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Posté par Michel le Lundi 19/09/2011 à 12:00
La part chaotique de la variabilité océanique
Des travaux récents de chercheurs du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI, CNRS / Institut Polytechnique de Grenoble / Université Grenoble 1) ont montré que les processus océaniques turbulents de petite échelle (~ 10 à 200 km) contribuent aux variations interannuelles des courants océaniques et du niveau marin. Une part importante (jusqu'à 70% en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) dans l'océan Austral) de la variabilité interannuelle du niveau des mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) est chaotique et générée par l'océan, sans forçage direct par l'atmosphère. Ces résultats plaident en faveur d'une représentation explicite des fines échelles océaniques dans les systèmes de prévision climatique et soulèvent des questions quant à la prévisibilité des courants océaniques.

Les altimètres satellitaires, qui cartographient depuis près de 20 ans le niveau de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) de l'océan, la direction et l'intensité des courants océaniques, ont permis de confirmer à l'échelle mondiale que les grands courants océaniques produisent des tourbillons de petite échelle (~ 10- 200 km) qui rétroagissent sur la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) générale. L'étude, la simulation et la prévision de la circulation océanique requiert donc la prise en compte d'une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. C'est pourquoi les océanographes modélisateurs travaillent sur la simulation explicite et précise des fines échelles dans les modèles océaniques globaux afin d'en améliorer le réalisme.

Les scientifiques savent par ailleurs que les grands courants océaniques fluctuent en réponse à la variabilité atmosphérique. Pour autant, des simulations idéalisées et des études théoriques montrent que même en l'absence de variabilité atmosphérique, la circulation océanique peut fluctuer à basse fréquence de manière chaotique et spontanée, et ce d'autant plus que les fines échelles sont explicitement prises en compte. Ainsi, concernant les modèles d'océan globaux, la question suivante se pose: comment la résolution explicite des fines échelles océaniques affecte-t-elle la variabilité basse fréquence (interannuelle) des océans ?

De plus, si ces fines échelles océaniques sont résolues dans les modèles purement océaniques, elles ne le sont pas encore dans les modèles de prévision du système climatique complet comme ceux du GIEC (1): pour des raisons de coût calcul, seuls certains effets des fines échelles océaniques sont en effet paramétrés. Ceci soulève une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...) interrogation: comment les prévisions climatiques seront-elles affectées lorsque ces fines échelles océaniques seront résolues dans les modèles du GIEC ?

Afin d'explorer ces questions, une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) du Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (LEGI) a conduit, dans le cadre du consortium européen DRAKKAR (Le bateau viking est un bateau scandinave du Moyen-âge, utilisé pour le commerce et pour le transport des soldats.) (2), une série originale de simulations numériques de l'océan global résolvant explicitement les tourbillons océaniques. Ces simulations, dont une de plus de 320 ans (3), ont été effectuées au Centre informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les...) national de l'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les...) supérieur (CINES, Montpellier), pour partie dans le cadre de l'appel à projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) « Grands challenges GENCI/CINES 2008 ». Cette série a été conçue de manière à ce que les comparaisons entre simulations, et avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) satellitaires, permettent de séparer les fluctuations forcées par l'atmosphère de celles générées par l'océan lui-même. Les chercheurs se sont notamment intéressés aux fluctuations océaniques à l'échelle de plusieurs années.

Une première étude a montré, pour la première fois à l'aide d'un modèle de l'océan global, que la résolution explicite des processus océaniques de petite échelle superpose à la variabilité basse fréquence directement forcée par l'atmosphère une composante additionnelle chaotique d'intensité notable, le long des grands courants aux moyennes et hautes latitudes. En moyenne sur l'océan Austral (Le mot austral (du latin australis) est un adjectif qualifiant ce qui se situe dans l'hémisphère sud.), cette composante chaotique pourrait expliquer plus de 70% des variations interannuelles de topographie de surface de l'océan mesurées par les satellites (Satellite peut faire référence à :) altimétriques. Résoudre les tourbillons rend ainsi les niveaux de variabilité basse fréquence simulés en surface bien plus proches des observations altimétriques. Les modèles océaniques qui ne résolvent pas les fines échelles sous-estiment donc notablement l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et le caractère chaotique de cette variabilité d'échelle climatique dans de nombreuses régions.


Carte de l'océan mondial issue d'une simulation avec représentation explicite des tourbillons, indiquant (en %) la contribution de processus purement océaniques à la variation interannuelle du niveau des mers. Dans les régions les plus claires, la variabilité interannuelle atmosphérique n'a qu'un effet modéré sur la variabilité océanique dont l'origine est essentiellement intrinsèque. Les contours localisent les zones de forte variation interannuelle du niveau des mers. © CNRS / LEGI

Carte de l'océan mondial issue d'une simulation avec représentation explicite des tourbillons, indiquant (en %) la contribution de processus purement océaniques à la variation interannuelle du niveau des mers. Dans les régions les plus claires, la variabilité interannuelle atmosphérique n'a qu'un effet modéré sur la variabilité océanique dont l'origine est essentiellement intrinsèque. Les contours localisent les zones de forte variation interannuelle du niveau des mers. © CNRS / LEGI

Dans une deuxième étude, les chercheurs se sont intéressés à une structure de circulation connue depuis une quinzaine d'année sous le nom d'anticyclone (Un anticyclone est une zone de circulation atmosphérique autour d'un centre de haute pression. Leur sens de rotation est lié à la force de Coriolis: ils...) de Zapiola. Il s'agit d'un vaste tourbillon anticyclonique (1000 kilomètres de diamètre) piégé au large de l'Argentine au-dessus d'un haut fond constitué de sédiments (45°W - 45°S). Avec environ 80 millions de mètres cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus...) transportés par seconde, il est d'une intensité comparable au Gulf Stream (Le Gulf Stream est un courant océanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas et se dilue dans l'océan Atlantique vers la longitude du Groenland. Son nom est...), ce qui en fait l'un des courants les plus puissants de l'hémisphère sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.). Les observations altimétriques ont récemment montré que ce courant subit d'une année à l'autre des variations très importantes (de l'ordre de plusieurs dizaines de millions de mètres cube par seconde). Les chercheurs du LEGI ont montré que ces fluctuations ne sont pas gouvernées par l'atmosphère comme on le supposait jusqu'alors, mais bien par des processus océaniques turbulents de petite échelle que les chercheurs ont pu décrire. Les variations interannuelles de l'intensité de l'anticyclone de Zapiola ont donc une forte composante chaotique: les prédire sur le long terme pourrait s'avérer difficile pour les modèles de prévision océanique.

L'impact notable des processus de petite échelle spatiale sur les fluctuations océaniques à basse fréquence soulève plusieurs interrogations: quels sont les mécanismes impliqués dans la génération de ces fluctuations ? leur caractère chaotique affecte-t-il notre capacité à prédire l'évolution de la circulation océanique ? ces fluctuations affectent-elles la température de surface de l'océan et pourraient-elles ainsi influencer la circulation atmosphérique ? Ces résultats soulignent en tous cas certains enjeux importants d'une représentation explicite des processus océaniques de petite échelle dans les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) modèles de prévision climatique.

Notes:

(1) Le Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la...) (en anglais Intergovernmental panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs attitudes. Les personnes peuvent participer aux enquêtes par courrier,...) on climate change, IPCC) est un organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans ce cas, une fonction est généralement associée...) intergouvernemental ayant pour mandat d'évaluer, sans parti pris et de manière méthodique, claire et objective, les informations scientifiques, techniques et socio-économiques disponibles en rapport avec la question du changement climatique d'origine humaine. Ses activités consistent principalement à la production de rapports sur la question du changement climatique sur la base de publications scientifiques et techniques de valeur reconnue.

(2) Le consortium DRAKKAR (http://www.drakkar-ocean.eu) regroupe des équipes de recherche européennes qui coordonnent la conception, la production et l'analyse de simulations numériques de l'océan global sur les dernières décennies. Ces simulations basées sur la plateforme NEMO (L'expérience NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory) résulte d'une collaboration internationale scientifique et recherche les désintégrations double bêta sans neutrino. L'observation de telles...) (http://www.nemo-ocean.eu/) visent en particulier à améliorer la représentation des processus océaniques turbulents. En France, sont impliquées des équipes du Laboratoire de écoulements géophysiques et industriels (LEGI, CNRS/Université de Grenoble), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des océans (LPO, CNRS / IFREMER / IRD / UBO), du Laboratoire d'océanographie et du climat: expérimentations et approches numériques (LOCEAN, CNRS / IRD / MNHN / UPMC) et de Mercator-Océan, le centre français d'analyses et de prévisions océaniques.

(3) Cette simulation dite climatologique est forcée tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long des 320 années par le même cycle annuel atmosphérique. Ainsi, les fluctuations océaniques qui émergent à l'échelle interannuelle ne sont pas forcées par l'atmosphère, mais sont d'origine purement océanique.


Références:

Penduff, T., M. Juza, B. Barnier, J. Zika, W.K. Dewar, A.-M. Treguier, J.-M. Molines, and N. Audiffren, (2011). Sea-level expression of intrinsic and forced ocean variabilities at inter-annual time scales. Journal of Climate, in press. doi: 10.1175/JCLI-D-11-00077.1

Venaille, A, J. Le Sommer, J.-M. Molines and B. Barnier (2011). Stochastic variability of oceanic flows above topography anomalies. Geophysical Research Letters, in press. doi: 10.1029/2011GL048401


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Source: CNRS-INSU