MODELISATION DE LA CIRCULATION DANS LE GOLFE DE FOS - Promotion 2002

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  • rapport de stage
  • cours - matière potentielle : son évolution récente
ECOLE SUPERIEURE D'INGENIEURS DE MARSEILLE Option : Génie Marin Promotion 2002 RAPPORT DE STAGE 3ème ANNEE : MODELISATION DE LA CIRCULATION DANS LE GOLFE DE FOS Caroline ULSES 11 mars – 6 septembre 2002 Tuteurs de stage : Patrick MARSALEIX1 et Christian GRENZ2 1Laboratoire d'Aérologie 2Laboratoire d'Océanographie et de Biogéochimie
  • forçages atmosphériques
  • équipe d'océanographie côtière
  • modélisation physique
  • apports d'eau douce
  • observation de l'ozone troposphérique aux moyens d'avions commerciaux
  • processus d'émission
  • golfe
  • modèles
  • modèle

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ECOLE SUPERIEURE D’INGENIEURS DE MARSEILLE


Option : Génie Marin

Promotion 2002













èmeRAPPORT DE STAGE 3 ANNEE :


MODELISATION DE LA CIRCULATION

DANS LE GOLFE DE FOS








Caroline ULSES


11 mars – 6 septembre 2002






1 2Tuteurs de stage : Patrick MARSALEIX et Christian GRENZ







1Laboratoire d’Aérologie

2Laboratoire d’Océanographie et de Biogéochimie


ECOLE SUPERIEURE D’INGENIEURS DE MARSEILLE


Option : Génie Marin

Promotion 2002













èmeRAPPORT DE STAGE 3 ANNEE :


MODELISATION DE LA CIRCULATION

DANS LE GOLFE DE FOS








Caroline ULSES


11 mars – 6 septembre 2002






1 2Tuteurs de stage : Patrick MARSALEIX et Christian GRENZ




1 2
Laboratoire d’Aérologie Station Marine Endoume
14, avenue Edouard BELIN Laboratoire d’Océanographie et de Biogéochimie
Rue Batterie des Lions 31400 TOULOUSE

13007 MARSEILLE


REMERCIEMENTS







Je tiens à remercier, en premier lieu, Christian GRENZ et Patrick MARSALEIX pour m’avoir proposé
ce sujet de stage, ainsi que Robert DELMAS pour m'avoir accueillie au sein du Laboratoire
d'Aérologie.

Je remercie, tout spécialement, mes responsables de stage, Patrick MARSALEIX, et Christian GRENZ
pour leur aide tout au long de mon étude.

Je tiens à remercier également tous les membres de l’équipe d’océanographie côtière : Claude
ESTOURNEL, Francis AUCLAIR, Claire JULLIAND et Ivane PAIRAUD pour leur aide, leur
disponibilité et leur gentillesse.

Un grand merci à Jean-Jacques NAUDIN pour nous avoir fourni les données de la campagne RHOFI.

Je remercie également David NERINI, pour ses conseils et les informations concernant l’Etang de
Berre qu’il nous a communiquées, Florent LYARD, Laurent ROBLOU et Julien LAMOUROUX pour
m’avoir épaulée dans l’exploitation des champs du modèle ALADIN.

Je remercie Catherine LE NORMANT, ingénieur au GEH Basse Durance pour ses informations
concernant le canal de St Chamas.

Enfin, mes remerciements s’adressent aussi aux informaticiens Serge PRIEUR et Laurent CABANAS.

Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie

SOMMAIRE

INTRODUCTION.....................................................................................................................................................................3

CHAPITRE 1
LE LABORATOIRE D’AEROLOGIE.................................................................................................................................5
1.1 LE LABORATOIRE D’AEROLOGIE..............................5
1.2 L’EQUIPE D’OCEANOGRAPHIE COTIERE...................................................................................................................6
1.2.1 Développement du modèle SYMPHONIE .....................................................................................................6
1.2.2 Dynamique du panache du Rhône..................7

CHAPITRE 2
CARACTERISTIQUES DU GOLFE DE FOS....................................................................................................................9
2.1 UNE BATHYMETRIE COMPLEXE :............................. 10
2.2 LES VENTS DOMINANTS............................................ 10
2.2.1 Vents de secteur Nord-Ouest.........................................................................................................................10
2.2.2 Vents de secteur Sud-Est................................10
2.3 LES APPORTS D'EAU DOUCE...................................................................................................... 11
2.3.1 Les apports d'eau douce du Rhône...............................................11
2.3.2 Les apports d'eau douce du canal de Caronte...........................11
2.4 LA STRATIFICATION DE LA COLONNE D'EAU.......... 12
2.5 LA CIRCULATION GENERALE DANS LE GOLFE DU LION....................................................................................... 12

CHAPITRE 3
LE MODELE NUMERIQUE ............................................................................................................................................... 14
3.1 PRESENTATION DU MODELE NUMERIQUE............... 14
3.1.1 Conservation de la masse..............................................................................................................................14
3.1.2 Conservation du mouvement.........................14
3.1.3 Equation de densité.........................................15
3.1.4 Equation de la turbulence..............................15
3.1.5 Conditions aux limites....................................................................................................16
3.1.6 Conditions à l'entrée du fleuve et des canaux............................18
3.1.7 La grille du modèle.........................................18
3.1.8 Initialisation et forçage..19
3.2 INTERCOMPARAISON ENTRE SYMPHONIE ET UN MODELE EXISTANT.............................................................. 20
3.2.1 Effet d'un vent de secteur Nord -Ouest.........................................20
3.2.2 Effet d'un vent de secteur Sud-Est................................................................................21

CHAPITRE 4
ÉTUDES DE SENSIBILITE................................................................................................................................................. 22
4.1 CONSTRUCTION DE GRILLES.... 22
4.1.1 Les grilles.........................22
4.1.2 Algorithme d’interpolation............................................................................................................................23


ème 1 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie
4.2 INFLUENCE DES ELEMENT S CARACTERISTIQUES DE BATHYMETRIE ET DU TRAIT DE COTE............................ 24
4.2.1 Influence des digues........................................................................................................................................24
4.2.2 Influence du They de la Gracieuse...............................................24
4.2.3 Conclusion........................................................................................................................25
4.3 AMELIORATION DE LA BATHYMETRIE.................... 25
4.4 LA COORDONNEE VERTICALE SIGMA GENERALISEE............................................................. 27
4.4.1 Introduction de la coordonnée sigma généralisée dans le modèle.........................27
4.4.2 La coordonnée sigma généralisée appliquée au Golfe de Fos................................................................28

CHAPITRE 5
INFLUENCE DES APPORT S D'EAU DOUCE / CAS ACADEMIQUES ................................................................. 32
5.1 SIMULATIONS AVEC UN VENT DE SECTEUR NORD-OUEST................................................... 33
5.1.1 Simulation 1 .....................................................................................................................33
5.1.2 Simulation 2 : Influence des apports de Caronte......................36
5.2 SIMULATION AVEC UN VENT DE SECTEUR SUD-EST............................................................. 37
5.3 SSUD-SUD-OUEST............................................... 38
5.4 SNT TOURNANT DE 120° A 330°.................... 40
5.5 CONCLUSION.............................................................................................................................. 42

CHAPITRE 6
IMBRICATION DE MODELES / CAS REALISTES ..................................................................................................... 43
6.1 INITIALISATION ET FORÇAGES................................. 43
6.1.1 Imbrication de modèles..43
6.1.2 Forçage fluvial................................................................................................................................................44
6.1.3 Forçage atmosphérique.44
6.2 RESULTATS................................................................................................................................................................. 45
6.2.1 Situation initiale..............45
6.2.2 Phase d’entrée d’eau douce dans le Golfe.45
6.2.3 Situation du 26 à 18 h.....46
6.2.4 Phase d’évacuation des eaux rhodaniennes vers le large........................................................................47
6.2.5 Evolution de la structure verticale...............................................48
6.3 CONCLUSION.............................................................................................. 48

CHAPITRE 7
COMPARAISON DES DONNEES DE LA CAMPAGNE MODELFOS 2 AVEC LE MODELE......................... 49
7.1 LA CAMPAGNE MODELFOS 2................................................................................................................................ 49
7.2 MODELISATION.......................................................... 50
7.2.1 Initialisation.....................................................50
7.2.2 Forçages fluviaux............................................................................................................50
7.2.3 Forçages atmosphériques..............................................................51
7.3 COMPARAISON DES PROFILS DE SALINITE ET TEMPERATURE DE LA CAMP AGNE MODELFOS 2 AVEC LE
MODELE................................................................................................................................................................................. 52
7.3.1 Evolution temporelle de la salinité à la station 24....................52
7.3.2 Salinité et température de surface le 10 et le 14 mai................53
7.3.3 Conclusion........................................................................................................................................................58

CONCLUSION........................................................................................................................................................................ 59
BIBLIOGRAPHIE.. 61
TABLE DES ANNEXES ....................................................................................................................................................... 63

ème 2 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie


INTRODUCTION







L'Océanographie côtière est aujourd'hui l'enjeu de nombreux intérêts écologiques. L'industrialisation
croissante et l'augmentation de l'activité humaine en zone côtière représentent de réels dangers pour
son environnement et peuvent avoir une influence considérable sur son écosystème. L'étude des
différents phénomènes côtiers a donc aussi pour objectif de comprendre et de prédire les risques liés à
l'aménagement du littoral, pour mieux les maîtriser. Ce type d'étude est particulièrement important
dans des zones où l'industrie énergétique nécessite de forts rejets d'eau douce. En effet, les apports
excessifs d'eau dessalée, riche en nutriments, dans un milieu pauvre, peuvent favoriser l'augmentation
de la Production pélagique, jusqu'à entraîner parfois un phénomène d'Eutrophisation, c'est à dire un
dépassement des limites de dégradation des matières organiques. Il en résulte des phénomènes
d'hypoxie, diminution de la concentration d'oxygène et même d'anoxie lorsque cette concentration est
nulle. Ce premier phénomène provoque la fuite des espèces pélagiques et le deuxième entraîne la mort
de nombreuses espèces benthiques (mollusques et crustacés).
Un autre phénomène lié aux apports continentaux en zone côtière concerne les rapports entre espèces
chimiques Silicates(Si) sur Azote (N) ou Silicates sur Phosphates. Avec l’évolution des apports par les
rivières, l’augmentation des phosphates proportionnellement aux nitrates (liés à l’usage des lessives) et
la constance des rejets de silicates dans le milieu marin, des études à long terme ont montré une
diminution sensible des rapports Si/N notamment en baie de Brest pendant les périodes estivales (Le
Pape et al., 1996). Certaines espèces de flagellés produisent des toxines capables de s’accumuler dans
les tissus des brouteurs et d’être transférées dans les niveaux trophiques supérieurs. Des blooms
toxiques sont de plus en plus fréquents et on retrouve des espèces comme Alexandrium,
Gymnodinium et Dynophysis un peu partout dans les écosystèmes côtiers. En l’occurrence, les
productions aquacoles sont sous haute surveillance et des interdictions de commercialisation des
produits de l’ostréiculture de l’étang de Thau par exemple sont de plus en plus fréquentes. La
connaissance du fonctionnement des Ecosystèmes côtiers et en particulier l’impact des apports
continentaux est donc une préoccupation majeure de la communauté scientifique marine.

Ce sujet de stage s'inscrit dans le cadre du programme européen "Oceanographic Application of
Eutrophication in Regions of Restricted Exchanges" (O.A.E.R.R.E.). Le Golfe de Fos, au centre de
mon travail, est une zone qui se prête particulièrement bien à cette étude: il est soumis à l'influence
d'apports d'eau douce, en provenance non seulement du Rhône mais aussi de la Durance. Ces eaux
proviennent du barrage de St Chamas, puis s'écoulent dans l'Etang de Berre, et enfin dans le canal de
Caronte, qui communique avec le Golfe. La partie occidentale du Golfe, l’Anse de Carteau est
également directement soumise à des apports d’eau douce par l’intermédiaire d’un canal reliant le
Rhône à une darse. Cette zone a un rôle socio-économique important dans le région puisqu’elle est
dédiée à l’aquaculture. La connaissance des temps de résidence de l’eau douce et des éléments qu’elle
transporte dans l’Anse est donc importante pour ces activités.


L’objectif de ce stage de recherche est de comprendre la circulation et l'impact des différents forçages
fluviaux et/ou atmosphériques dans le Golfe de Fos à l’aide d’une modélisation physique
tridimensionnelle. Le modèle SYMPHONIE utilisé pour cette étude, a été développé par l’équipe
d’Océanographie côtière du Laboratoire d’Aérologie. L’originalité des simulations numériques que
j’ai élaborées réside essentiellement dans le souci de réunir une représentation haute résolution du
Golfe de Fos ainsi que la prise en compte des échanges avec la circulation océanique du large et des
apports d’eau douce du Rhône en réalisant une descente d’échelle grâce à une imbrication de modèles.


ème 3 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie
Après une présentation de l’équipe d’Océanographie côtière du Laboratoire d’Aérologie au sein de
laquelle j’ai travaillé pendant six mois (chapitre 1), j’exposerai les résultats de mon étude : après une
description des principales caractéristiques du Golfe de Fos (chapitre 2), je présenterai le modèle
numérique, puis une intercomparaison entre SYMPHONIE et un modèle déjà existant (Grenz et al.,
1995) (chapitre 3). Une première étude de sensibilité à la représentation de quelques caractéristiques
topographiques du Golfe de Fos fera l’objet du chapitre 4. Celle-ci a conduit à la construction d’une
grille à 200 m de résolution, permettant une bonne modélisation des darses et du chenal d’accès qui
jouent un rôle significatif sur la dynamique du Golfe de Fos (chapitre 4). J’étudierai dans le chapitre 5
la réponse au vent du Golfe en stratification estivale ainsi que l’influence des apports d’eau douce dans
ce dernier. Je traiterai, ensuite, un cas réaliste simulé par l’imbrication successive de quatre modèles
de résolution croissante (chapitre 6). Enfin je comparerai les résultats obtenus par le modèle à des
mesures réalisées lors des campagnes MODELFOS 2 et RHOFI 1 (chapitre 7).

ème 4 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie
Chapitre 1
Le Laboratoire d’Aérologie



1.1 Le Laboratoire d’Aérologie

Le Laboratoire d'Aérologie (L.A.) est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université Paul
Sabatier de Toulouse, rattachée à l'Observatoire Midi-Pyrénées (O.M.P.).

En septembre 2001, le L.A. comprenait 37 chercheurs et enseignants chercheurs permanents, 29
ingénieurs, techniciens et administratifs et 24 doctorants et post-doctorants. Le laboratoire est installé
sur deux sites géographiques: Toulouse, site principal, et Lannemezan, où sont groupés les moyens
lourds d'observation.

L'activité scientifique a pour objectif l'observation, la compréhension et la modélisation des processus
dynamiques et physico-chimiques qui gouvernent l'évolution de l'atmosphère et de l'océan côtier.

Au cours de son évolution récente le Laboratoire d'Aérologie a affirmé sa vocation :

- à étudier les processus de petite et moyenne échelle dans le domaine de la physique, de la dynamique
et de la chimie atmosphérique comme : les transferts turbulents dans la couche limite atmosphérique,
la microphysique et les phénomènes électriques dans les systèmes nuageux, les processus d'émission et
dépôts de constituants mineurs au niveau de la biosphère continentale. Une attention particulière est
portée aux mécanismes de couplage entre les processus dynamiques et les processus physico-
chimiques.

- à agréger ces processus au moyen de la modélisation numérique à méso-échelle pour contribuer à
une meilleure connaissance de la dynamique et de la chimie troposphérique avec comme outil
principal le modèle tridimensionnel, non hydrosatique MESO-NH

Il a par ailleurs développé un groupe de modélisation numérique à méso-échelle de l'océan côtier
qui est le domaine océanique où les forçages atmosphériques ont une importance primordiale.
L'outil de travail de ce groupe est le modèle tridimensionnel SYMPHONIE.

Une autre vocation du laboratoire est désormais le développement de Services d'Observation. Il s'agit
de l'observation de l'ozone troposphérique aux moyens d'avions commerciaux instrumentés
(programme MOZAIC) et de la composition chimique de l'atmosphère et des précipitations en milieu
tropical (Réseau IDAF), et de la tache de service autour du code MESO-NH. Ces trois activités sont
labellisées par l'INSU. Deux autres services d'observation sont également maintenus par le
Laboratoire, il s'agit d'une contribution au réseau national de radars ST et de mesures en continu et à
long terme de divers paramètres atmosphériques à l'observatoire du Pic du midi de Bigorre.

Les compétences spécifiques du laboratoire concernent principalement les domaines suivants :

• Modélisation Méso-échelle ( Dynamique et physico-chimie atmosphérique)
• Dynamique de la couche limite atmosphérique, mesures aéroportées
• Mesures aéroportées d'ozone à grande échelle
• Physico-chimie de l'atmosphère tropicale
• Pollution atmosphérique à l'échelle régionale
• Electricité atmosphérique
• Etudes par radar des systèmes précipitants
• Modélisation de l'océan côtier

ème 5 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie
Le nombre d'enseignants chercheurs travaillant au laboratoire permet une participation importante aux
enseignements de l'Université Paul Sabatier dans le cadre de l'UFR-PCA (Physique-Chimie-
Automatique) :

• Enseignements généraux en 1° et 2° Cycle
• Enseignements spécialisés en DEUG, Licence et Maîtrise
• DEA OAB et PCE
• Implication croissante dans les enseignements spécialisés au niveau du Pôle Tarbais


Le laboratoire est structuré en trois départements (annexe 1) qui sont :

• Département "Modélisation numérique à mésoéchelle"
• Département "Physique et Dynamique Troposphérique Expérimentale"
• Département "Physico-Chimie Troposphérique Expérimentale"

Ces départements ne constituent pas une structure rigide, les unités de recherche principales sont, en
fait, les équipes thématiques de recherche qui coexistent et coopèrent entre elles au sein des
départements et avec celles des autres départements.



1.2 L’équipe d’Océanographie Côtière


Pendant ces dernières années, l’équipe d’Océanographie côtière a réalisé une série de développements
sur le code SYMPHONIE, afin de l’adapter aux problèmes physiques à traiter.

1.2.1 Développement du modèle SYMPHONIE

• La coordonnée sigma généralisée

L’introduction de la coordonnée sigma généralisée a été réalisée pour atteindre différents objectifs,
particulièrement importants pour la modélisation physique mais aussi biogéochimique et du transport
sédimentaire.


• Conservation de l’énergie et conditions aux limites

On entend généralement par conservation de l’énergie la capacité d’un modèle à représenter
correctement les processus de conversion d’énergie cinétique en énergie potentielle (et
réciproquement) qui se traduit principalement par une exigence d’harmonisation de la discrétisation du
gradient de pression et de l’advection verticale de la densité de l’eau. Cette contrainte, généralement
considérée comme indispensable pour réaliser des simulations de longue durée afin de garantir à long
terme la stabilité de la solution, est en fait respectée par quasiment tous les modèles de grande échelle.
Les modèles côtiers qui sont souvent utilisés sur des durées courtes ont tendance plutôt à privilégier
d’autres critères, comme par exemple la capacité des schémas d’advection à ne pas diffuser les
structures de petite échelle ou encore l’efficacité du calcul des ondes de gravité, qui peuvent être en
contradiction avec la notion de conservation d’énergie.

Les thèmes du transport sédimentaire et des cycles biogéochimiques développés dans le cadre des
programmes PNOC et METROMED dont un des objectifs est l’estimation de bilans à l’échelle
saisonnière et annuelle, ont conduit à envisager des simulations longues et donc à s’assurer que
Symphonie était conservatif. Ceci a entraîné un effort de développement du modèle, que ces

ème 6 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin Caroline ULSES Laboratoire d'Aérologie
spécificités (coordonnée sigma généralisée, ondes de gravité de surface calculée par la méthode des
pas de temps séparés, frontières ouvertes) ont rendu complexe. Ce travail a débouché sur une
amélioration du calcul des conditions aux limites ouvertes, basées sur une condition de type ´éponge´
dont la partie dissipation est évaluée non pas à priori mais à chaque pas de temps en fonction du flux
d’énergie au travers des frontières.



• Initialisation et forçage du modèle aux frontières ouvertes / Circulations de mésoéchelle en
Méditerranée Nord Occidentale

L’atout indispensable pour la modélisation côtière est la qualité du forçage aux limites ouvertes et du
forçage en surface. L’équipe d’Océanographie Côtière a décidé de s’attaquer à chacun de ces points
dans le but de pouvoir réaliser des simulations de la zone côtière à des échelles de temps pouvant aller
de la semaine à la saison, voire l’année.
Le problème de l’initialisation ou du forçage aux frontières des modèles côtiers (à surface libre) à
partir de données (observations ou données issues des modèles d’échelle plus large) est encore un
problème ouvert.
Pour résoudre le problème de l’initialisation et de forçage aux frontières du modèle côtier, Francis
Auclair a développé dans le cadre de sa thèse un modèle inverse construit sur la base des équations
discrètes linéarisées du modèle Symphonie. L’objectif du modèle inverse est de réaliser des
interpolations contraintes par les équations de Symphonie, par conséquent en mesure de produire des
états initiaux quasi équilibrés. Il permet d’éviter la phase d’ajustement perturbée par la propagation
d’ondes de gravité de surface. La méthode développée est une alternative aux méthodes utilisant
l’imbrication de grilles. Le découplage des modèles est plutôt un atout par sa souplesse : d’une part,
elle nous affranchit de la nécessité de comptabilité du modèle ´forçant´ et du modèle ´forcé´ qui
peuvent réaliser des choix différents appropriés à chaque échelle. D’autre part, elle permet les études
de sensibilité inhérentes à la recherche de l’impact de la physique sur les écosystèmes côtiers.

Forçage du modèle côtier par un modèle de grande échelle :
Dans un premier temps, le modèle inverse a été mis au point à partir d’expériences académiques.
Schématiquement, le modèle inverse permet de reconstruire à partir d’une circulation calculée sur une
bathymétrie lisse, les perturbations liées à la présence d’un canyon de dimension inférieure à la maille
de grande échelle. F. Auclair a appliqué la méthode pour initialiser le modèle sur le Golfe du Lion
avec les sorties du modèle de circulation générale MOM mis en oeuvre par P. de Mey du LEGOS.
L’analyse qualitative de ces résultats, encore préliminaires, montre une bonne représentation dans le
modèle côtier des structures données par le modèle de grande.



1.2.2 Dynamique du panache du Rhône

Les apports du Rhône sont indispensables à prendre en compte pour réaliser le bilan du carbone et des
éléments associés dans le Golfe du Lion. De plus, les apports d'eau douce peuvent influencer la
circulation océanique sur des étendues qui ne sont pas négligeables avec notamment des courants
rapides en surface et un mélange vertical réduit qui confèrent aux éléments transportés une dynamique
bien particulière.

Le modèle Symphonie a été appliqué à l'étude du panache du Rhône et, après avoir introduit un
schéma d'advection adapté à celle des structures frontales, l’équipe d’Océanographie Côtière s’est
d'abord attachée à la validation de ses résultats. Elle a pu comparer la répartition de la matière en
suspension charriée par le panache et observée par la télédétection satellitaire, à celle d'un traceur
passif introduit dans le modèle au niveau de l'embouchure. Pour réaliser ces simulations elle disposait
d'un certain nombre de mesures pour forcer le modèle, à savoir le débit du Rhône et le vent sur la zone
du panache. Cette étude, qui montra que le modèle dynamique reproduisait correctement la forme du

ème 7 Rapport de stage 3 année ESIM option Génie Marin