Sur l'assimilation variationnelle de données par un modèle d'écosystème marin de type NPZ

International audienceA variational data assimilation method is applied to a simplified marine ecosystem model of NPZ (Nutrient Phytoplankton Zooplankton) type, which implies five parameters. The method allows us to optimise these parameters by an iterative process of minimisation of a cost function which quantifies the quadratic discrepancy between observations and simulation results. The first part of this note describes how to obtain the adjoint model of the NPZ model allowing us to compute the gradient of the cost function relative to the parameters. Two experiments of artificial data assimilation then show the efficiency of this method, but also its limitations because of non-linearities and sensitivity problems of the model relative to the parameters

Impacts des vagues sur les courants marins (Modélisation multi-échelle de la plage au plateau continental)

Le littoral sableux du Languedoc-Roussillon est un système vulnérable aux risques d'érosion et de submersion. Ces aléas sont liés à la conjonction des facteurs naturels que sont les vagues, vent, élévation du niveau de la mer et apports sédimentaires et sont donc aggravés en période de tempête. En vue d'une gestion des risques, une meilleure connaissance des phénomènes hydrodynamiques de l'échelle littorale à l'échelle côtière est essentielle. Ce travail a conduit à la réalisation d'une plateforme de modélisation numérique composé du modèle de circulation océanique 3D Symphonie, traditionnellement dédié aux échelles régionales et côtières, qui a été modifié pour inclure le forçage par les vagues, modélisées par les modèles Wavewatch III ou Swan, et ainsi étendre sa validité au littoral.Le modèle a été testé sur des cas académiques littoraux. Des mesures sur la plage à double barres de Sète pendant l'hiver 2008-2009, ont également servi à parfaire le modèle qui reproduit ainsi avec succès les caractéristiques des courants en zone littorale : la dérive, les courants sagittaux sur des bathymétries plus complexes et les profils verticaux des courants. Pour valider le modèle à des échelles plus côtières, nous avons confronté ses résultats à des mesures réalisées pendant une tempête hivernale en 2004 aux alentours de l'embouchure de la Têt, mais également sur des tempêtes de 2007 et 2008 dans le Golfe d'Aigues-Mortes. Les courants sont globalement bien reproduits. Les zones d'action des vagues semblent limitées aux zones de profondeur inférieure à 30 m. Les caractéristiques de notre modèle permet une reproduction des courants à toutes les échelles et sa nature 3D permet un calcul plus précis de la tension de cisaillement de fond et du courant près du fond, responsables respectivement de la mise en suspension et de l'advection des sédiments.The sandy coasts of Languedoc-Roussillon are a zone vulnerable to erosion and flooding. These hazards are generally associated with a combination of natural factors such as waves, wind, rising sea levels and the importance of sedimentsupply, and are therefore worsened during storms. For the management of such risks, a better knowledge of the hydrodynamic phenomena occuring from the surf zone through to the coastal scale is essential. This need led to the development of a numerical modelling platform consisting of the 3D ocean circulation model Symphonie, usually dedicated to regional and coastal scales, which was modified to include the wave forcing, modeled by the WaveWatch III or Swan models. Using this platform the entire littoral and coastal regions can be accurately represented.The model was tested in several academic cases. Measurements on the barred beach of Sète during the winter of 2008-2009 served to refine the model, which is able to successfully reproduce the characteristics of the currents in coastal areas, drifts or rip currents over more complex bathymetries and also the vertical profiles of currents. To validate the model on the inner-shelf, we compared the simulations with measurements taken during a winter storm in 2004 around the mouth of the Têt river, as well as during storms in 2007 and 2008 in the Gulf of Aigues-Mortes. Currents are generally well reproduced. However, the scope of wave action seems limited to a depth of 30m. The characteristics of our model allow a reproduction of the currents at all scales and the 3D nature of the model permits a more precise calculation of the shear stress and bottom current responsible, respectively, for the suspension and advection of sediments.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Hydrodynamique sédimentaire sur le plateau continental du golfe du Lion

L'hydrodynamique du plateau continental du Golfe du Lion est généralement induite par les vents. Les simulations numériques réalisées par les modèles numériques de circulation océanique côtière aux équations primitives sont en général cohérentes avec les observations in-situ. Très peu d'observations étaient toutefois disponibles pendant les épisodes de tempêtes méditerranéennes. Aussi, la station BESSète (Bottom Experimental Station Sète), équipée d'un ADCP mesurant en continu les caractéristiques de houle et les profils verticaux de courants, a été implantée sur le plateau sous 70 m. Les premières données issues de cette station, acquises en février-mars 2007, confirment les schémas de circulations induits par les vents de Nord (Mistral,Tramontane). Un épisode de tempête (Hs>5m) a aussi pu être observé le 18 février 2007. De forts courants dont l'intensité peut atteindre 0,7 ms-1 y sont associés. Cette série de données est ensuite utilisée pour calculer les tensions decisaillements induites sur le fond. Sous 70 m, elles sont en général quasi-nulles excepté pendant l'épisode de tempête où l'action conjuguée des houles et des courants peut induire des contraintes susceptibles de mobiliser et déplacer le sédiment fin présent dans la zone. La très forte intensité des courants mesurés pendant la tempête amènent ensuite à reconsidérer les processus de transferts de quantité de mouvement entre atmosphère, océan et sédiments. Très schématiquement, sur le plateau, dès que la houle interagit avec le fond, la houle se transforme (réfraction, dissipation) et transmettrait de la quantité de mouvement à l'échelle des courants moyens. Cette hypothèse est retenue pour expliquer ces forts courants observés et pourrait être confirmée par d'autres travaux théoriques et numériques

Circulation in a stratified and wind-forced Gulf of Lions, NW Mediterranean Sea: in situ and modeling data

International audienceADCP, thermosalinograph, and meteorological data were collected during a short cruise (SARHYGOL 3; June 13–15, 2000) throughout the Gulf of Lions, NW Mediterranean Sea. The 3-D hydrodynamical model Symphonie reproduces well the circulation features observed in situ. The Northern Current (NC)—geostrophic current bordering the gulf along its continental slope—is well modeled with slight differences in its position. W hen the modeled stratification of the gulf is shallower than the measured stratification, the modeled NC is further offshore than the real NC (and reciprocally). The model allows the determination of the life-time and generating processes of the intrusions of the NC on the shelf. During the cruise, two different types of intrusions of the NC are found: (1) an intrusion at the eastern side of the gulf, that lasted 5 days and was due to a combination of the water column stratification and wind-forcing effects at the start of the continental shelf; (2) an intrusion at the center of the gulf, that lasted less than 12 h and was generated by the proximity of a positive and a negative wind stress curls. The coupled in situ data/model analysis also provides a better understanding on inertial oscillations. A strong inertial oscillation, with maximum amplitude of 60 cm/s, is clearly observed at the western side of the gulf due to the absence of the NC there. The model also exhibits this oscillation, and provides its temporal variations. The analysis, closely coupling in situ measurements and model results, provides information that would not have been obtained using either data separately

Hydrodynamics in the Gulf of Aigues-Mortes, NW Mediterranean Sea: In situ and modelling data

International audienceThe Gulf of Aigues-Mortes (NW Mediterranean Sea) is a midshelf zone whose scale is an intermediate between the nearshore scale (0–10 m depth) and the coastal scale (including the whole continental shelf). Its hydrodynamics is investigated for the first time. ADCP, CTD and thermosalinograph data were collected during three short cruises (HYGAM; March 6–7, 20–21, April 5–6, 2005). They were scheduled approximately every 15 days to sample the gulf circulation under different weather conditions. Moreover, the cruise data were used to validate the Symphonie model, a 3D primitive equations circulation model. The circulation features displayed by in situ data were well reproduced by Symphonie. A downscaling modelling approach was implemented, the largest scale being obtained by the replay of the MFSTEP regional model of the North-Western Mediterranean Sea. The analysis, closely coupling in situ measurements and model results, provides information that would not have been obtained using data separately. The great variability of the oceanic circulation at this scale is well evidenced. Winds are the main forces, not only locally but also at a larger scale. North winds generate coherent structures interacting with the general Mediterranean circulation. The explanation of the induced currents is then not straightforward, some of them being, for example, northward. South and southeast winds reinforce the sloping surface, the latter allowing the geostrophic equilibrium with longshore currents. This study, focused on the end of winter 2004–2005, also enhances the heat fluxes from offshore to nearshore, as well as the initiation of shelf dense waters. The knowledge of the midshelf oceanic circulation is then applied to run a numerical experiment which describes both the dispersion of a fictive contaminant from a point S (at the centre of the GAM), and evaluates the risk of contamination of the beaches along the GAM shores

Modélisation hydrodynamique 3D en zone pré-littorale (Caractérisation des effets des houles de tempête sur la circulation océanique)

En zones pré-littorales micro tidales (entre -2 m et -90 m de profondeur), lors d'événements de tempête, caractérisés par la présence de fortes houles, les modèles de circulation côtière "classiques" n'arrivent pas à reproduire les courants 3D mesurés. Le but de cette étude est de mettre en place un modèle numérique tridimentionnel, nommé RESYFE, capable de rendre compte des effets de la houle sur la circulation lors des tempêtes. Pour ce faire deux modèles largement validés, SYMPHONIE et REF/DIF, ont été couplés suivant la théorie développée par Mellor (2003). Après avoir réalisé différentes études de sensibilité du modèle RESYFE, les résultats du modèle ont été confrontés à des mesures de courant réalisées durant deux tempêtes distinctes dans le golfe du Lion, l'une en novembre 1999 dans la baie de Banyuls et l'autre en février 2004 devant l'embouchure de la Têt. Une application sur le golfe d'Aigues-Mortes permet de rendre compte de l'effet des tempêtes académiques sur le transport sédimentaire modélisé selon Soulsby (1997). Enfin, l'utilisation de RESYFE sur une application au Jurassique, montre qu'un tel modèle peut aussi permettre de confirmer les hypothèses des sédimentologuesClassical coastal circulation models can not reproduce the strong measured three-dimensional currents during storm events, especially at the midshelf scale ( -2 m to -90 m depth) for microtidal seas. The aim of this study is to implement a 3D numerical model (RESYFE) which takes into account the swell effects on the circulation. This model couples REF/DIF and Symphonie models following the physics described by Mellor (2003). RESYFE model is first tested on academic cases in order to validate the numerical implementation. Secondly, in order to compare the model results with measurements, simulations are carried out on realistic cases : the storms of november 1999 in the Banyuls Bay, and of february 2004 off the Têt river. Thirdly, application of the model in the Gulf of Aigues-Mortes shows the effects of storms on sedimentary transport modeled according to Soulsby (1997). Finally, an application of the RESYFE model on an ancient (Jurassic) basin shows that this model can confirm the sedimentologic interpretationsMONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Caractérisation hydrodynamique sur un littoral à barres festonnées du golfe du Lion (Leucate, France): mesures in-situ et modélisation

L'objet de cette communication est la caractérisation hydrodynamique d'un système double de barres festonnées en milieu microtidal. Pour comprendre l'évolution du littoral de Leucate-Plage (Languedoc-Roussillon, France), une campagne de mesures hydrodynamiques in-situ a été réalisée, puis complétée par une étude à l'aide du modèle numérique Quasi-3D SHORECIRC de la houle et des courants dans des conditions plus dynamiques non observées. Les mesures in-situ ont permis de réaliser des cartes de circulation hydrodynamique. Les données modélisées donnent des résultats proches de la réalité en terme d'intensité dans la zone de déferlement, en termes de direction et d'intensité dans la zone deshoaling. This paper deals with the hydrodynamic study of a microtidal double crescentic bars system. To understand the coastal evolution of Leucate-Plage (Languedoc- Roussillon, France), a hydrodynamic survey has been realized, added to numerical studies with Q-3D SHORECIRC model for more dynamic unobserved conditions. Hydrodynamic maps with observed data have been produced. The numeric hydrodynamic maps show good analogies in the shoaling zone but some difference in the surf zone

Modelling and in-situ measurements of intense currents during a winter storm in the Gulf of Aigues-Mortes (NW Mediterranean Sea)

While oceanic circulation in the Gulf of Lion (GoL) has often been studied in calm weather or with northerly winds (Tramontane or Mistral) through observations and numerical circulation models, few studies have focused on southeasterly storm events. Yet, correct representation of the circulation during storms is crucial if the suspension of sediments is to be correctly modelled throughout the Gulf. The purpose of this paper is to describe the hydrodynamics in the Gulf of Aigues-Mortes (NW of the GoL) during the storm of 18 February 2007 by using a set of data from an ADCP station placed at a depth of 65 m on the sea bed off the coast at Sète, supplemented by the ocean circulation model SYMPHONIE. This storm was characterized by a moderate south-easterly wind (15 m . s−1) and waves of up to 5 m of significant height at its apex. At the ADCP, strong currents of up to 0.8 m . s−1 near the surface and 0.5 m . s−1 near the bottom were recorded, parallel to the coast, flowing towards the south-west. The simulated currents were widely underestimated, even taking the effect of waves into account in the model. It was suspected that the representation of the wind in the atmospheric model was an underestimation. A new simulation was therefore run with an arbitrarily chosen stronger wind and its results were in much better agreement with the measurements. A simplified theoretical analysis successfully isolated the wind-induced processes, responsible for the strong currents measured during the apex and the strong vertical shear that occurred at the beginning of the storm. These processes were: 1/ the barotropic geostrophic current induced by a wind parallel to the coast and 2/ the Ekman spiral. The duration of the storm (about 36 h at the apex) explains the continuous increase of the current as predicted by the theory. The frictionally induced Ekman transport explains the current shear in the surface layer in the rising stage of the storm, and the addition of high waves and strong wind at the apex is more in favour of strong vertical mixing in the surface layer