Equipe "Océan et Climat"

Responsables de l’Équipe : 

F. Sévellec, C. Lique

Contexte scientifique :

L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique dans l’atmosphère bouleverse l’équilibre du système climatique. Ce changement climatique se traduit par l’augmentation de la température de surface atmosphérique, dont la moyenne globale est la métrique emblématique du réchauffement global, mais aussi par une acidification des océans et une fonte de la calotte glaciaire et de la glace de mer. Dans cette fuite en avant, l’océan agit comme un modulateur. Il stocke et redistribue l’excès de chaleur. Ce stockage et cette redistribution n’est pas uniforme à l’échelle du globe. La circulation océanique leur imprime ses contours.

Dans ce changement d’équilibre climatique, la circulation océanique se modifie de manière directe et indirecte. En effet, les vents, les zones d'évaporation et de précipitations, les flux de chaleur se modifient et se déplacent impactant la circulation océanique. Dans le bassin Arctique, la fonte de la glace de mer et des calottes glaciaires modifient les propriétés des eaux formées et la glace n’agit plus comme tampon entre l’océan et l’atmosphère. Tout ceci impacte la circulation océanique comme la circulation méridienne de retournement de l’Atlantique Nord, induisant des changements sur la capacité de l’océan à stocker de la chaleur, mais aussi sur le niveau de la mer. La pompe de carbone océanique et donc l’acidification des océans sont elles aussi affectées et dérégulent les cycles biogéochimiques. Néanmoins l’océan n’est pas passif dans ce changement. Ainsi la température de surface de l’océan contrôle la capacité d’absorption du carbone atmosphérique. De la même façon, le transport de chaleur méridien, effectué par la circulation océanique, impacte régionalement le réchauffement climatique et la montée des eaux.

Tous ces changements sont couplés les uns aux autres et ne sont pas monotones. Ils apparaissent parfois par une série de paliers ou par effet de seuil fortement non-linéaire. Comprendre la dynamique océanique apparaît comme cruciale pour comprendre et quantifier ces modulations du changement climatique. Il est donc nécessaire de mieux comprendre le fonctionnement de l’océan sur des échelles de temps interannuelle et des échelles spatiales de l’ordre du bassin océanique pour anticiper son effet sur le climat et ses changements actuels.

Dans ce contexte, les deux objectifs principaux de l'équipe sont :

●  Diagnostiquer la référence, la variabilité et les tendances de l’état de l’océan (e.g., circulation océanique, propriétés des masses d’eau, niveau de la mer, biogéochimie et déchets flottants) ;

●  Améliorer la compréhension et la quantification des processus océaniques et des mécanismes de variabilité du système océan-atmosphère-glace de mer.

Au-delà des outils traditionnellement utilisés au sein de l’équipe (le traditionnel triptyque observation - modélisation - théorie), on s’appuie de plus en plus sur des avancées techniques et méthodologiques, et en particulier :

●  Le développement des méthodes d’Intelligence Artificielle (IA), qui sont utilisées par exemple pour la validation des données Argo et la production de produits contraints par les observations, la reconstruction de séries temporelles longues et l’amélioration et la compréhension des prévisions climatiques

●  Les avancés dans l’observation de l’océan profond, à travers le programme Deep-Argo et le développement et amélioration de la fiabilité des plateformes.

●  L’existence de séries temporelles d’observation longues, qui sont maintenant capables de capturer à la fois la meso-échelle et la grande échelle.

●  La mise à disposition des simulations CMIP6, qui comprennent maintenant des modèles couplés à haute résolution capables de représenter les tourbillons sur des échelles de temps longues.

●  La capacité à réaliser des simulations représentant la (sub-)mésoéchelle sur tout un bassin océanique

Ces objectifs se structurent autour de 7 chantiers principaux :

1. Amélioration de la compréhension du cycle du carbone

2. Ventilation de l’océan et cycle de l’eau

3. Dynamique océanique en Arctique et intégration au système climatique

4. Observation et compréhension des variations de l’AMOC

5. Variations du contenu de chaleur et du niveau de la mer

6. Débris plastiques marins et circulation de surface

7. Climat passé, présent et futur

1. Amélioration de la compréhension du cycle du carbone

Concernant la pompe biologique du carbone, une première approche consiste à documenter les impacts des sources de fer particulaire d’origine sédimentaire sur le compartiment planctonique et potentiellement sur les réseaux trophiques supérieurs 1) à l’échelle globale en utilisant une approche combinant expériences (menées en collaboration avec le LEMAR) et simulations numériques, 2) au niveau de l’archipel des Marquises en analysant les observations de chimie, biologie, écologie et physique de deux campagnes en mer (2018 et 2019), combinées aux observations satellites. Une thématique émergente au sein du laboratoire concerne également à la reconstruction de séries temporelles longues (multi-décennales) de la biomasse phytoplanctonique à partir des observations de radiométrie spatiale et de méthodes de Deep Learning en collaboration avec l’IMT Atlantique.

Concernant la pompe physique du carbone, l'objectif principal est de déterminer les mécanismes physiques contribuant à l'absorption et le stockage dans l’océan du CO2 d’origine anthropique à différentes échelles de temps. Ces travaux portent notamment sur l’Atlantique Nord, qui est une zone d’accumulation importante de CO2 anthropique fortement liée à la circulation méridionale (AMOC). Celle-ci variant fortement, l'objectif principal consiste à évaluer les changements de son amplitude au cours du siècle à venir en lien avec le réchauffement climatique et comment ceux-ci vont affecter le cycle du carbone. On s’appuie sur nos collaborations internationales (e.g., NOC, NORCE, AWI, NOAA, CSIC) pour effectuer des observations en continu, sur des régions clés (e.g., off Flemish Cap ou Florida Straits). L’intégration de méthodologies et plateformes d’observations variées (flotteurs Biogéochimiques-Argo, gliders, et stations ancrées), permettent l’acquisition de séries temporelles permettant la quantification du bilan de carbone et de réduire les incertitudes actuelles. L’utilisation complémentaire de simulations numériques permet de mieux comprendre les processus observés, ainsi que le lien entre les pompes physique et biologique en relation avec la variabilité de la circulation océanique.

2. Ventilation de l’océan et cycle de l’eau

La compréhension des mécanismes de ventilation de l’océan et de la variabilité des masses d’eau est essentielle car l’océan est le principal intégrateur de chaleur, d’eau douce, de nombreux traceurs biogéochimiques (carbone, oxygène, etc.) échangés avec l’atmosphère, les surfaces continentales et la cryosphère. Cela nécessite tout d’abord de mieux comprendre l'hétérogénéité temporelle et spatiale de la couche mélangée qui sera étudiée dans le cadre du projet européen MEDLEY (JPI Ocean - Climate) à l’aide de simulations numériques à très haute résolution et une analyse dédiée des observations satellites et in situ disponibles. La ventilation de l’océan regroupe également les processus de formation de masse d’eau à la surface, leur subduction vers l’océan intérieur, la circulation et le mélange des propriétés des masses d’eau dans l’océan. Au sein de l’équipe O&C, on s'attache à mieux quantifier et comprendre chacun de ces processus et leur variabilité.

Les observations et les projections climatiques suggèrent une désoxygénation en cours dans l'océan qui va s’intensifier dans le futur, attribuée notamment au réchauffement de l’océan opérant via la perte de solubilité et par la respiration et la ventilation océanique. Cependant de grandes incertitudes demeurent sur la distribution et la variabilité régionale de l’oxygène, ainsi que la contribution de la consommation biologique. Dans ce contexte, la compréhension des mécanismes de ventilation physique de l’océan et la quantification de l’état moyen et de la variabilité des masses d’eau (T, S, O2) est essentielle. La systématisation des mesures in situ (Argo, deep Argo), et notamment d’O2 (grâce à Argo BGC), l’utilisation conjointe des réanalyses (ISAS-O2) et modèles numériques physique-biogéochimique (e.g., NEMO+PISCES) permet de mieux quantifier les processus de variabilité d’oxygène dans l’océan.

La salinité de l’océan est un traceur océanique global du cycle de l’eau. L’analyse des données de salinité historiques et les projections climatiques suggèrent une intensification de cycle de l’eau due au réchauffement global. De plus, les avancées récentes de l’observation satellitaire de la salinité de surface (SSS) ont permis d’affiner l’observation des structures associées aux flux d’eau douce (panaches des fleuves, fonte/formation des glaces, précipitations). Grâce à ces outils, on s’attache à déterminer, globalement et régionalement (et notamment aux hautes latitudes), l’impact de ces flux d’eau douce sur la circulation, la stratification et la dispersion de traceurs biogéochimiques dans les zones marginales de glace et côtières habituellement peu observées. La synergie entre les mesures satellitaires de SSS (SMOS, SMAP), les mesures in situ disponibles et les simulations numériques dédiées à haute résolution est un atout déterminant pour une meilleure description et quantification des processus associées au cycle de l’eau.

3. Dynamique océanique en Arctique et intégration au système climatique

Les régions polaires, et en particulier le bassin Arctique, sont les régions du globe où la signature du changement climatique est la plus visible et la plus importante. La fonte de la glace de mer, qui n’a cessé de s’accélérer au cours des 10 dernières années, est sans nul doute l'expression la plus frappante de ces changements, mais les rôles de l’atmosphère et de l’océan pour ces changements restent encore aujourd’hui très incertains, tout comme les conséquences de la diminution de la couverture de glace pour la dynamique océanique dans le bassin Arctique et au-delà.

Au sein de l’équipe O&C, nous examinons les impacts de la fonte de la banquise sur la circulation grande échelle dans le bassin Arctique, l’AMOC via la modification des exports d’eau douce et de gradients méridien de température, la convection profonde dans les mers nordiques et la gyre subpolaire, les contenus de chaleur, d’eau douce et du niveau de la mer. Ces études se basent sur l’analyse d’observations disponibles (en particulier du réseau Argo, et des observations satellites) ainsi que sur la mise en œuvre et l’analyse de modèles de différentes complexités, allant de simulations régionales forcées à très haute résolution aux simulations CMIP6. Les impacts de la réduction de la couverture de glace sur les interactions entre l'océan et l'atmosphère sont aussi étudiés.

On s'intéresse également au rôle des petites échelles (tourbillons méso-échelle, fronts océaniques, vagues de surface) dans le bassin Arctique et leurs interactions avec la banquise dont elles peuvent moduler l’évolution des conditions. Ces études sont basées sur l’analyse d'observations in-situ et satellite (et en particulier des données issues des SAR) et sur de la modélisation à très haute résolution (kilométrique) et se font en collaboration avec l’équipe SIAM et des chercheurs impliqués sur cette thématique (Uni. Oxford, NERSC Bergen, MIT, Yale Univ).

4. Observation et compréhension des variations de l’AMOC

L’Atlantique nord est le lieu d’échanges de chaleur entre l’océan et l’atmosphère particulièrement efficace pour moduler le climat sur des échelles interannuelle à décennale. Un acteur clef de ces échanges est la circulation de retournement méridien de l’Atlantique Nord (AMOC). L’équipe O&C s’intéresse à caractériser plusieurs aspects de l’AMOC allant de sa dynamique à sa surveillance. Cette circulation est considérée comme pré-conditionnée par les gradients de densité océanique, en particulier, par les caractéristiques en température et salinité des mers du Labrador et d’Irminger, zones de formations des eaux profondes dans l’Atlantique Nord. Ainsi, dans le contexte du changement climatique et des modifications actuelles du bassin Arctique, déterminer le rôle des échanges entre l’Arctique et l’Atlantique dans la formation des eaux profondes est un sujet d’étude privilégié de l’équipe. Dans ce même contexte, nous cherchons à identifier les chemins empruntés par les masses d’eaux profondes, pour notamment comprendre le rôle des interactions courant-topographie pour la branche profonde de l'AMOC. Une attention particulière est donnée au rôle de la turbulence verticale de petite échelle qui impacte les masses d’eaux et donc indirectement l’intensité de l’AMOC, avec comme chantier d'étude la dorsale de Reykjanes (campagnes RREX) ou la couche limite de fond (campagnes BLT). À de plus grande échelle, la question de la cohérence méridienne de l’AMOC est posée. Nous continuons d’observer la branche subpolaire de l’AMOC (campagnes Ovide), afin de comprendre et de suivre ses variations interannuelles à décennales.

5. Variations du contenu de chaleur et du niveau de la mer

Le contenu de chaleur océanique (OHC pour Ocean Heat Content) est l’une des 54 « Variables Climatiques Essentielles » (ECV) qui permettent de caractériser le climat terrestre et son évolution récente. L’équipe O&C contribue à la surveillance globale et régionale de cette variable via une participation significative au programme international d’observation in situ Argo (déploiements de flotteurs, calibration et validation des données, produit d’analyse ISAS) et à son extension vers les grandes profondeurs (Deep-Argo). L’équipe O&C mène également des études de processus dédiées à la variabilité régionale de l’OHC. On s’intéresse plus particulièrement au rôle de la circulation grande échelle (e.g., AMOC et circulation de gyre) dans le bilan de chaleur de l’océan Atlantique Nord et sa variabilité, en déterminant par exemple ses contributions intrinsèques et forcées. Elle s’appuie pour cela sur l’analyse de jeux de données variés (e.g., Argo, Go-Ship, RAPID et OSNAP, altimétrie satellitaire), sur de nouvelles méthodes de reconstruction ad hoc de la structure tridimensionnelle et grande échelle de l’OHC (e.g., traceurs et fonction de Green), sur de la modélisation numérique, ainsi que sur la réalisation de nouvelles campagnes hauturières visant des dynamiques locales essentielles pour expliquer cette structure grande échelle (e.g., dispersion horizontale des masses d’eau au large de Terre-Neuve).

Le niveau de la mer est aussi identifié comme une ECV et l’équipe O&C mène des recherches pour mieux comprendre les variations du niveau de la mer et de ses causes sur la période altimétrique. La question scientifique générale de cette thématique est la suivante : Peut-on expliquer les variations spatio-temporelles du niveau de la mer observées par altimétrie spatiale depuis 1993 ? L’équipe O&C participe au suivi des bilans du niveau de la mer en moyenne globale dans le cadre des projets internationaux WCRP et CLIVAR avec sa contribution significative au programme international Argo. Les données d’altimétrie spatiale ont montré une forte variabilité régionale du niveau de la mer. Cette variabilité régionale est en grande partie expliquée par les changements de température mais aussi de salinité, et par la redistribution spatiale de ces propriétés par la circulation océanique grande échelle (e.g., AMOC). Les forçages atmosphériques ainsi que les apports d’eau douce continentaux (fonte des calottes polaires et apports des des fleuves/rivières) participent aussi à cette forte variabilité régionale. L’équipe O&C contribue au suivi de ces variations et de leurs causes notamment à l’aide des données altimétriques, des données Argo et de modélisation numérique.

6. Débris plastiques marins et circulation de surface

La pollution des océans par les débris marins de nature plastique est planétaire et l’un des principaux risques écologiques associé aux déchets en mer est le déplacement d’espèces vivantes vers des sites où elles n’étaient pas présentes auparavant, bouleversant l’équilibre biologique d’un écosystème. Les déchets marins ont aussi un impact fort sur les activités économiques (transport maritime). D’un point de vue dynamique, des études antérieures à l’échelle globale des océans ont montré que les déchets flottants en surface s’accumulent dans des régions situées au centre des gyres subtropicaux, sous l’effet conjugué de l’action du vent et des courants marins. Pour autant, la dispersion de ces objets flottants reste complexe car elle implique différents processus physiques tel que l’effet du vent (action s’appliquant directement sur la partie émergée dans l’air de l’objet) et la dérive de Stokes (action liée aux vagues qui s’applique sur la partie submergée de l’objet), par exemple.

Au sein du LOPS la palette des outils numériques est suffisamment étoffée pour renforcer nos connaissances sur la pollution marine par les plastiques, afin de mettre en œuvre des interventions appropriées en partenariat avec des institutions nationales et internationales. On cherche à déterminer une vue statistique des sites possibles d'accumulation de plastiques pour différentes saisons et différentes années, obtenue en modifiant différents paramètres des modèles numériques (de suivi de particules lagrangiennes) et en effectuant des simulations longues.

Collecter plus d’observations, valider les modèles de dispersion et quantifier l’équilibre entre sources et puits par rapport aux données in situ représentent nos objectifs à long terme. Enfin, une quantification globale des impacts de la pollution microplastique sur la biogéochimie et les populations de zooplancton, en combinant des résultats expérimentaux et de la modélisation numérique, est menée en collaboration avec les équipes en biologie et écotoxicologie du LEMAR.

7. Climat passé, présent et futur

Pour comprendre l’évolution future du climat, il convient de regarder son évolution passée. Ceci permet d’identifier les mécanismes physiques clefs du système climatique et le rôle de la circulation océanique dans l’évolution de celui-ci. Deux périodes sont étudiées: la dernière période glaciaire (100.000 ans), qui se caractérise par une variabilité climatique exacerbée comparée à la relative stabilité de l’Holocène (10.000 ans); et l’Eocene Optimum (50 Ma) qui se caractérise par son maximum de température. Dans la première situation, on étudie le rôle de l’AMOC dans les changements abrupts du climat en période glaciaire et le rôle de l’océan pour le changement de stabilité relative entre l’Holocène et la dernière période glaciaire. Dans la deuxième situation, on cherche à caractériser la circulation océanique et la distribution des masses d’eau dans le contexte d’un climat chaud et leur contribution au maintien de ce type de climat chaud.

Il est usuel de décomposer la variabilité du système climatique ou de l’océan en une contribution forcée (ou externe) et une contribution intrinsèque (ou interne), même si les interactions entre ses deux composantes ne permettent pas une distinction formelle. Dans le contexte du changement climatique, nous travaillons à caractériser l'empreinte de cette variabilité intrinsèque océanique sur les observations des dernières décennies, ce qui est notamment nécessaire pour l’interprétation des ECVs. De plus, les avancées technologiques nous permettent d’avoir accès à des simulations climatiques de longue durée et à haute résolution, permettant de comprendre le rôle de la turbulence océanique de mesoéchelle (un contributeur intrinsèque) sur le climat, sa variabilité et sa prévisibilité. Dans ce cadre, deux écoles de pensée s’affrontent. D’un côté, certains proposent que la turbulence mesoéchelle « dissipe » les grandes échelles par instabilité barocline. De l’autre côté, certains font l’hypothèse que la turbulence mesoéchelle « stimule » la variabilité grande échelle, à l’image de la cascade inverse d’énergie cinétique en turbulence 2D. Des simulations océan/atmosphère forcées et couplées à différentes résolutions (CROCO-WRF, IPSL, NEMO, NEMOTAM) permettent d'évaluer de façon robuste l'influence de cette turbulence mesoéchelle sur le climat. Ceci permettra d’améliorer les prévisions climatiques interannuelles et les projections climatiques séculaires, à forts enjeux sociétaux, au plus vite (collaboration LOCEAN, CECI, EPOC, LMD).

L’arrivée de la base de données CMIP6 présente une opportunité unique pour étudier l’évolution du climat, dans la continuité de travaux déjà en place au sein du laboratoire. Dans ce contexte, le système de prévision climatique probabiliste de la moyenne globale de la température de surface atmosphérique PROCAST, développé au sein du laboratoire (en collaboration avec le KNMI, Univ. Southampton, Univ. Utrecht) utilise les bases de données CMIP5/CMIP6 pour mener des études de processus sur les changements de circulation océanique, notamment dans l’Atlantique Nord, dans le cadre d’un climat qui se réchauffe. Le développement récent de méthodes d’assimilation de données (méthode analogues, intelligence artificielle) nous permet aussi de proposer une sélection pertinente des projections séculaires du CMIP6, et donc de réduire leur incertitude (en collaboration avec l’IMT-Atlantique).