Interaction Océan-Atmosphère : amélioration de la tension de vent en modélisation physique côtière

Ocean-atmosphere interaction : improvement of wind stress for coastal physical modelling

• Auteur / Autrice : Lucia Pineau-Guillou
• Direction : Fabrice Ardhuin, Marie-Noëlle Bouin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanographie physique et environnement
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanographie Physique et Spatiale (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Carton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Ardhuin, Marie-Noëlle Bouin, Xavier Carton, Xavier Bertin, Michel Benoit, Vladimir Kudryavtsev
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Bertin, Michel Benoit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues

Vents

Interaction mer-atmosphère

Mots clés libres

Interaction air-mer

Tension de vent

Vents

Surcotes

État de mer

Air-sea interaction

Wind stress

Winds

Surges

Sea state

Résumé

Les surcotes de tempête sont souvent sous-estimées dans les modèles hydrodynamiques, ainsi que les grandes vagues dans les modèles de vagues. Les causes possibles sont une sous-estimation des vents dans les modèles atmosphériques et/ou une formulation incorrecte de la tension de vent. Les objectifs de cette thèse sont (1) d’estimer les biais par vents forts dans les modèles atmosphériques (2) de développer une nouvelle paramétrisation du coefficient de traı̂née permettant de réduire ce biais (3) d’étudier l’impact des vagues sur la tension de vent. La méthode consiste à étudier la réponse de l’atmosphère et de l’océan à la tension de vent. Dans une première partie, nous utilisons le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons que les vents forts sont sous-estimés, avec un biais de l’ordre de -7 m/s à 30 m/s. Des écarts significatifs existent aussi entre les observations, les bouées et les vents issus de ASCAT-KNMI étant généralement inférieurs à ceux des plateformes et des autres données satellites utilisées dans cette étude (AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS et JASON-2). La nouvelle paramétrisation développée permet d’obtenir des vents plus forts qu’avec celle d’ECMWF par défaut. Dans une deuxième partie (réponse de l’océan), nous utilisons le modèle global océanique TUGO du LEGOS forcé par le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons qu’une paramétrisation de la tension de vent dépendant des vagues plutôt que du vent est plus appropriée quand l’état de mer est jeune. Elle conduit à des surcotes plus proches des observations (marégraphes et traces altimétriques de JASON-2). L’impact des vagues sur la surcote est significatif, et peut atteindre 20 cm.

Storm surges may be underestimated in hydrodynamic models, as well as large wave heights in wave models. This could come from an underestimation of strong winds in atmospheric models and/or an inappropriate wind stress formulation. The objectives of the present work are (1) to estimate how strong are the biases for high winds in atmospheric models (2) to develop a new drag parameterization that could reduce this bias (3) to investigate the impact of the waves on the wind stress. The method consists of studying the response of the atmosphere and the ocean to the wind stress.In a first part, we use the coupled wave-atmosphere model from ECMWF. We show that strong winds may be underestimated, as much as -7 m/s at 30 m/s.Significant differences also exist between observations, with buoys and ASCAT-KNMI generally showing lower wind speeds than the platforms and other remote-sensing data used in this study(AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS and JASON-2).The newly empirically adjusted Charnock parameterization leads to higher winds compared to the default ECMWF parameterization. In a second part, we use the global ocean model TUGO fromLEGOS forced with ECMWF coupled wave-atmopshere model. We show that a wave-dependent rather than wind-dependent stress formulation is more appropriate, when the sea state is young and the sea rougher. It yields to simulated surges closer to observations (i.e. tide gauges and JASON-2 altimeter tracks). The wave impact on the surges is significant, and may reach 20 cm.