Evidence and reduction of spurious numerical mixing in a numerical model of the ocean under strong internal tide forcing, as case study in the South-East Asian Seas

Les mers d'Asie du Sud-Est, une série de bassins semi-fermés situés au carrefour entre les océans Pacifique et Indien, occupent une position unique dans la circulation océanique et atmosphérique globale. L'interaction d'un forçage atmosphérique intense avec les ondes internes particulièrement puissantes générées par la bathymétrie complexe de la région induit un mélange et une transformation significative des masses d'eau qui transitent entre les deux océans à travers les nombreux détroits de la région.Cela module les propriétés de surface et affecte la structure verticale des masses d'eau dans les bassins voisins sur différentes échelles de temps, en interaction étroite avec divers phénomènes atmosphériques à différentes échelles, depuis la convection atmosphérique profonde jusqu'aux phénomènes climatiques tels que l'oscillation australe El Niño ou l'oscillation décennale du Pacifique. Comprendre et modéliser précisément le mélange océanique qui se produit dans cette région, et en particulier la physique du mélange induit par les ondes internes, est un enjeu important pour mieux représenter et étudier le climat actuel et futur.Visant à représenter et résoudre la complexité des processus continus sur des grilles discrètes, les simulations numériques utilisées pour étudier l'océan ont une tendance fondamentale à générer des erreurs numériques qui doivent être contrôlées pour maintenir leur intégrité. Le mélange numérique entre couches de densités (isopcynes) différentes est particulièrement problématique. La physique du mélange dans cette direction est, bien que d'une importance majeure, assez subtile, encore mal comprise, et peut facilement être masquée et biaisée par l'accumulation d'erreurs numériques.Dans les modèles numériques qui utilisent des niveaux verticaux fixes pour représenter la physique tridimensionnelle de l'océan, le transport à travers ces niveaux - et les erreurs associées à leur discrétisation - constitue la principale source de ce mélange parasite à travers les isopycnes.Ce travail vise d'abord à illustrer et quantifier le fait que, dans la mesure où ces erreurs croissent avec la magnitude des vitesses, la résolution explicite dans un modèle des forts déplacements verticaux générés par les ondes internes entraînera des niveaux intenses de mélange parasite dans les mers d'Asie du Sud-Est si l'on ne prend pas soin de la manière dont l'advection verticale est traitée.En utilisant le modèle numérique de dynamique océanique Symphonie, nous montrons que, bien que la représentation des ondes internes soit essentielle pour une simulation correcte des masses d'eau dans la région, les erreurs numériques générées par l'utilisation d'un schéma d'advection verticale trop diffusif peuvent biaiser sévèrement les résultats, et provoquer notamment une érosion indésirable des profils de salinité.Nous comparons ensuite dans un cadre théorique les propriétés de différents schémas d'advection verticale et leur capacité à maintenir de faibles niveaux de mélange numérique lorsqu'ils sont utilisés pour transporter les champs de température et de salinité dans des conditions imitant les mouvements périodiques et quasi permanents des ondes internes dans un modèle numérique.Enfin, reconnaissant que la réduction du mélange numérique ne peut être correctement atteinte sans prendre en compte les propriétés de l'algorithme d'intégration temporelle, nous proposons une nouvelle manière de concevoir ces schémas, visant à contrer ce mélange parasite.Globalement, ce travail propose donc une étude approfondie de la manière dont l'advection verticale est traitée dans un modèle à coordonnées fixes et suggère des moyens d'améliorer cette représentation.