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Thèmes de recherche

par Herve Denis - 14 novembre 2016 ( maj : 15 décembre 2016 )

Les recherches de l’équipe s’organisent selon trois axes :

  • l’exploration des écoulements océaniques de fine échelle ;
  • l’étude du caractère chaotique et incertain de la dynamique océanique ;
  • la compréhension du rôle de l’océan dans la machine climatique.

Exploration des écoulements océaniques de fine échelle

La fine échelle océanique englobe tous les processus physiques d’échelle inférieure à 200 km (dans l’océan ouvert). Cela inclut une partie des processus de méso-échelle (d’échelle proche du premier rayon interne de déformation), ainsi que tous les phénomènes d’échelle inférieure. A méso-échelle, l’océan est peuplé de mouvements ondulatoires et de tourbillons cohérents, qui contribuent activement au transport de chaleur et de matière à travers les bassins océaniques et de l’équateur aux pôles. A sous-méso-échelle, l’océan est peuplé de tourbillons intenses, de fronts et de filaments, qui tous contribuent aux échanges verticaux entre l’océan intérieur et les couches superficielles, en particulier aux apports de nutriments depuis les couches profondes jusqu’aux couches ensoleillées où la production primaire peut avoir lieu.

Au cours des 20 dernières années, aussi bien les observations spatiales que les modèles d’océan ont montré l’omniprésence des processus de fine échelle et le rôle clé qu’ils jouent dans le fonctionnement de la machine climatique. Cependant, d’importantes questions restent posées, à tel point qu’une représentation réaliste des fines échelles dans un modèle d’océan demeure un problème ouvert. L’équipe MEOM contribue activement à l’exploration de la riche variété des processus de fine échelle, d’une part en améliorant la représentation de leur dynamique dans les modèles, et d’autre part en développant des méthodes innovantes pour détecter leur signature dans les observations. C’est parce que nous croyons en la complémentarité des travaux d’observation et de modélisation que nous développons des modèles réalistes à très haute résolution (comme la configuration NEMO pour l’Atlantique Nord au 1/60° de résolution) afin d’étudier comment les nouveaux instruments d’observation (comme l’altimètre SWOT) pourront percevoir les processus de fine échelle.

Des activités en cours dans notre équipe accompagnent et préparent les nouvelles missions spatiales d’observation de l’océan, comme SARAL/AltiKa (lancée en 2013), SWOT (prévue pour 2021), ou la mission d’observation géostationnaire de la couleur de l’eau OCAPI. Nous contribuons à la définition scientifique de ces missions et au développement des méthodes d’inversion et d’assimilation de données qui contribueront à mieux voir les fines échelles avec ces instruments. Nous poursuivons aussi le développement de techniques d’assimilation d’images à haute résolution de température de surface et de couleur de l’eau, déjà disponibles à la résolution kilométrique à partir des satellites existants.

Étude du caractère chaotique et incertain de la dynamique océanique

La dynamique océanique est décrite par des équations non-linéaires, qui décrivent l’évolution des différentes variables qui caractérisent l’état de l’océan (vitesse, température, salinité, etc). Du fait de la non-linéarité des équations d’évolution, la théorie prédit que l’évolution future de l’océan ne peut pas être indéfiniment prévisible, même si l’on connaissait parfaitement le forçage extérieur (en particulier le forçage atmosphérique).

Les modèles à haute résolution de l’équipe MEOM confirment que les simulations de l’océan peuvent dépendre beaucoup de petites perturbations de la condition initiale, même sur de très longues périodes (décennales et plus). En régime turbulent, les modèles d’océan sont des systèmes chaotiques, et cela sur une large gamme d’échelles de temps. Cela confère un caractère incertain aux prévisions, qui doivent donc être idéalement conduites sous la forme d’un ensemble de simulations représentant la distribution de probabilité des évolutions possibles de l’océan.

En plus de cette sensibilité aux conditions initiales, les modèles d’océan sont aussi incertains par construction, en raison de processus non-résolus par le modèle ou de la représentation approximative de la dynamique. L’équipe MEOM travaille donc aussi au développement de méthodes permettant d’inclure explicitement cette incertitude dans les simulations par l’intermédiaire de paramétrisations stochastiques. Ces simulations probabilistes incluant « l’erreur de modélisation » peuvent alors être contrôlées par des techniques d’assimilation appropriées afin de réduire l’incertitude des modèles par l’observation, et améliorer leur capacité de prévision.

Compréhension du rôle de l’océan dans la machine climatique

Le changement actuel des propriétés physiques de l’océan sous l’influence des activités humaines produit de nombreuses conséquences importantes : la circulation océanique contrôle en effet dans une large mesure la distribution de la biomasse océanique et les cycles biogéochimiques, l’acidification des océans, la séquestration du carbone dans l’océan, ou la structure régionale de l’élévation du niveau des mers.

Le rôle de la circulation océanique dans la machine climatique est lié à un éventail de mécanismes d’interaction d’échelles, depuis la turbulence à méso-échelle, qui contribue au transport de chaleur entre les zones tropicales et polaires, aux filaments à sous-méso-échelle, qui générent d’intenses échanges verticaux d’énergie et de constituants biogéochimiques. Cette structure fine de la circulation est mal observée et n’est pas représentée dans les modèles climatiques actuellement utilisées pour les prévisions de l’IPCC. Notre défi est donc de comprendre les mécanismes d’interaction entre ces processus de fine échelle et la variabilité climatique de l’océan à plus grande échelle.

Dans l’équipe MEOM, cette question est abordée en utilisant des modèles d’océan à très haute résolution. Ainsi, la hiérarchie de modèles DRAKKAR, basée sur des configurations globales et régionales à haute résolution de NEMO, est utilisée pour explorer l’effet de ces interactions d’échelles sur le système climatique (par exemple à travers les projets ANR OCCIPUT et SOBUMS).

Parmi les questions que nous nous posons, on citera en particulier : comment caractériser le processus de génération et décroissance des tourbillons de méso-échelle ? Quels mécanismes règlent la variabilité océanique aux échelles interannuelles et décennales ? Comment le changement des propriétés physiques de l’océan peut influencer les cycles biogéochimiques ? Quel est l’impact des courants de bord sur la variabilité à grande échelle ? Quel fraction de la variance à basse fréquence de l’océan est directement contrainte par le forçage atmosphérique ? Quel est l’effet intégré de la turbulence à sous-méso-échelle sur les transferts verticaux d’énergie et de matière ?