4 Modèle individu centré ICHTHOP
3 Modélisation des premiers stades de vies de Sardinella aurita
3.1 Introduction
3.2 Analyse de la sensibilité des facteurs biologiques
3.3 Résumé de l’article
3.4 Article FOG-12094 : Do Sardinella aurita spawning seasons match local retention patterns in the Senegalese–Mauritanian upwelling region ?
3.5 Introduction
3.6 Methodology
3.6.1 Hydrodynamical modeling
3.6.2 Individual-based Lagrangian model
3.6.3 Release experiments
3.6.4 Data
3.7 Results
3.7.1 Evaluation of hydrodynamic solutions
3.7.2 Larval Retention patterns
3.8 Discussion
3.9 Conclusion
4 Variabilité spatio-temporelle de l’habitat de ponte de Sardinella aurita
4.1 Introduction
4.2 Modélisation de l’habitat de ponte de la sardinelle
4.2.1 Calcul de l’habitat de potentiel de ponte
4.2.2 Validation de la simulation interannuelle ROMS-PISCES
4.3 Variabilité de l’habitat de ponte potentiel
4.3.1 Variabilité saisonnière
4.3.2 Variabilité interannuelle
4.4 Discussion
4.4.1 Habitat de ponte et stratégie de reproduction
4.4.2 Habitat de ponte et migration saisonnière de la sardinelle
4.4.3 Impact des conditions environnementales sur la variabilité interannuelle du stock de sardinelle
4.5 Conclusion
5 Conclusion Générale

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