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Axe 1 – Echanges Océan-atmosphère en zone côtière

Le forçage atmosphérique et plus largement les échanges à l'interface entre l'océan et l'atmosphère conditionnent largement une grande partie de la dynamique côtière (surcotes, upwellings et downwellings, caractéristiques de la couche de mélange de surface, processus de convection etc.). Dans les approches numériques, l'interaction avec l'atmosphère est majoritairement considérée comme une condition à la limite extérieure. Les échanges de chaleur ou de quantité de mouvement sont, soit directement ceux qui ont servis aux modèles atmosphériques (forçage en flux), soit le fruit d'un calcul qui tient compte des variables océaniques (forçage en « bulk »). Dans ces deux cas, on utilise souvent les modèles opérationnels de prévision du temps, dont la résolution est parfois beaucoup plus grossière (1/10° a 1/2°) que celles des modèles d'océan côtiers (couramment 1/64° voire plus fine encore). La maîtrise au sein de l'UMR 6523 de différents codes de circulation côtière (ROMS, MARS3D, NEMO et demain potentiellement CROCO), de modèles d'états de mer (WW3) ou atmosphérique (Meso-NH, WRF) ainsi que la mise en œuvre du coupleur OASIS-MCT nous permettent d'envisager l'exploration des processus d'échange océan-atmosphère en couplant deux à deux ou ensemble ces différents modèles.

Quel rôle joue le couplage océan-atmosphère dans la dynamique frontale ?

Les études sur la dynamique mésoéchelle ne tiennent jusqu'à présent en compte les rétroactions océan-atmosphère-vagues. Pourtant les forts contrastes de température de la mer présents dans les fronts de marées (p.e. le front d'Ouessant) ou d'upwelling (inner shelf) laissent présager d'une forte rétroaction sur l'atmosphère. D'autre part la dynamique de la couche limite atmosphérique est modulée par les vagues, elles mêmes influencées par les forts courants de surface. L'impact du couplage océan-atmosphère-vagues sera évalué en priorité sur deux situations frontales typiques des zones côtières: la mer d'Iroise et son front d'Ouessant caractéristique de la façade atlantique avec un régime de vent d’ouest, un régime tidal fort et une dynamique frontale saisonnière, - et la région du golfe du Lion dont la dynamique des upwellings intermittents est forcée par des évènements de mistral. La compréhension de ces rétroactions et leur représentation dans les modèles seront étudiées à différentes échelles spatio-temporelles. Dans le cadre du projet AMICO (COPERNICUS/MEDEE) On déterminera le degré de raffinement de l'atmosphère (importance des reliefs continentaux et des brises thermiques) requis pour reproduire le cycle génération, extension et relaxation des upwellings intermittents ou pour obtenir les fines structures des upwellings côtiers et des courants de surface. L'impact du couplage sera étudié à partir de simulations numériques des modèles MARS-3D, MesoNH et WW3 au résolutions de 100m (LES) à 1000m (résolution actuelle d'AROME). En parallèle, des campagnes à la mer dédiées à la dynamique frontale seront menées sur les deux sites en partenariat avec le projet ROEC (2016-2018), la validation de missions satellites en cours et en préparation (Sentinel, SWOT) et l'axe AMICO instrumentation. Ces simulations couplées seront aussi évaluées sur le Mer d'Iroisec via un modèle biologique intégrant de la biodiversité et de la compétition interspécifique sur la zone de l'Iroise (collaboration avec le laboratoire DYNECO/PELAGOS) en regardant si les blooms de phytoplancton sont mieux représentés et surtout si les améliorations de l'hydrodynamique sont de nature à changer les espèces phytoplanctoniques sélectionnées par simulation. Le degré de réalisme de la dynamique des upwellings intermittents rencontrés en Méditerranée Nord-Occidentale ainsi que leur effet sur le cycle biogéochimique sera évalué en collaboration avec les laboratoires MIO, LER-Toulon qui ont prévu deux campagnes de mesures en zone frontale.

Quel rôle joue la variabilité des forçages atmosphériques et liens avec la dynamique ?

Dans les grandes zones d’upwelling de bord est (les systèmes des Canaries et du Benguela par exemple), on analysera des séries temporelles des vents de surface (et des paramètres associés) longues de plusieurs décennies, déduites d’observations directes - comme les vents diffusiométriques – ou de réanalyses. Des études de modélisation compléteront la valorisation de ces séries temporelles pour estimer dans ces systèmes d’upwelling la variabilité à basse fréquence de la dynamique et de la physique attribuable aux vents de surface. La rétroaction de la SST sur l’intensité du vent sera étudiée sur la longueur de la série temporelle, en accordant un intérêt particulier à la sensibilité de ce couplage aux échelles saisonnières à interannuelles.En Afrique de l'Ouest, que ce soit pour la propagation de dépression saharienne à l'origine des cyclones, pour l'apport de sels nutritifs potentiellement limitant la production primaire ou pour la dynamique de la mousson africaine, les couplages océan-atmosphère se produisant à la transition continent-océan jouent un rôle clé. La question du rôle de la bande côtière où siège l'upwelling (parfois saisonnier) sur cette transition sera approfondie.

Quel est l’impact de la paramétrisation de la tension de vent sur la modélisation de processus côtiers ?

La tension de vent, contrainte exercée par le vent sur la surface océanique, est un paramètre primordial pour la modélisation océan–atmosphère. La tension de vent s’exprime en fonction du coefficient de traînée ; de nombreuses formulations existent, et malgré plus de 20 ans de recherche, il n’y a pas de consensus clair sur l’influence des vagues. Ceci est en particulier dû au manque d’observations par vent fort (> 20 m/s) Les incertitudes sur la paramétrisation du coefficient de traînée sont importantes, elles peuvent atteindre 50% par vent fort et 200% dans des conditions cycloniques. Le développement d’une paramétrisation optimale de la tension de vent, qui prenne en compte l’influence des vagues par vent modéré à fort, et l’influence de l’écume (spray) par vent très fort sera étudié. Des partenariats nationaux (LEGOS) et internationaux (ECMWF) seront mis en place.

Axe 2 – Dynamiques des processus mésoéchelles et sous-mésoéchelles en mer côtières et régionales

Les études de la dynamique côtière à moyenne et sous-moyenne échelle , c'est-à-dire aux échelles voisines du premier rayon de Rossby interne (de l'ordre de quelques dizaines de km à quelques km, voire inférieur) sont un formidable défi tant en matière d'observations que de modélisation. Les impacts de cette dynamique sur le mélange horizontal, sur les transferts/transports de propriétés et sur la structuration des communautés planctoniques sont très mal connus. À ce jour, l'approche qui a sans doute été la plus fructueuse reste la modélisation numérique régionale à haute résolution (e.g. Capet et al 2008, Molemaker et al 2015, Gula et al 2015). Ces travaux mettent -par exemple- en évidence le rôle des couches de fond et des accidents topographiques dans la génération d'instabilités qui donnent naissance à des tourbillons de moyenne échelle à longue durée de vie. Mais les mécanismes de génération sont bien plus vastes, et peu explorés. Les premiers travaux de modélisation entrepris par F. Vandermeirsch et coll. au sein de l'équipe sur ce type de dynamique sur le plateau du golfe de Gascogne sont encourageants, et en cours d'analyse. Il seront rapprochés du travail réalisé sur l'outflow du Golfe persique.

Il reste que ces modélisations doivent être validées. Ce sera un des défis de l'équipe. Un des objectifs du quinquennat sera d'élaborer un projet intégré qui pourrait se situer en proche Atlantique ou en Méditerranée. Les mesures envisagées seraient à la fois satellite (SAR, couleur de l'eau, IR haute résolution, ...), aéroportées et de terrain. Des partenariats nationaux et internationaux seront recherchés et des discussions transverses (notamment avec les autres axes de l'équipe et avec l'équipe 1) auront lieu. Nous aborderons particulièrement les questions suivantes:

Quelles sont les origines des structures côtières à (sous)-moyenne échelle (rôle du vent, du frottement sur le fond, de la topographie, des instabilités de courants, de fronts, ou de panaches, etc.) ? Quels sont leurs évolutions et leurs impacts ?

Quels sont les processus dynamiques et les caractéristiques des courants subinertiels et de leurs instabilités dans le nord-ouest de la Méditerranée et dans le golfe de Gascogne ?

Le Nord-Ouest de la Méditerranée et le Golfe de Gascogne présentent des analogies topographiques (élargissement dans le sens cyclonique) et dynamiques (prédominance des circulations cycloniques (resp. « Courant Nord » et « Iberian Poleward Current »). Ces courants sont aussi instables et engendrent des structures tourbillonnaires à longue durée de vie. Le golfe de Gascogne a fait l'objet de deux projets expérimentaux récents (ASPEX et CONGAS), dont les données ont été traitées, validées et partiellement analysées. L'étude des données CONGAS portera sur les structures tourbillonnaires (notamment cycloniques) générées au voisinage de la pente continentale.

L'analyse des données ASPEX a montré l'importance des intenses « jets côtiers », qui dominent une circulation moyenne faible dans le golfe de Gascogne. Une typologie de ces événements (pour une cohérence à l’échelle de tout le docuement) est en cours, ainsi que la comparaison avec des résultats de modèles numériques . Nous voulons comprendre l'origine de ces structures (vent, gradients de pression océaniques, relaxation, …) et améliorer leur représentation dans les modèles.

Enfin, une étude pluriannuelle, voire pluridécennale, de ces courants de pente et côtiers est envisagée, à partir des niveaux côtiers, après analyse et validation des événements ASPEX en terme de niveaux.

Quels effets cette dynamique de plateau a sur les propriétés biogéochimiques et en conséquence sur les communautés phytoplanctoniques dans l'upwelling du Sénégal ?

Les récentes campagnes de mesure menées au large des côtes nord-ouest-africaines ont mis en évidence l'importance de l'activité mésoéchelle, du vent et de l'activité superinertielle sur la dynamique du plateau de la petite côte sénégalaise (SSUC pour Southern Senegal Upwelling Center). Tous ces processus impactent également les propriétés biogéochimiques (sels nutritifs, oxygène) des eaux en présence. Nous nous attacherons à améliorer la représentation et la compréhension d'une plus grande variété de processus impliqués dans les interactions des différents groupes fonctionnels de phytoplancton et dans le devenir de la matière organique. L'objectif sera de mieux comprendre les transferts d'énergie au sein de la boucle microbienne et d'anticiper l'effet de potentielles modifications de la composition planctonique sur le cycle des éléments impliqués dans les gaz à effet de serre responsables du changement climatique.

Cette approche s'inscrit dans le cadre d'une approche intégrée de l'écosystème avec pour objectif de déterminer le rôle des petites échelles sur la structuration des communautés de petits poissons pélagiques.

Axe 3 – Marées, ondes internes et processus haute fréquence

Les observations récentes des campagnes ASPEX et Per2tong dans le golfe de Gascogne, UPSEN-2 sur le plateau du SSUC, ont montré que les ondes internes peuvent se propager vers la côte jusqu'à de faibles profondeurs. Ces ondes internes en zone côtière ont été très peu étudiées en France alors que des études à travers le monde montrent que leur influence s'exerce à la fois sur le mélange vertical et les transferts côte-large. Elles peuvent concerner un ensemble de disciplines océanographiques : sédimentologie, écologie du plancton dont le plancton toxique, halieutique. S'attaquer à un tel projet relève du défi tant les ondes internes, de leur génération à leur dissipation, interagissent avec les processus physiques côtiers et apparaissent difficilement prévisibles (Nash et al., 2012). Elles sont sensibles aux conditions de stratifications qui sont elles-mêmes soumises à la circulation à toutes les échelles de temps. Ainsi, le devenir des ondes internes à la rencontre de fronts thermiques (upwelling et downwelling dans le sud du golfe de Gascogne, front de marée en mer d'Iroise), ou halins (panaches fluviaux) reste méconnu tout comme le mélange vertical qu'elles pourraient induire. Les défis s'exercent également sur les méthodes d'observation et de modélisation. Les observations doivent, dans la mesure du possible, faire intervenir l'observation spatiale qui peut fournir une vision synoptique des fronts d'ondes mais également des observations in situ, les seules capables de décrire quantitativement les caractéristiques de ces ondes (amplitudes, formes et courants induits). Les modélisations des ondes internes sur le plateau externe, le talus et la plaine ont montré de bons résultats (Pairaud et al., 2010, Pichon et al., 2013). Par contre, la modélisation de leur propagation vers la côte, de leur raidissement et de l'augmentation des non-linéarités qui pourrait aboutir à leur déferlement reste un challenge pour le modélisateur et pourraient nécessiter l'emploi de modèles non hydrostatiques. Ce dernier point bénéficiera de l'axe transverse "modélisation numérique" et en particulier des développements dans le cadre du GDR CROCO. Leurs effets sur les propriétés biogéochimiques représentent également un défi clé pour leur rôle sur les écosystèmes côtiers.

Quelle est l'importance des ondes internes sur la dynamique haute fréquence côtière dans le golfe de Gascogne?

Le programme LEFE/GMMC finance un projet (Ifremer, SHOM, LOCEAN, LA) qui vise à quantifier la capacité des modèles opérationnels du plateau atlantique à représenter les ondes internes jusqu'à la côte. Ce programme établit un premier recensement des données existantes (principalement ADCP) permettant de caractériser l'importance des ondes internes au regard d'autres phénomènes à haute fréquence (marée barotrope, oscillation d'inertie). Ce projet constitue une première étape pour rassembler une communauté éparpillée et monter un projet de plus grande ampleur (ANR) dédié à l'observation et la modélisation des ondes internes en zone côtière.

Pourquoi les courants induits par les ondes internes sur le plateau aquitain sont-ils si importants au regard des courants de marée barotropes ?

Les mesures ASPEX ont révélé à proximité de la côte des Landes une saisonnalité étonnante des courants de marée qui diminuent d'un facteur trois dès que la stratification estivale disparaît. La configuration particulière de la bathymétrie (présence du plateau des Landes qui scinde le talus en deux sections distantes d'une centaine de km) pourrait expliquer un mécanisme de génération particulier. Des mesures conjointes avec les scientifiques espagnols de l'AZTI sont programmées dans le cadre du programme Jerico-next en 2017 pour décrire la dynamique à haute fréquence dans cette région.

Quels sont les processus physiques à l'origine des oscillations de température de fond diurnes observées à Saint-Pierre et Miquelon ?

Les observations effectuées dans le cadre d'une étude du pétoncle géant ont montré que durant l'été, les températures de fond oscillent de plusieurs degrés (jusqu'à 12°C) à la fréquence diurne (26h) alors que la marée est semi-diurne. Il s'agit probablement de la manifestation d'une onde barocline piégée (les ondes diurnes ne peuvent se propager librement à cette latitude). Une thèse devrait débuter en 2015 sur ce sujet en utilisant conjointement les observations et la modélisation et un projet sera resoumis fin 2015 à l'appel d'offres EC2CO avec le LEMAR pour décrire et comprendre cette dynamique unique et ses effets sur l'écologie des coquilles.

Quel est le rôle des processus dynamiques rapides associés aux ondes internes sur le fonctionnement de l'écosystème du SSUC ?

Les ondes internes et de surface affectent fortement la circulation côtière du SSUC (particulièrement en terme d'échanges côte-large) ainsi que l'intensité de la turbulence 3D. En conséquence, ils contrôlent en partie la distribution des principales propriétés biogéochimiques (sels nutritifs, oxygène). Ils sont également fortement impliqués dans la création de niches environnementales de petite échelle, les processus d'agrégation et les interactions prédateur-proie que les observations tendent à mettre en évidence.

Axe 4 – Systèmes côtiers dans le contexte du changement climatique: variabilité des forçages (atmosphère, apports fluviaux, anthropisation, … ) et de la dynamique.

Dans un contexte de changement climatique , l’environnement côtier est particulièrement sensible aux évolutions de la dynamique océanique et des forçages externes (atmosphère, apports fluviaux, …). En particulier, des modifications du contenu thermique océanique, de la circulation et de la variabilité saisonnière peuvent avoir un impact significatif sur l’activité biologique (occurrence d’efflorescences d’algues toxiques, hypoxie), sur les habitats et les ressources halieutiques (-révolutions dans les populations de pélagiques) et sur l’évolution écogéomorphologique des côtes et des estuaires. Aux échelles interannuelles à pluridécennales, l'évolution des processus côtiers reste mal définie et quantifiée. Par extension, l'impact et le rôle de ces évolutions sur les tendances à long terme en terme de bilan halin, thermique, de circulation moyenne et de rétroaction avec les interfaces connexes (atmosphère, estuaires, océan hauturier) doit être évalué. Les objectifs de cet axe de recherche ne visent pas, dans un premier temps, à réaliser des prédictions concernant le changement global mais à examiner la variabilité de l'océan côtier dans un contexte de changement climatique.

L'exploration de cette variabilité requiert une approche complémentaire entre outils numériques et collections historiques d'observations et de réanalyses climatiques. Pour le volet numérique, l'équipe s'appuie sur un ensemble de modèles (MARS3D, ROMS, NEMO, potentiellement CROCO) qui doivent rester déployables sur des moyens de calculs nationaux pour assurer des simulations aux hautes résolutions adaptées au milieu côtier (inférieures à quelques km) couvrant de longues échelles temporelles. Cette approche numérique doit s'articuler avec une utilisation des observations in situ, soit issues de collections historiques (telles que le produits CORA-IBI pour le golfe de Gascogne et la Manche ou MEDCORDEX pour la Méditerranée) soit, plus localement, issues des réseaux d'observation côtiers qui seront en mesure de fournir de longues séries temporelles qualifiées.Ces problématiques sont aujourd'hui abordées dans le cadre du projet de PPR LEFE/GMMC ENIGME (EvolutioN Interannuelle de la dynamique dans le Golfe de Gascogne et la ManchE - 2014-2017). Un projet ANR en cours de discussion pourra poursuivre et étendre ces analyses. Les évolutions interannuelles estimées présentent aussi un intérêt pour des applications pluridisciplinaires et se traduisent par une implication de l'équipe dans des projets connexes tels que les projets "Assessment of the distribution and ecological status of Sabellaria alveolata reefs in Europe" (Fondation Total - 2015-2019), "Climate change and European aquatic RESources" (CERES - H2002 BG2 soumis en 2015) et "Observation Synergy for Monitoring the Ocean System Evolution" (OSMOSE - ANR soumis en 2015). Parmi les questions qui seront abordées, on peut mentionner:

Quelle est la variabilité décennale et à long-terme des systèmes d’upwelling à partir des données historiques et des produits issus des réanalyses ?

Quelle est la variabilité interannuelle du système de courant pente-plateau (courants de pente, des courants côtiers et la dynamique à moyenne échelle) ?

Quel est l'impact des processus à fines échelles (inférieures à quelques km) sur les évolutions interannuelles ?

Quelle est la contribution de la dynamique côtière par rapport aux forçages à grandes échelles (océaniques et atmosphériques) dans ces évolutions pluriannuelles ?

Comment ces processus du système de courant pente-plateau vont-ils influer, aux échelles interannuelles, sur les systèmes connexes (interface continentale, atmosphère, océan hauturier) ?