Simulations de l’hydrodynamique dans le lagon
Objectifs
Après calibration du modèle et ajustement des paramètres physiques et numériques on réalise une simulation sur une grande période afin de répondre à plusieurs questions :
- Comprendre et décrire la dynamique résiduelle (circulation filtrée de la marée) dans le lagon : évaluer la renverse du courant à l’entrée du lagon suite à un changement de régime du vent.
- Obtenir un signal de qualité de température et salinité de surface pour la surveillance du lagon.
- Déterminer une position propice pour un capteur de salinité à un endroit représentatif de la salinité du lagon. Pour ceci on va construire une carte de corrélation de la salinité de surface avec la salinité moyenne du lagon.
- Évaluer le transport des masses d’eaux (transport barotrope) dans chaque passe de l’est (sortie des masses d’eaux) et à l’entrée du lagon entre la grande terre et l’Ile des Pins; corrélation ou non avec la météo.
- Variabilité inter annuelle de la température et salinité de surface - reproduction ou non de l’oscillation australe ENSO : Phénomène climatique et océanographique lié à l’oscillation de pression atmosphérique dans le pacifique. C’est un phénomène périodique qui se manifeste sous deux formes possible appelées EL NINO et LA NINA.
En Nouvelle Calédonie, durant EL NINO les précipitations ont tendance à diminuer et les vents alizés à s’intensifier.
- Zones de courants max
Outils nécessaires à la réalisation d’une simulation numérique
La modélisation numérique requiert, au niveau technique, beaucoup de ressources informatique que l’on peut séparer en deux parties :
- Une puissance de calcul importante pour pouvoir résoudre les équations de la mécanique des fluides sur tout le domaine. La puissance requise va dépendre du nombre de mailles (unités) du domaine simulé qui lui même est déterminé par la taille de la région à modéliser (étendue du domaine) et par la résolution spatiale (échelle à laquelle sont représentés les paramètres physiques : typiquement cette échelle va de plusieurs kilomètres à quelques dizaines de mètres). Dans notre cas, le domaine en 3 dimensions possède : 486 x 211 mailles horizontales x 30 niveaux verticaux soit 3 076 380 cellules à calculer !
Afin d’obtenir un temps de calcul raisonnable on a recours à la parallélisation des codes de calcul : Celle-ci permet concrètement de répartir les calculs sur plusieurs processeurs en même temps. Le domaine est en fait divisé en sous domaines qui seront calculés simultanément par un processeur qui leur est propre. Pour cela il faut des Supercalculateurs équipés de plusieurs dizaines de processeurs. C’est le cas de la machine «Caparmor», le Supercalculateur de l’IFREMER situé à Brest. Le progrès en modélisation numérique dépend donc fortement du progrès en informatique.
- L’autre ressource indispensable à la modélisation océanique est l’espace de stockage. En effet les sorties des modèles et toutes les données nécessaires aux simulations demandent un espace disque de plusieurs centaines de Giga Octets.
Grâce au calculateur Caparmor, il est possible de simuler une année entière en seulement 27h et ceci en utilisant 64 processeurs sur le domaine du lagon sud de Nouvelle Calédonie.
Une telle performance permet donc de faire un nombre important d’essais, ainsi d’analyser plus vite les résultats et faire des corrections en conséquence. Enfin il est possible de réaliser des simulations très longues et aussi de mettre en place un système de prévision efficace.
Description succincte de la simulation du lagon sud entre 2001 et 2008
Cette simulation réaliste du lagon sud calédonien vise à reproduire l’hydrologie et la dynamique dans le lagon sur une période longue. On dispose en sortie :
- de la température et salinité de surface toutes les 24h,
- des champs 3D de température, salinité et vitesse ainsi que de l’élévation du niveau de la mer tous les trois jours, filtrés de l’effet de la marée afin de ne garder que le signal résiduel,
- des paramètres atmosphériques : flux de chaleur et tension du vent toutes les 24h,
- du transport très haute fréquence dans chaque passe à l’Est du lagon ainsi qu’entre la Grande Terre et l’Ile des Pins et entre l’Ile Ouen et la barrière.
Exemple de sorties du modèle MARS 3D
Animations
Comparaison modèle-observations
Les applications possibles du modèle :
- Surveillance continue du lagon : température, salinité.
- Calcul du potentiel énergétique des passes du lagon : application aux énergies marine renouvelables (mise en place d’hydrolienne).
- Suivi de panache d’émissaire d’usine ou de rejet urbain (station d’épuration).
- Suivi de panache à la suite de la crue d’une rivière.
- Suivi de pollution accidentelle.
- Calcul de temps de résidence des masses d’eaux dans le lagon,
- Calcul de l’âge des masses d’eaux.
Développements possibles :
- Construction d’un zoom à plus haute résolution (mailles de moins de 100m.) sur le Grand Nouméa par exemple pour application sanitaire (Schéma général d’assainissement). Un tel zoom nécessitera d’obtenir le vent à plus haute résolution nécessaire et de bénéficier d’une bathymétrie précise de la zone.
- Couplage avec un modèle de propagation de la houle (SWAN ou WaveWatch3).
- Couplage avec le module de sédimentologie.
- Couplage avec un module de trajectoire lagrangienne.
- Couplage avec un module de biogéochimie.
- Couplage avec un module biologie/écologie.