Objectifs

Axe 1 : Diagnostiquer la référence, la variabilité et les tendances de l'état de l'océan et leurs relations avec les forçages (naturels et anthropiques)

B. Blanke, A. Colin de Verdière, N. Daniault, F. Gaillard, N. Kolodziejczyk, P. Lherminier, C. Maes, G. Maze, H. Mercier, M. Ollitrault, V. Thierry

Au cours des dernières décennies, le site brestois a fortement contribué au diagnostic de l’état de référence et de la variabilité de la circulation océanique, des propriétés des masses d’eau et de la turbulence méso-échelle (Roullet et al. 2014). Ces travaux ont été menés en Atlantique Nord dans le cadre du projet OVIDE (Mercier et al. 2015, Thierry et al. 2008), en Atlantique Sud dans le cadre des projets GoodHope et SAMOC (Meinen et al. 2012), et à l'échelle globale avec l’analyse ISAS des contenus thermique et halin (von Schuckmann et al. 2009) et l’atlas ANDRO des courants à 1000m à partir des données Argo (Ollitrault et al. 2013, Ollitrault et Colin de Verdière 2014). Dans la continuité de ces travaux, les objectifs de l’équipe pour les 5 prochaines années sont :

-  Maintenir et consolider les séries temporelles existantes (OVIDE, ARGO), les indices (MOC) et produits (ISAS, ANDRO) mis en place pour mettre en évidence les signaux de variabilité basse-fréquence. La richesse et l’intérêt d’une série temporelle croissent en effet avec sa longueur.

-  Développer de nouveaux indicateurs pertinents. Les candidats identifiés concernent l’océan profond et notamment son contenu thermique, le contenu en oxygène pour mieux tracer les masses d’eau et les chemins de ventilation vers l’océan profond, la thermocline qui limite les échanges entre les couches superficielles et profondes aux moyennes latitudes, les contenus énergétiques de la turbulence méso-échelle, la salinité, et la stratification. Les zones géographiques privilégiées sont l’Atlantique du nord au sud, et l’océan global.

Figure: Exemple de profils température, salinité, oxygène des nouveaux profileurs développés dans le cadre de l'equipex NAOS.

 

 

Ces travaux seront menés dans le cadre des projets ANR GEOVIDE, EQUIPEX NAOS, ANR ArgoTurb, AtlantOS (H2020), SEACS et GLOSCAL. Ils bénéficieront des actions réalisées dans le cadre du SNO Argo et de la TGIR Euro-Argo, et s'appuieront sur les simulations numériques réalisées dans le cadre du GDRI Drakkar. Les études dans l’océan Austral se poursuivront en collaboration avec l’ENS/LMD (S. Speich).

Axe 2 : Améliorer la compréhension des mécanismes de variabilité interne, forcée et couplée du système océan-atmosphère-glace de mer

O. Arzel, A. Colin de Verdière, T. Huck, N. Kolodziejczyk, P. Lherminier, C. Lique, G. Maze, H. Mercier, V. Thierry, A.M. Treguier

La variabilité océanique résulte de plusieurs paradigmes : réponse aux variations du forçage atmosphérique, mode de variabilité interne (éventuellement amorti et excité par le bruit atmosphérique) ou couplé, ou encore signature de la turbulence mésoéchelle. Diverses périodes interannuelles (NAO) à multidécennales (AMO) sont mises en évidence dans les observations dans l'Atlantique, avec des signatures parfois peu robustes. Nos objectifs des 5 prochaines années sont de :

-                         Mener des analyses jointes des bases de données “océan”, “atmosphère” et “cryosphère” afin de compléter le diagnostic de l’état de référence et de la variabilité océanique saisonnière à multidécennale, d’identifier les modes de variabilité océanique et de la glace de mer en lien avec les principaux forçages et modes de variabilité atmosphériques (NAO, ENSO, régimes de temps...), et de bien comprendre le rôle de l’océan dans la variabilité du système climatique. Pour mener à bien ces analyses, il est fondamental de maîtriser les méthodes permettant de traiter une grande quantité et diversité de données parfois à faible rapport signal sur bruit : nous mettrons en œuvre des méthodes statistiques pertinentes (EOF, analyse spectrale…) et adopterons les méthodes développées en exploration de données (classification, reconnaissance de forme...). Ces travaux seront menés dans le cadre des projets ANR GEOVIDE, AtlantOS (H2020), VENTHSAL (Ifremer).

-                         Préciser les caractéristiques de la variabilité associée à différents mécanismes dans des configurations de plus en plus réalistes incluant circulation forcée par le vent, circulation thermohaline, turbulence méso-échelle, et couplage atmosphérique. Le développement d'outils d'analyse de stabilité linéaire et généralisée originaux autour de modèles shallow-water et aux équations primitives (NEMO) permettra de rationaliser l'émergence de variabilité et de mieux identifier et quantifier les processus moteurs. Ces travaux s'intègrent dans un projet CNES/OST Chaocean en collaboration avec le LGGE (PI T. Penduff) et le NOCS (F. Sévellec). Les interactions avec la turbulence méso-échelle et le couplage atmosphérique sont précisées dans la prospective de l'équipe 1.

Axe 3 : Améliorer la compréhension des processus et leur représentation dans les modèles

B. Blanke, N. Daniault, B. Ferron, J. Gula, N. Kolodziejczyk, P. Lherminier, C. Lique, G. Maze, H. Mercier, C. Talandier, V. Thierry, A.M. Treguier, T. Petit (doctorante)

Les structures topographiques (bassins, rides océaniques) ont une influence majeure sur la circulation océanique, conditionnant l’existence des courants de bord ouest ou la propagation des masses d’eau profondes. À plus petite échelle, monts sous-marins, zones de fractures, seuils et rugosité du fond affectent la circulation et les masses d’eau profondes à travers différents mécanismes dynamiques incluant le forçage de la vitesse verticale et du mélange turbulent vertical. L'étude de ces processus est un réel défi parce qu’ils se développent sur une large gamme d’échelles spatio-temporelles et dans un système compliqué de courants forcés par le vent, les flux de flottabilité, le mélange, la marée et les tourbillons. Le mélange diapycnal et la dissipation d'énergie cinétique et de traceurs, forcés ou non par les interactions courant-bathymétrie, sont des paramètres clés pour la stratification des océans et leur équilibre énergétique. La méconnaissance de leur distribution spatio-temporelle et des processus générateurs affecte leur paramétrisation dans les modèles de circulation générale, et donc altère l’état moyen et la variabilité simulés.

 La stratification est également un paramètre clé du système climatique qui conditionne les processus de ventilation océanique. La ventilation résulte d’un équilibre entre subduction d’une masse d’eau après formation dans la couche de mélange, circulation, mélange et réémergence. La variabilité du climat est en grande partie contrôlée par les échelles de temps liées à ce cycle. Les signaux climatiques pénètrent lentement l'océan profond par les hautes latitudes et ne peuvent en réémerger qu'après un temps relativement long (>>20 ans) ; ces signaux pénètrent, circulent et réémergent bien plus rapidement aux basses et moyennes latitudes (1-20 ans). Dans la gyre subtropicale, la thermocline principale délimite les masses d’eau de surface ventilées rapidement et localement et les masses d’eau profondes ventilées lentement et aux hautes latitudes. Elle pourrait donc participer au contrôle de la réémergence des signaux climatiques profonds vers la surface. Dans ce contexte, les objectifs des 5 prochaines années sont :

-       documenter et comprendre les processus impliqués dans les interactions courant-topographie, leurs impacts sur la circulation grande-échelle et leur représentation dans les modèles d’océan. Ces interactions seront étudiées dans trois grands chantiers : sur la dorsale de Reykjanes, plus au sud sur la dorsale médio-atlantique et en Arctique. Ces travaux seront menés dans le cadre des projets RREX (financé par Ifremer, CNRS/INSU, Brest Métropole et CG29), AtlantOS (H2020), NAOS, et de l’ANR Lucky Strike. Une partie de ces études concernera le travail de thèse de T. Petit qui vient de débuter.

-       Étudier les processus physiques conduisant à la dissipation d'énergie et au mélange (interactions océan-atmosphère et courants-topographie, fronts, tourbillons…), quantifier l’hétérogénéité spatiale et temporelle du mélange (avec la nécessité de nouvelles approches expérimentales), déterminer son impact sur la circulation et le mélange des masses d’eau et évaluer sa représentation dans les modèles en testant ou améliorant différentes paramétrisations, ou en en développant de nouvelles. Ces processus seront étudiés dans un premier temps en Atlantique Nord (projet RREX) et en Méditerranée occidentale, mais de nouvelles zones d’étude seront envisagées étant donnée la variété des processus générateurs de turbulence (forçage atmosphérique, marée, interactions courant-topographie, tourbillons...). Ces travaux sont menés en collaboration avec P. Bouruet-Aubertot et Y. Cuypers du LOCEAN.

-       Mieux comprendre les mécanismes de formation de la couche de mélange et de convection profonde par lesquels les signaux climatiques pénètrent l’océan intérieur ; proposer de nouveaux diagnostics pour le suivi de la ventilation et de la stratification interne (thermocline), pour la compréhension des transformations des masses d'eau participant à la ventilation de l'océan intérieur, et pour la compréhension des équilibres dynamiques sous-jacents. Ces travaux seront menés dans le cadre des projets VENTHSAL, GLOSCAL et NAOS.

-       Tous ces processus sont pour le moment mal représentés ou absent des modèles réalistes. Un effort particulier sera fait dans le cadre du GDRI Drakkar pour que les modèles bénéficient en retour de ces études de processus, en incorporant ou améliorant leurs représentations dans les simulations réalistes.

 

Axe 4 : Estimer le rôle de la variabilité de l’océan physique sur les cycles biogéochimiques

B. Blanke, P. Lherminier, H. Mercier

 

L’analyse des campagnes OVIDE a permis de montrer que la variabilité de la cellule méridienne de retournement conditionnait la capacité de l’Atlantique subpolaire à stocker du carbone anthropique (Perez et al. 2013). Dans les cinq prochaines années, nous poursuivrons les travaux initiés pour mieux comprendre l’impact de la dynamique océanique sur les traceurs physiques et biogéochimiques (carbone et éléments traces). Plus précisément, les objectifs des 5 prochaines années sont :

-     Progresser dans notre compréhension des mécanismes de stockage du carbone anthropique et dans les budgets d’éléments biogéochimiques (DIC, sels nutritifs, éléments traces) dans l’Atlantique Nord. Ce travail sera mené dans le cadre des projets GEOVIDE (ANR) et AtlantOS (H2020), en collaboration avec le groupe GEOVIDE, F. Pérez et A. Rios au CSIC (Vigo), V. Racapé et M. Gehlen au LSCE (Gif-sur Yvette) pour les aspects modélisation, et E. McDonagh au NOC (Southampton) (Atlantique de pôle à pôle).

-     Mieux comprendre les processus contrôlant les flux biogéochimiques dans l'océan en développant le diagnostic et l'interprétation des transformations physiques (mélange vertical, mélange isopycnal...) et biogéochimiques le long de trajectoires lagrangiennes. Ce travail sera mené en collaboration étroite avec K. Rodgers (GFDL Princeton), O. Aumont (LOCEAN Paris) et D. Iudicone (SZN Naples).