Méthodes

Détails techniques

Sources des champs de vitesse et leurs limitations

  1. Sources des champs de vitesse

    Le champ de vitesse est calculé en tant que somme de cinq composantes : la moyenne saisonnière à long terme, les réponses à la tension du vent le long du plateau et perpendiculairement au plateau et au forçage au niveau de la mer à la limite amont, et les courants de marée M2. Une description détaillée de la procédure de calcul des champs composites est donnée dans Hannah et al. (2000) pour une application nécessitant l’estimation de la circulation moyenne mensuelle à proximité du banc de Browns. Une brève description est donnée ici.

    Pour cette application, il y a quatre saisons : le printemps, l’été, l’automne et l’hiver, qui représentent le cycle saisonnier. Les champs de vitesse ont été calculés pour un domaine d’applicabilité du modèle couvrant la plate-forme Néo-Écossaise et le golfe du Maine, de l’île du Cap-Breton au cap Cod. Hannah et ses collaborateurs (2001) décrivent la procédure de calcul et présentent une comparaison avec les observations des courants par dispositifs ancrés. Shore et ses collaborateurs (2000) décrivent les trajectoires de dérive dans la couche supérieure de l’océan dans ces champs de circulation.

    Les réponses à la tension longitudinale et transversale ont été calculées à l’aide d’un modèle barotrope linéaire à trois dimensions (Lynch et al. 1992) utilisant des coefficients spécifiés de viscosité turbulente verticale et de frottement sur le fond. Les élévations aux frontières ont été fixées à zéro le long des frontières amont et extracôtières. Les coefficients de mélange vertical étaient basés sur un mélange d’un profil empirique de la couche supérieure de l’océan et les coefficients de mélange vertical tirés de la solution du printemps (Hannah et al. 2000). Les coefficients de frottement sur le fond ont été obtenus en prenant la moyenne temporelle de la solution du printemps, plus le frottement supplémentaire sur le fond dû à un écoulement non modélisé de 10 cm/s. Les profils de réponse sont similaires à ceux décrits dans Greenberg et al. (1997).

    La réponse en vitesse au forçage aux frontières a été calculée en utilisant le même modèle barotrope linéaire, les mêmes coefficients de frottement sur le fond et les mêmes viscosités turbulentes verticales que ceux utilisés pour la réponse à la tension du vent. Le forçage à la frontière amont a été spécifié en tant que diminution linéaire de l’élévation de la côte jusqu’au milieu du plateau, le reste des frontières amont et extracôtières étant fixé à zéro. Le forçage spécifié par l’utilisateur pour cette composante est l’anomalie du niveau de la mer ajustée à Halifax. L’anomalie est déterminée par rapport à la combinaison du cycle saisonnier et de l’effet du forçage du vent local. Cette composante du forçage est examinée plus en détail ci-après.

    Les courants de marée M2 tirés de Hannah et al. (2001) sont inclus dans le calcul du champ de vitesse.

    Pour les calculs de la dérive, tous les champs de vitesse ont été verticalement moyennés. Les intervalles disponibles sont : 0-5 m (surface), 25-35 m (25 m), et 95-105 m (100 m). Lorsque l’intervalle de calcul de la moyenne recoupe le fond, on a utilisé la moyenne sur les 10 m du fond.

    Lorsque le suivi est effectué dans la couche de surface, l’utilisateur a la possibilité d’inclure une dérive supplémentaire due aux vitesses proches de la surface qui ne sont pas incluses dans les champs modélisés et l’effet direct du vent sur l’objet. La dérive supplémentaire est spécifiée sous forme de fraction de la vitesse du vent spécifiée par l’utilisateur et d’une rotation.

    L’algorithme de suivi est basé sur le programme DROG3D développé par Cisco Werner et Brian Blanton (Werner et al. 1993; Blanton 1995; www.opnml.unc.edu).

  2. Limitations

    Il est important de comprendre les limitations des champs de circulation utilisés pour calculer les trajectoires de dérive.

    • Composante de la circulation moyenne saisonnière

      Les champs sont une représentation réaliste en 3D de la circulation saisonnière sur l’ouest et le centre de la plate-forme Néo-Écossaise tirée des observations historiques et d’une combinaison de modèles numériques de diagnostic et de pronostic, avec forçage selon les marées, la tension du vent et les gradients de pression baroclines et barotropes. Les caractéristiques majeures des courants – le courant de la Nouvelle-Écosse et du bord du plateau, qui coulent vers le sud-ouest, et les gyres partielles autour des bancs de Browns et de l’Île de Sable – persistent à l’année longue, bien qu’avec des variations saisonnières importantes.

      La qualité des champs de courant varie dans la région. Comme le décrivent Hannah et ses collaborateurs (2001), la comparaison avec les observations des courantomètres indique une bonne concordance pour le banc de Browns, le sud-ouest de la Nouvelle-Écosse et l’intérieur du plateau, et une moins bonne correspondance pour le banc de l’Île de Sable et le bord du plateau, où les observations des courants et de la densité sont plus rares et les influences des marées plus faibles. La concordance avec les observations sur le banc de Georges est également bonne. Il n’y a pas eu de comparaison systématique avec les observations dans le Golfe du Maine, principalement en raison du nombre limité d’observations pluriannuelles.

      La variabilité temporelle sur les échelles de temps, allant d’une échelle horaire à une échelle interannuelle et plus, n’est pas toujours prise en compte par le calcul de la moyenne saisonnière climatologique. Par exemple, la circulation pour un mois d’avril ou de mai en particulier sera différente de l’autre et des conditions printanières moyennes.

    • Écoulement dû au vent

      L’écoulement dû au vent a deux composantes : la réponse locale au vent et la réponse au champ de pression à la surface de la mer créé par le champ de vent à grande échelle. Les vents spatialement uniformes donnent lieu à des erreurs dans les deux. La tension du vent près de l’objet dérivant peut être différente en magnitude et en direction du point d’observation le plus proche et les vents loin de l’objet dérivant jouent un rôle important dans la formation du champ de pression, qui est une composante importante du champ de vitesse près de l’objet dérivant.

      Le calcul suppose également une réponse quasi stationnaire au vent, ce qui peut conduire à des erreurs pour la direction et la magnitude. Ces erreurs dépendent de la structure spatio-temporelle du champ de vent et n’ont pas été quantifiées.

      La structure verticale fixe de l’écoulement dû au vent est également une limitation. Les viscosités turbulentes verticales sont basées sur les solutions modélisées du printemps. Ainsi, la couche de surface mélangée par le vent sera trop profonde en été et pas assez en hiver. Il se peut aussi que les profondeurs de la couche de mélange soient systématiquement sous-estimées parce que les effets des tempêtes n’ont pas été inclus dans les simulations des moyennes saisonnières. En outre, des événements tels que l’approfondissement de la couche de mélange à la suite d’une tempête particulière ne sont pas pris en compte.

    • Écoulement dû au forçage aux frontières

      Il est difficile de connaître l’amplitude correcte de ce terme de forçage. Le niveau de la mer ajusté à Halifax (niveau de la mer plus pression atmosphérique) contient les contributions du vent sur la plate-forme Néo-Écossaise, du vent sur les régions du plateau au nord et à l’est, des changements du champ de densité sur la plate-forme Néo-Écossaise, des changements du champ de densité sur les régions du plateau au nord et à l’est et des changements du champ de densité sur le talus néo-écossais. Les composantes requises sont celles qui sont dues aux changements des champs de vent et de densité sur les régions du plateau au nord et à l’est, et seulement la partie qui s’écarte du cycle saisonnier. En outre, la structure spatiale de la composante de l’écoulement dû au forçage aux frontières est fixe, et la structure spatiale spécifiée du forçage aux frontières ne correspondra pas toujours à toutes les situations. De larges incertitudes entourent cette composante.

    • Courants de marée

      Le fait de n’avoir qu’une seule composante de marée entraîne des limitations pour les études de la structure à petite échelle des trajectoires. Dans le golfe du Maine, les autres composantes semi-diurnes contribuent à la fois à la phase et à l’amplitude des courants de marée et, sur la plate-forme Néo-Écossaise, les composantes diurnes de la marée peuvent être importantes.

Détails sur les effets moyens saisonniers du vent :

Dans sa configuration actuelle, WebDrogue soustrait la tension moyenne saisonnière du vent de la tension du vent définie par l’utilisateur pour calculer la réponse en vitesse associée à la réponse océanique à la tension du vent (la réponse d’Ekman et les courants associés aux gradients de pression de surface qui surviennent lors de la réponse océanique au vent). C’est la réponse aux vents le long du plateau et perpendiculairement au plateau qui est traitée ici dans la documentation.

Si la « tension du vent définie par l’utilisateur » est de zéro (valeur par défaut) et si la tension moyenne saisonnière du vent est différente de zéro (voir plus bas), WebDrogue calcule alors la réponse en vitesse associée à la valeur négative de la tension moyenne saisonnière du vent et l’ajoute aux courants moyens. On n’obtient donc pas la circulation moyenne saisonnière lors d’un suivi avec une tension nulle du vent. Cette situation est un peu ennuyeuse, mais pas nécessairement fausse.

Parmi les quatre ensembles de données actuellement disponibles, seul celui de la plate-forme Néo-Écossaise, golfe du Maine (aussi appelé cg1), a des valeurs différentes de zéro pour les tensions moyennes saisonnières du vent.

Pour éliminer les tensions moyennes saisonnières du vent du calcul à l’aide d’une drogue à courant dans le domaine de la plate-forme Néo-Écossaise, golfe du Maine, l’utilisateur a le choix entre deux possibilités :

  1. Ajouter un forçage du vent qui annulera (approximativement) la tension moyenne saisonnière du vent. Les valeurs appropriées de vitesse et de direction du vent sont énoncées ci-après.
    SaisonVitesse du vent (m/s)Direction du vent (deg. CW depuis le N.)
    Hiver4,91291
    Printemps2,84280
    Été2,87212
    Automne3,22278
  2. Éditer le fichier de données et régler les tensions du vent à zéro. Le fichier à éditer est >WebTide Home Directory</data/cg1/vel_data.txt. Les lignes à éditer sont celles sous les étiquettes >SEASON<STRESSX et >SEASON<STRESSY du formulaire, où >SEASON< représente l’hiver (WINTER), le printemps (SPRING), l’été (SUMMER) ou l’automne (FALL). Pour les valeurs sous chaque étiquette, inscrire « 0,0 ».

Références

Blanton, B. 1995. DROG3D: User's Manual for 3-Dimensional Drogue Tracking on a Finite Element Grid with Linear Finite Elements. Program in Marine Sciences, University of North Carolina, Chapel Hill, NC, 13 pp.

Greenberg, D. A., Loder, J. W, Shen, Y, Lynch, D. R, and Naimie, C. E. 1997. Spatial and temporal structure of the barotropic response of the Scotian Shelf and Gulf of Maine to surface wind stress: a model based study. J. Geophys. Res. 102: 20897-20915.

Hannah, C. G., J. A. Shore and J. W. Loder. 2000. The retention-drift dichotomy on Browns Bank: a model study of interannual variability. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 57: 2506-2518.

Hannah, C. G., J. Shore, J. W. Loder, and C. E. Naimie. 2001. Seasonal circulation on the western and central Scotian Shelf. J. Physical Oceanography. 31:591-615.

Lynch, D. R., Werner, F. E, Greenberg, D. A, and Loder, J. W. 1992. Diagnostic model for baroclinic, wind-driven and tidal circulation in shallow seas. Cont. Shelf Res. 12:37-64.

Shore, J. A., C. G. Hannah and J. W. Loder. 2000. Drift pathways on the western Scotian shelf and its evirons. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 57: 2488-2505.

Werner, F., Page, F., Lynch, D., Loder, J., Lough, R., Perry, R., Greenberg, D., and Sinclair, M. 1993. Influence of mean advection and simple behavior on the distribution of cod and haddock early life stages on Georges Bank. Fish. Oceanogr. 2: 43-64.