Thèmes de recherche

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

• Axe 1 – Stochasticité naturelle de la variabilité océanique
• Axe 2 – Sources d’erreurs de modélisation, paramétrisations et quantifications des incertitudes
• Axe 3 – Synergies modèles/observations, inversions, aide à la conception des systèmes d’observation
• Axe 4 – Transport lagrangien, connectivités écologiques et applications aux basses latitudes en lien avec les pays du Sud

Axe 1 – Stochasticité naturelle de la variabilité océanique

L’analyse de simulations turbulentes ensemblistes globales (OCCIPUT, IMHOTEP) et régionales (MEDIATION) réalisées dans l’équipe a démontré qu’une part notable de la variabilité océanique est aléatoire et spontanément générée par les non-linéarités de sa dynamique (des tourbillons à l’échelle de bassins, de la journée à plusieurs décennies), et que la phase de cette variabilité n’est que partiellement contrôlée par l’atmosphère. Nous proposons de prolonger l’étude de cette variabilité naturelle stochastique et de ses implications dans 2 nouvelles directions : (i) caractériser sa structure multivariée à différentes échelles dans des régions d’intérêt comme la Méditerrannée (contexte MEDIATION), les zones côtières ou l’Indien sud-ouest (contexte BRIDGES) ; (ii) évaluer son impact sur la prévisibilité de fluctuations océaniques (niveau des mers le long des côtes, vagues de chaleur marine) et les incertitudes d’indices lagrangiens (transformation de masses d’eau, connectivité).

En termes méthodologiques, nous envisageons d’explorer plus avant l’apport de notions issues des théories de l’information et des systèmes dynamiques pour mieux comprendre la variabilité stochastique de l’océan simulée via les ensembles (collaboration Univ. Naples), et l’utilisation de cette dimension ensembliste pour caractériser les interactions courant-turbulence et les interactions d’échelle de manière locale et instantanée (collaboration T. Uchida, L. Sun, Q. Jamet dans le sillage du projet CONTaCTS, voir Uchida et al 2022).

Le coût élevé des simulations turbulentes ensemblistes motivera en outre la poursuite de collaborations sur l’augmentation a postériori de la taille de simulations ensemblistes par une approche d’analogues (collaboration LOPS, IMT-Atlantique), et l’exploration de modèles océaniques comme Oceananigans pouvant être intégrés sur GPU pour fortement réduire le coût énergétique de simulations turbulentes ensemblistes (collaboration MIT). Une collaboration avec les chercheurs de l’IGE s’investissant sur l’IA pourrait permettre à terme le développement de paramétrisations qui rendraient stochastiques les composantes océaniques non turbulentes des simulateurs utilisés aujourd’hui pour les projections climatiques.

Axe 2 – Sources d’erreurs de modélisation, paramétrisations et quantifications des incertitudes

La stochasticité naturelle de l’océan amplifie irréductiblement les incertitudes sur les conditions initiales des modèles, mais beaucoup d’autres incertitudes les affectent. Notre compréhension des sources d’erreur dominantes dans les modèles océaniques et de leurs effets cumulés, et des biais systématiques constatés à partir d’observations est encore très partielle, nécessitant de poursuivre des études de processus et des développements méthodologiques à caractère assez fondamental pour aller vers une vision quantitative plus fondamentalement « probabiliste » de la modélisation numérique. La nouvelle fonctionnalité ensembliste/stochastique que nous avons récemment introduite dans CROCO ouvre des perspectives pour étendre l’approche de l’océan hauturier au régional/côtier.

Dans le contexte de MEDIATION, nous collaborons avec les numériciens de l’INRIA (équipes AIRSEA et ODYSSEY) ce qui a notamment permis de montrer les liens entre le cadre Location Uncertainty ( décomposition de la vitesse en une composante résolue et une composante aléatoire non résolue décorrélée en temps) et les incertitudes de localisation par perturbation de grille (Clément et al., 2025). Les incertitudes liées aux paramétrisations des processus sous-maille (turbulence méso- et sous-méso-échelle, mélange convectif) est un autre sujet d’intérêt commun qui pourrait par exemple prolonger les travaux de Legay et al (2024) et Perrot et al (2025).

Nous souhaitons renforcer ces collaborations pour mieux tirer parti des approches multi-fidélité (continuum des LES jusqu’aux simulations eddy-permitting). Les travaux portant sur l’apprentissage statistique d’émulateurs « bas coût » qui permettraient d’aller vers de grands ensembles est un autre thème d’intérêt prometteur. Nous envisageons de re-soumettre le projet Noise Optimisation for models under Uncertainty In Location for Large Eddy Simulations of oceanic flows non retenu dans le cadre du PEPR MATH Vives pour étendre ces recherches au-delà de MEDIATION (i.e. post-2028). L’évolution (en cours) de MANU vers un programme national renforcé autour des interactions Math/géosciences, le cadre existant IMPT et le GdR Défis-Théo-Climat est un contexte porteur pour ces activités, qui devrait également favoriser le renforcement de l’équipe par un recrutement permanent.

Axe 3 – Synergies modèles/observations, inversions, aide à la conception des systèmes d’observation

Les synergies entre approches numériques (modélisation, assimilation, inversion) et observations satellite/in-situ constituent un ADN reconnu de l’équipe : les simulations aident à l’interprétation de la variabilité observée et la détection/attribution des tendances long terme ; les données synthétiques issues des simulations nourrissent des OSSE guidant l’optimisation des systèmes d’observation, l’analyse et l’assimilation des futures données. Des OSSEs et données synthétiques ensemblistes permettront d’accroître ces bénéfices croisés par leur dimension probabiliste.

Un objectif affiché du dernier quinquennat était de construire un cadre plus générique de résolution des problèmes inverses, avec le double souci de décrire l’incertitude sur les solutions produites, et de maîtriser les coûts calcul. Le concept d’inversion 4D par méthode MCMC démontré dans SEAMLESS ouvre des perspectives nouvelles notamment pour la réalisation d’OSSEs ensemblistes sur calculateurs GPUs.

Nous souhaitons poursuivre cet axe dans le contexte des nouveaux enjeux qui sous-tendent la feuille de route nationale OSSE décidée récemment par l’INSU (projet SNOOPI), visant à faire émerger et consolider les méthodes et outils numériques permettant d’optimiser le design des réseaux nationaux d’observation des domaines OA, SIC et TS. Un objectif sera de consolider le cadre méthodologique, et d’augmenter la flexibilité et la robustesse des outils nécessaires aux OSSEs, tout en rendant leur application plus systématique et moins tributaire de chaînes opérationnelles encore peu accessibles au monde académique. Il s’agira également de partager ces outils avec une communauté scientifique d’utilisateurs académiques et non académiques incluant potentiellement DATLAS. Ce volet d’activité permettra de nouer de nouvelles collaborations avec les observateurs de terrain en lien avec les services labellisés in situ (MOOSE en Méditerranée), les codes communautaires (NEMO, CROCO), les infrastructures de recherche (Data Terra, ILICO, Euro-ARGO) mais également avec les projets spatiaux de la récente prospective spatiale du CNES (ODYSEA, SMOS-HR, couleur de l’eau géostationnaire).

Axe 4 – Transport lagrangien, connectivités écologiques et applications aux basses latitudes en lien avec les pays du Sud

Une dimension que nous avons encore peu explorée jusqu’ici concerne la simulation probabiliste du transport lagrangien de substances biotiques et abiotiques dans l’océan. Le cadre ensembliste donne l’occasion de revisiter cet aspect et de nourrir de nouvelles applications telles que l’identification de patterns de connectivités écologiques à l’échelle régionale, dont une description probabiliste est clé pour le design de réseaux d’aires marines protégées efficaces. Le contexte nouveau du traité international BBNJ, le démarrage en 2024 du PEPR BRIDGES et notre engagement pour développer des avatars numériques basés sur CROCO sur la région Indien Sud ouvre l’opportunité d’un chantier « basses latitudes » allant de l’Afrique du Sud à l’Equateur, répondant à la recommandation de la dernière évaluation HCERES d’inscrire davantage nos recherches au Sud.

Le renforcement de notre équipe par un recrutement chercheur(e) IRD dans ce contexte deviendrait beaucoup plus naturel, avec en complément le recrutement d’un ingénieur « longue durée » prévu pour accompagner l’avatar numérique BRIDGES à l’IGE à partir de 2027. Le nouveau projet européen OPERA qui démarre sur la prévision océanique sur le pourtour africain (coord. MOI) sera l’opportunité de renouveler notre lien à l’océanographie opérationnelle, avec des partenaires nouveaux, des problématiques applicatives nouvelles et des enjeux de formation au Sud. BRIDGES ouvrira également de nouvelles possibilités de collaborations pluri-disciplinaires avec les socio-écologues de l’IGE mais également avec des laboratoires INEE implantés dans l’hexagone et outre-mer (ENTROPIE à La Réunion).