MERCATOR,
analyses et prévisions de routine pour l'océan global

Extrait de la Lettre n°12 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

 
3a : champ de courants, situation du 28 mars 2001.

 
3b : champ de courants, situation du 4 avril 2001.

3c : champ de courants, situation du 11 avril 2001.



4 : Champ de salinité à 100 m de profondeur, prévision pour le 11 avril 2001.



5 : Champ de salinité à 100 m de profondeur, situation
du 11 avril 2001.



6 : Champ de salinité
sur une section verticale.



7 : Vitesse zonale sur une section verticale.


























































































































































































































8 : Champ de température
sur une section verticale
à 40°N.

On dit que c'est l'un des projets les plus fous du 21^e siècle… Effectivement le chantier est immense lorsqu'il s'agit de mettre l'océan sous surveillance, et qu'on veut en décrire et prévoir les évolutions à chaque instant, en routine, en temps réel, en surface, jusqu'au fond, et en chaque point de notre planète bleue.

Océanographie opérationnelle, projet fou ? Certainement oui, si on adopte l'excellente définition qui nous en est donnée ici : une initiative concrète, ambitieuse et porteuse d'espoir ! Mais irréaliste non : les signes annonciateurs ne manquent pas, nous ne sommes pas si loin du résultat. Pour mieux comprendre le monde, on s'intéresse à l'océan, au cœur des grandes questions posées par la protection de notre planète et dont il s'agit d'anticiper la réaction face aux agressions dont il est victime. Que ces agressions soient ostensibles comme dans le cas de l'Erika, ou plus insidieuses comme celles conduisant à l'effet de serre, elles nous renvoient certes encore souvent à un lot d'incertitudes. La recherche s'emploie activement à les réduire. Comment l'océan lui-même va-t-il réagir face aux déséquilibres engendrés par ces pollutions ? Sous quelle forme et sous quel délai va-t-il transmettre cette pollution à ses milieux frontières et donc modifier le système complet terre-océan-atmosphère-biosphère ? Une certitude cependant est fermement installée : pour mieux connaître l'océan… mieux l'observer, le modéliser et le prévoir est une priorité. C'est sur ce constat simple et solide que se construit l'océanographie opérationnelle. Complémentaire à la démarche de recherche, l'océanographie a entrepris récemment cette démarche pragmatique de construction d'une océanographie systématique, observatoire permanent capable de cartographier en routine l'océan dans ses quatre dimensions. Le projet MERCATOR marque cette volonté française ; elle dépasse les frontières et motive une expérience internationale : GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment).


Premier bulletin de prévision océanique

Comme souvent en océanographie, tout commence avec l'Atlantique Nord. L'océanographie opérationnelle n'y fait pas exception et MERCATOR en a fait son terrain d'essai. Aujourd'hui, depuis les hautes latitudes (70°N) jusqu'au sud de la bande équatoriale (20^eS), des couches de surface aux couches profondes, les sautes de température ou de salinité de l'Atlantique Nord, les variations des courants qui le traversent sont scrutées, modélisées et décrites de façon systématique. Il est cartographié horizontalement, verticalement et temporellement ; on en connaît l'état instantané, on en prévoit même les évolutions deux semaines à l'avance. On pouvait par exemple dans le bulletin du 28 mars 2001 s'intéresser au champ de température de surface prévu en Atlantique le 11 avril (figure 1), et décrire simultanément la salinité à 1000 m (figure 2) où l'on voit si bien l'extension de l'eau méditerranéenne dans le bassin Atlantique ; le même bulletin permettait de suivre l'évolution d'un puissant tourbillon anticyclonique le long des côtes brésiliennes (figures 3a, 3b et 3c) ou bien encore observer à 100 m sous la surface à l'équateur le contre-courant chargé en sel s'écraser contre les côtes africaines dans la prévision du 11 avril (figure 4)… et deux semaines plus tard, après assimilation des observations effectuées dans l'intervalle, on trouve confirmation de cette situation dans l'analyse du 11 avril (figure 5). Le même bulletin, sur une section verticale reliant Brest au Cap de Bonne Espérance, met en évidence le signal en salinité de ce contre-courant équatorial (figure 6), et plus marqué encore le maximum de vitesse zonale (figure 7) lui correspondant. Cette cartographie systématique est effectuée en routine depuis le mois de janvier, renouvelée chaque semaine et l'information diffusée immédiatement. Un premier pas est donc franchi, on a inventé le "bulletin océanique", et nul ne peut plus ignorer l'état instantané ou prévu de l'Atlantique sous nos latitudes : plus de 700 cartes (disponibles sur www.mercator.com.fr) le décrivent chaque semaine. Ainsi prend corps cette idée d'océanographie opérationnelle. Ce n'est qu'un début.


Une initiative internationale : GODAE

En 2003 débutera une expérience internationale qui va rassembler les grandes nations de l'océanographie dans un seul objectif : démontrer par l'exemple qu'il est possible d'observer, modéliser et prévoir l'état de l'océan global en routine et en temps réel pendant (au moins) 3 ans : 2003-2005. Décidée en 1997, pilotée par l'OOPC1, GODAE est la première expérience d'océanographie opérationnelle grandeur nature, c'est-à-dire la première expérience d'assimilation opérationnelle organisée à l'échelle de l'océan global. L'enjeu est clair : marquer le départ d'une véritable océanographie opérationnelle… tout comme l'expérience FGGE2 marqua il y a 20 ans celui de la météorologie moderne. En plus d'indiquer fermement l'objectif, GODAE nous impose donc un calendrier. Deux ans nous séparent désormais du rendez-vous.

Deux ans pour déployer les réseaux de mesure nécessaires : des satellites survolant l'océan pour mesurer la hauteur de mer et les courants, le vent de surface, les flux à l'interface océan/atmosphère, la température de surface de la mer, puis plus tard la salinité ; et une flottille de 3000 flotteurs profilants autonomes parcourant in situ l'océan planétaire sur sa verticale pour mesurer température et salinité. Deux ans enfin pour préparer les modèles dynamiques capables d'assimiler ces observations pour générer en routine temps réel les «bulletins océaniques» constitués d'analyses et de prévisions de l'état tridimensionnel de l'océan.

Lors de la phase intensive GODAE, toutes les observations océaniques acquises chaque jour seront transmises en routine et en temps réel à travers la planète et immédiatement assimilées dans la demi-douzaine de modèles qui tournera en continu dans les centres de prévision océaniques GODAE pour élaborer la meilleure représentation analysée ou prévue de l'océan global - le centre MERCATOR sera l'un d'entre eux. Ces différents bulletins élaborés à travers le monde par les prévisionnistes américains, européens, japonais, australiens (soit environ une dizaine d'équipes)… nous renseigneront à chaque instant sur l'état de l'océan. Chaque diagnostic révélateur des grandes tendances d'évolution de notre environnement océanique pourra être scruté, chaque tourbillon traqué de semaine en semaine par ce formidable observatoire de l'océan à quatre dimensions. L'océanographie française sera au rendez-vous : elle s'y prépare activement à travers le projet MERCATOR, mais aussi les programmes d'observation JASON (altimétrie par satellite) et CORIOLIS (mesures in situ).

A l'horizon GODAE, le système MERCATOR aura une capacité de modélisation couvrant l'océan global avec une résolution du 1/4° (env. 25 km), affinée au 1/12°-1/16° (5 à 7 km) dans les mers européennes (Atlantique Nord et Méditerranée), et assimilera en routine deux types de données : les données d'altimétrie issues de Jason-1 (CNES/NASA) et Envisat (ESA), et les mesures in situ de température et de salinité issues par exemple des profileurs du programme ARGO3. MERCATOR recueille ces données auprès de deux portails spécialisés : le portail SSALTO/DUACS pour l'Altimétrie et le portail CORIOLIS pour l'in situ.


MERCATOR, c'est qui ?

La tutelle de MERCATOR est assurée conjointement par ses six organismes fondateurs qui soutiennent le projet par des contributions financières, des mises à disposition de personnels ou l'accès à leurs infrastructures lourdes de calcul et d'archivage. L'équipe projet, cœur du développement, est aujourd'hui constituée d'une trentaine d'ingénieurs et chercheurs basés à Toulouse, représentative de la mosaïque des compétences nécessaires. Elle rassemble des personnels de ces organismes tutelles et des personnels issus de sociétés privées, au premier rang desquelles les sociétés CERFACS4 et CLS5 qui jouent un rôle majeur dans le développement et la mise en œuvre du système. Au delà de ce noyau projet, Mercator a progressivement structuré les liens étroits qui l'unissent depuis l'origine à la communauté scientifique. Un réseau de compétence, dont les quatre points cardinaux sont le LEGI6 à Grenoble, le LEGOS7 à Toulouse, le LPO8 à Brest et le LODYC9 à Paris, rassemble ainsi autour du projet une cinquantaine de chercheurs sur le modèle des groupes d'investigateurs associés aux missions spatiales. L'expérience GODAE offre enfin au projet Mercator un espace naturel de collaborations avec les équipes internationales, tant au niveau européen (Belgique, Grande Bretagne, Italie, Norvège,…) qu'au niveau américain, australien ou japonais.


MERCATOR : où en est-on ?

MERCATOR a franchi le 17 janvier 2001 une étape décisive en diffusant son premier bulletin de prévision océanique, décrivant l'état instantané et prévu de l'océan Atlantique Nord et tropical. Il prenait ainsi sa place dans le club très fermé des centres de prévision océaniques délivrant un service de routine… Depuis, MERCATOR assure un suivi continu de l'état de l'Atlantique Nord et diffuse chaque mercredi un nouveau bulletin. Cette description détaillée de l'Atlantique se double d'une analyse sur l'océan global des observations acquises, qui renseigne en routine sur les statistiques d'écart entre les informations en entrée du système, à savoir celles issues des données altimétriques et celles issues des jeux de mesures in situ.

La configuration modèle exploitée aujourd'hui décrit l'Atlantique Nord de 70°N à 20°S avec une résolution horizontale du 1/3° et 43 niveaux verticaux (configuration MNATL, héritage du projet scientifique Clipper, basé sur le code OPA du LODYC9). Le modèle est forcé par les forçages quotidiens du CEPMMT10. Les observations altimétriques temps réel des satellites Topex/Poséïdon et ERS-2 sont assimilées chaque semaine par interpolation optimale avec la première version du système d'assimilation Mercator basée sur le schéma SOFA3.0 (LEGOS, De Mey) et le coupleur PALM (CERFACS, Piacentini). Une version multivariée permettant d'inclure simultanément les informations de profils in situ sera mise en œuvre à l'automne.

Le deuxième prototype Mercator sera mis en œuvre en 2002 et descendra à une résolution beaucoup plus fine (~1/15°, soit 5 à 7 km) sur l'Atlantique Nord auquel sera adjoint la Méditerranée, permettant d'accéder à une information véritablement méso-échelle. L'étape suivante (2003) étendra la zone de couverture modèle à l'océan global avec une résolution de type eddy-permitting (typiquement 1/4°) permettant de délivrer des analyses océaniques de qualité utiles tant pour des applications privilégiant généralement la couverture globale devant la résolution horizontale (exemple de la prévision saisonnière) que pour les applications régionales… condamnées à des choix inverses. Sur le même principe, le projet prévoit une amélioration progressive des schémas d'assimilation pour intégrer des méthodes d'assimilation avancées dans la chaîne Mercator ; l'équipe prépare en particulier aujourd'hui l'intégration de méthodes de Kalman de type SEEK (LEGI, Brasseur) dont l'applicabilité est désormais démontrée. Enfin, l'équipe va continuer son travail sur les données d'entrée du système en travaillant en premier lieu sur l'amélioration des forçages pour l'océan, en lien avec les équipes de l'IFREMER et du Centre de Météorologie Spatiale de Lannion.


MERCATOR, à quoi ça sert ?

Les analyses et prévisions océaniques délivrées par MERCATOR sont destinées comme on l'a vu plus haut à servir un grand nombre d'applications : applications de recherche, de défense civile et militaire et applications commerciales de l’océanographie. Le secteur est vaste et très varié dans ses attendus. On comprend bien en effet tout l'intérêt que pourront tirer de prévisions océaniques fiables des services dédiés à l'exploitation et la gestion raisonnée des ressources océaniques, en particulier halieutiques et pétrolières, l'aquaculture, la surveillance des flottes de pêche et de marine marchande, la sécurité des biens et des personnes en mer, la protection de l’environnement, la gestion des ports, le suivi et la gestion des ressources et milieux côtiers, l'extraction minière, la défense (discrétion sous-marine), ou encore le tourisme. Ces services se structurent progressivement pour intégrer cette nouvelle donne apportée par les modèles opérationnels comme MERCATOR. De même, la disponibilité d'analyses océaniques de qualité va contribuer au développement de prévisions saisonnière et climatique en fournissant des conditions initiales aux systèmes couplés océan/atmosphère. On retrouve ici le domaine scientifique lié au réchauffement climatique, mais aussi des secteurs d'activité tels que la production agricole, la planification énergétique, les transports… L'intérêt peut être économique (dans le secteur de l'énergie, on estime à 1 milliard de francs l'avantage qu'EDF retirerait annuellement d'une prévision climatique exacte à 12 mois d'échéance), ou toucher encore plus directement à la sécurité et au bien-être des populations (comme par exemple dans la prévention des événements El Niño et aux catastrophes qui y sont liées).

MERCATOR assure un service «généraliste» consistant à élaborer et mettre à disposition des analyses et prévisions océaniques de qualité ; il n'a pas vocation bien sûr à prendre à sa charge le développement propre de toute cette gamme d'applications, prises en charge par des équipes dédiées à l'utilisateur concerné. Le développement d'un centre de prévision océanique comme MERCATOR accélère fortement la structuration et le développement de ce secteur aval, qui bénéficie directement de la disponibilité des produits MERCATOR en amont. Parmi les secteurs concernés, la recherche joue un rôle privilégié en étant client en aval du système MERCATOR des analyses océaniques utiles à son activité de recherche… et fournisseur en amont d'outils et d'expertise scientifiques.


MERCATOR et POMME, une collaboration exemplaire

POMME (Programme Océan Multidisciplinaire Méso-Echelle)11 est un programme scientifique PROOF/JGOFS-PATOM dont l'objectif est de comprendre le rôle de la méso-échelle sur les processus de subduction des eaux modales et de la floraison printanière, ainsi que de déterminer les processus régulant les caractéristiques physiques et biogéochimiques des masses d'eau modales et le devenir de la matière biogène subductée et exportée sur l'échelle annuelle. La zone d'étude, dans l'Atlantique nord-est, est comprise entre les latitudes 38°N et 45°N et les longitudes 15°W et 22°W, à mi-chemin entre Açores et pénisule ibérique et donc dans la zone de couverture du système MERCATOR. Plusieurs campagnes de mesures in situ sont prévues dans la zone, la phase intensive étant l'année 2001. Le premier bulletin MERCATOR, diffusé le 17 janvier 2001, a permis ainsi d'ébaucher la situation prévue en température, salinité, courants ou profondeur de couche de mélange… que les équipes POMME allaient trouver sur leur zone d'étude deux semaines plus tard pour démarrer leur premier leg de mesures. La date de début de Mercator avait été choisie en fonction de cela. Depuis, le «service» Mercator est assurée de façon continue pour le bénéfice de la cellule temps réel du programme POMME (LEGOS, Assenbaum). Pour modéliser correctement les processus méso-échelles, l'équipe POMME a de surcroît développé son propre modèle, régional (limité à la zone d'études) et à très haute résolution (~1/20°). L'exploitation de routine du modèle de bassin MERCATOR permet ici de délivrer en routine temps réel les conditions aux limites de ce modèle régional, qui , ainsi forcé, est à son tour exploité en routine par l'équipe POMME12 (SHOM/CNRM, Gavart et Caniaux). La figure 8 montre une coupe en température à 40°N dans les couches de surface de ce modèle régional ; on y distingue parfaitement la subduction des eaux modales (~isotherme 14°) à 343° de longitude et leur piégeage sous la couche mélangée plus à l'ouest. En retour, le réseau de mesures in situ dans la zone et l'étude des différents champs modèles contribue directement à la validation des performances du système Mercator.

Nous avons montré ici qu'à travers MERCATOR l'océanographie opérationnelle s'installait désormais résolument dans le paysage océanographique. La mise en route d'un premier système de prévision océanique sur l'Atlantique Nord dès le mois de janvier 2001 oblige en effet à inventer «en situation» la meilleure façon d'intégrer cette nouvelle composante de l'océanographie. Le résultat est plutôt encourageant quand on observe comment progressivement se structurent les relations en amont avec les centres de données, en aval avec les centres d'applications ou des équipes comme celles de POMME, et comment les relations entre océanographie de recherche et océanographie opérationnelle s'installent sur la base d'un intérêt mutuel évident. En se mettant, deux ans avant le grand rendez-vous GODAE en situation de «jouer» à l'océanographie opérationnelle, la communauté française se donne aussi une force de proposition importante au moment où on dessine au niveau international les règles de cette nouvelle océanographie. Pour les six organismes à l'origine de Mercator, et pour l'ensemble de la communauté concernée, le vrai pari consistait à penser qu'ils iraient plus vite et plus loin dans leur propre mission (mission d'observation, mission de recherche ou mission opérationnelle) en fédérant leur effort pour le développement d'un système unique capable de décrire et prévoir en routine l'état de l'océan à tout instant et à tout endroit du globe. Le pari est en passe d'être gagné.


(1) Ocean Observation Panel for Climate, panel émanant du Global Ocean Observation System (GOOS), Global Climate Observation System (GCOS) et World Climate Research Program (WCRP)
(2) First GARP Global Experiment
(3) programme international de déploiement de 3000 profileurs autonomes mesurant T & S sur l'océan global pour GODAE. Le projet CORIOLIS en est la composante française
(4) Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique (filiale entre autres du CNES et de Météo-France)
(5) Collecte Localisation Satellite (filiale entre autres du CNES et de l'IFREMER)
(6) Laboratoire des Ecoulements Géophysiques Industriels (UMR 5519), Grenoble
(7) Laboratoire d'Etudes en Géophysique et en Océanographie Spatiales (UMR 5566), Toulouse
(8) Laboratoire de Physique des Océans (UMR 6523), Brest
(9) Laboratoire d'Océanographie Dynamique et du Climat (UMR 7617), Paris
(10) Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme
(11) voir www.lodyc.jussieu.fr/POMME/
(12) voir http://www.omp.obs-mip.fr/omp/pomme/Welcome.html

Contact :
Pierre Bahurel
SHOM-LEGOS
14, av. E. Belin - 31 400 Toulouse
Pierre.Bahurel@mercator.com.fr