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Dossier Océanographie opérationnelle

Les modèles numériques

Mars 2005 - Mis a jour mars 2012

I - Les modèles, particularité de l'océan

II - La prévision, où en est-on?

III - Les prévisions océaniques, un expérience mondiale

I - Les modèles, particularité de l'océan

L'Océan: étendue d'eau incommensurable"...., cette affirmation risque d'être, au moins partiellement, remise en cause par les progrès récents de l'océanographie.

Il est commun d'observer que les techniques d'échantillonnage, de mesure, et de simulation numérique ont connu des progrès considérables au cours des dernières décennies. 

 

Origine Mercator PSY3

Dans le cas des phénomènes turbulents créés dans l'océan par le vent, la rotation terrestre, et le chauffage solaire, les océanographes, les physiciens, et les ingénieurs, ont su conjuguer ces avancées (entre elles, et avec celles des moyens de calcul), de façon à produire des descriptions réalistes du milieu océanique. C'est en cela que l'océan devient un peu moins incommensurable.

À l'image des simulations de l'état de l'atmosphère produites plusieurs fois par jour par les Services Météo, les modèles numériques d'analyse et de prévision de l'état de l'océan comportent désormais des millions de "points" dans les 3 dimensions.

Dans le cas de l'océan, tout comme de l'atmosphère, ces modèles mathématiques décrivent le mouvement des fluides (eau, air) à la surface de la terre, ainsi que les transports de chaleur et de matière qui leur sont associés. Chaque processus physique est traduit en équations mathématiques de façon à en calculer les effets sur les paramètres océaniques, vitesse, température et salinité, en tout lieu de la zone modélisée et au cours du temps. 

Comme pour la prévision numérique du temps, la simulation réaliste des phénomènes turbulents présents au sein du fluide océanique se fait avec une confiance qui dépend de la connaissance du spectre (spatio-temporel) des erreurs de mesure.

Pour la prévision météo, la "limite du chaos", liée à la description forcement incomplète des conditions initiales (le fameux effet "papillon" décrit par Lorenz, dans un article célèbre), est d'un peu plus de 10 jours: les spécialistes savent que, pour l'instant, on s'approche de cette limite selon le rythme de "1 jour tous les 5 ans". Bien entendu, ils n'escomptent pas que cela dure éternellement !

De même, pour l'océan, cette limite de prévisibilité, (liée à ce qu'on pourrait appeler "l'effet mérou"...), est de quelques semaines, tandis que le besoin de rafraîchir le jeu de mesures utilisé pour guider le modèle numérique est de quelques jours, (au lieu de quelques heures pour l'atmosphère). 

À titre d'illustration, voir ces deux animations montrant la variation de paramètres physiques de l'océan, la température obtenue à partir de modèles exploitant les données d'altimétrie spatiale et de mesures in-situ.

Mercator Océan :

Cette animation "Respiration de l'océan" montre la variation de température de surface de l'océan durant deux semaines de l'été 2010. Ces données sont le résultat des modèles Mercator qui exploitent les mesures à partir de l'espace et les données in-situ. Grâce à la fréquence horaire de ce modèle, on voit apparaitre deux cycles : le mouvement de marée dans l'Atlantique et le cycle diurne.

 


 

NASA/Goddard space flight center

Cette animation montre les courants de surface de l'océan mondial pendant la période de juin 2005 à décembre 2007.

Ces résultats de circulation océanique sont issus du modèle ECCO2 qui exploite les données satellite et les données de mesures in-situ. Ce modèle a été développé par le MIT et le JPL.

 

II - La prévision, où en est-on?

Dans un exercice de prévision de l'état et de la dynamique des masses d'eau (la circulation océanique), le modèle se nourrit des observations satellitaires et in situ (on dit qu'il les assimile), et peut ainsi rester plus longtemps sur la "bonne trajectoire", (dans "l'espace dual" où l'on trouve, pour certaines formes de chaos, des "attracteurs étranges"...). Dans ce cas favorable, la description de l'état tridimensionnel de l'océan à échéance de quelques semaines, (le "produit de base" de l'océanographie opérationnelle), sera de bonne qualité, en dépit du phénomène du chaos...

 

"Observer, comprendre, prévoir"

Parmi les mesures considérées comme vitales pour les modèles numériques il y a la topographie (altimètre), les mesures in situ au sein des masses d'eau océaniques et les forçages atmosphériques déduits des modèles météo eux aussi alimentés en mesures spatiales,( par exemple celle des diffusiomètres). La température et la salinité de surface sont aussi des valeurs utiles mais ne suffisent pas à contraindre un modèle à demeurer réaliste.

Les prévisions océaniques sont maintenant une réalité.

Voici un exemple de cartes fournies dans les bulletins prévisionnels Mercator

                                             Courant de surface                      Salinité de surface               Température de surface

La "chaîne de valeurs ajoutées" ou de "services aux activités maritimes" que l'on peut imaginer à partir de cette "matière première", ouvre des perspectives considérables, qu'il s'agisse de pertes évitées ou de gains de productivité. On peut d'ailleurs présumer qu'une grande partie de cet enjeu socio-économique reste à identifier. Pour s'en convaincre, il faut se souvenir que, lors des premières tentatives de prévision météorologique (cf. le rapport de Le Verrier après un désastre naval, en 1854, pendant la guerre de Crimée), l'aviation civile n'existait pas: il était difficile d'imaginer l'importance qu'allait prendre, pour ce seul secteur, la prévision du temps. Comment ne pas songer aussi au rôle de prévisionnistes comme Walter Munk pour annoncer l'accalmie du 6 juin 1944 sur les cotes normandes ?

III - Les prévisions océaniques, une expérience mondiale  

Tout au long de ce texte, un parallèle est fait avec les modèles et prévisions météorologiques. Ce parallèle est aussi pertinent au niveau de l'organisation que de la  prévision. 

Dans les années 90, on pouvait faire le double constat suivant :

D'une part, nombre d'équipes de recherche dans le monde, étudiaient la modélisation numérique de l'océan. Les équipes collaboraient bien entre elles mais aucune n'était capable de fournir régulièrement des informations détaillées sur l’état des océans,

D'autre part, un âge d'or de l'observation spatiale des océans était prévisible, compte tenu des plans publiés par les agences spatiales. 

En 1997, Neville Smith du Bureau de la Météorologie Australien et Michel Lefebvre, ancien responsable scientifique du CNES (Centre National d'Études Spatiales) proposèrent de suivre l'expérience réussie de la Météorologie.

Leur idée était de montrer clairement la faisabilité et la valeur d’un système d’observation océanique à l’échelle mondiale ainsi que l’intérêt de convaincre des gouvernements de financer la pérennisation de ces systèmes expérimentaux. C'est ainsi qu'après de multiples efforts de persuasion, l'expérience mondiale GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment) est née.

L'idée a été reprise par l'OOPC (Ocean Observation Panel for Climate) en utilisant le précédent qu'avait été en 1979, la première expérience globale du GARP (Global Atmospheric Research Program).

L’OOPC, soutenu par les principaux acteurs du domaine [COI (Commission Océanographique Intergouvernementale), OMM (Organisation  Météorologique Mondiale) et CEOS (Comitee on Earth Observation Satellite) a lancé le projet GODAE, destiné à tirer parti du système global d’observation que commençaient à mettre en place les agences spatiales et les institutions océanographiques.

En effet, cet "âge d'or" des observations permettaient d'alimenter simultanément différents modèles numériques et aussi de tester par inter comparaison leurs mérites respectifs.

En se référant uniquement aux satellites, les années 2003-2005 semblaient le moment idéal pour effectuer une démonstration de faisabilité. Cela a bien été le cas.

Cette initiative est soutenue par la COI, l'OMM, les Agences Spatiales de différents pays ainsi que d'autres organismes. De nombreux laboratoires européens, américains, japonais, australiens participent à cette expérience mondiale. L'année 2005 a vu la fin de la phase de faisabilité.

À terme, GODAE devrait évoluer vers un "système mondial d’observations, de communications, de modélisations et d’assimilation, qui sera capable de fournir régulièrement des informations détaillées sur l’état des océans, sous une forme propre à promouvoir et à engendrer une vaste utilisation et une disponibilité permanente de cette ressource pour le plus grand profit des utilisateurs.
L’objectif de GODAE est de transformer ce concept en réalité, en faisant du suivi et des prévisions océaniques une activité de routine à l’image des prévisions météorologiques. GODAE fournira, à l’échelle mondiale, des informations océaniques précieuses pour le suivi des changements climatiques, le trafic maritime et les services de pêche."

Le grand succès de GODAE aura été de permettre des avancées scientifiques considérables et aussi de consolider le travail au plan institutionnel déjà entrepris dans le cadre de GOOS (Global Ocean Observing System) : la répartition des tâches et la bonne façon de s'y prendre, toutes réflexions qui ont débouché sur des initiatives comme GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) et GMES (Global Monotoring for Environment and Security) qui inclue depuis 2009 le programme My Ocean. Ce programme est devenu  Copernicus, The european earth observation progam