DRAKKAR : modélisation à haute résolution de la variabilité océanique au cours des 50 dernières années

Extrait de la Lettre du Changement global n°19 - Programme International Géosphère Biosphère (IGBP) - Programme Mondial de Recherches sur le Climat (WCRP) - Programme International «Dimensions Humaines» (IHDP) - Diversitas - Earth System Science Partnership (ESSP)

La variabilité océanique affecte sensiblement le climat terrestre aux échelles interannuelles à décennales. Notre compréhension de cette variabilité reste toutefois limitée par la complexité des processus à l’œuvre et le manque d’observations historiques. Le programme DRAKKAR vise à compléter par la modélisation numérique la recherche observationnelle et théorique sur le climat océanique des dernières décennies ainsi que sur les processus qui le contrôlent.

Climat et turbulence océaniques

L’océanographie physique a beaucoup progressé depuis 15 ans grâce à l’observation globale de la surface des océans par satellite. Depuis 2000, le réseau mondial de flotteurs profilants autonomes ARGO étend progressivement aux masses d’eau des 2 000 premiers mètres ce suivi global océanique en temps réel. Ces données sont précieuses pour l’étude du milieu mais trop superficielles (satellites) ou trop dispersées en espace (flotteurs) pour décrire avec précision la turbulence de méso-échelle océanique (tourbillons de 20 à 200 km de diamètre). Omniprésente du fait de l’instabilité générale des courants océaniques, cette turbulence assez mal connue affecte en retour la dynamique et la thermodynamique des océans. Plusieurs études récentes soulignent également son impact sur la variabilité des bassins à l’échelle interannuelle à décennale, via les flux air-mer (Caniaux et al., 2005), l’évolution des masses d’eau (Mémery et al., 2005; Chanut et al., 2005), ou les échanges de chaleur entre bassins (Treguier et al., 2003). Cette dynamique non-linéaire serait ainsi responsable d’une part significative de la variabilité océanique à basse fréquence (Dewar, 1998; Hall et al., 2004; Penduff et al., 2004).

La plupart des simulations océaniques destinées à l’étude du climat ne représentent pas la turbulence de méso-échelle et ses effets non-linéaires, mais utilisent des paramétrisations dissipatives (viscosité, diffusion turbulente) qui tendent à amortir la variabilité basse fréquence. En effet, les processus qui contrôlent l’évolution océanique occupent une immense gamme d’échelles de temps et d’espace, de la seconde au millénaire, du centimètre à l’océan global. Il est impossible de simuler explicitement les plus fins d’entre eux dans une simulation globale, mais on en représente (imparfaitement) l’impact via des paramétrisations basées sur des lois physiques. Augmenter la résolution des modèles jusqu’à simuler explicitement les effets de la méso-échelle permet de s’affranchir d’une partie des paramétrisations utilisées dans les modèles climatiques actuels. L’entraînement, le mélange à petite échelle ou l’effet des vagues restent toutefois paramétrés. Des simulations océaniques à haute résolution s’étendant sur plusieurs décennies sont donc nécessaires pour bien représenter la circulation générale océanique (grands courants, échanges entre bassins, cycle des masses d’eau), et mieux comprendre la contribution des tourbillons à la variabilité climatique (instabilités, réponse à l’atmosphère, modes de variabilité).

Le programme DRAKKAR

L’équipe DRAKKAR est constituée d’une douzaine de chercheurs et ingénieurs issus de cinq laboratoires français et d’équipes européennes :

• LEGI (Grenoble),

• LPO (Brest),

• LOCEAN (Paris),

• LSCE (Gif-sur-Yvette),

• IFM-GEOMAR (Kiel, Allemagne),

• Shirshov Institute of Oceanology (Moscou, Russie),

• Université d’Helsinki (Finlande).

Des équipes de recherche françaises et étrangères sont associées à DRAKKAR; elles participent à la définition des simulations et contribueront à leur exploitation scientifique. Citons par exemple des projets de recherche sur le couplage entre physique, biologie, et le cycle du carbone, la variabilité à grande échelle (océan austral et tropical, impact des vents catabatiques en Antarctique) ou à l’échelle régionale (archipel Canadien, upwellings côtiers, Golfe du Mexique, etc.).

Le programme DRAKKAR construit une hiérarchie de modèles numériques sur la base du système NEMO «Nucleus for European Modelling of the Ocean». Ce système inclut l’outil national de modélisation océanique OPA9, le modèle de glace de mer LIM, et le code de traceurs et biogéochimie TOP. Ces modèles simulent sur la période 1950-2005 l’évolution tridimensionnelle de la circulation et des masses d’eaux océaniques, des glaces de mer, et de composants chimiques dissous (CFCs,14C) sur 46 niveaux répartis de la surface au fond. Ces simulations sont forcées en surface par des reconstructions globales journalières des vents, de la température et de l’humidité atmosphériques depuis les années 50.

Une résolution horizontale de 1/4° (soit 10-25 km), qui permet aux tourbillons de se développer, est utilisée dans une configuration de l’océan global, et dans une configuration resserrée autour de l’Atlantique Nord et des Mers Nordiques (de 30°S à 80°N). A l’horizon 2006, l’évolution depuis 1950 de ce dernier bassin sera simulée avec une résolution nettement accrue des tourbillons (résolution de 1/12°). Le logiciel AGRIF (Blayo et Debreu, 1999) permettra en outre des accroissements locaux de la résolution de ces configurations pour des études de paramétrisation ou d’océanographie régionale.

La construction de ce dispositif expérimental repose sur une coopération entre océanographes modélisateurs et observateurs, de climatologues, d’atmosphériciens, de numériciens et de biogéochimistes. Ce programme requiert d’importants moyens de calcul car nos objectifs concernent l’impact à long terme (longues intégrations) de processus de fine échelle (haute résolution spatiale) à l’échelle de bassins entiers (vastes domaines).

Objectifs scientifiques

Il s’agit d’une façon générale d’étudier les processus impliqués dans l’évolution de l’océan global, de l’Atlantique Nord et des Mers Nordiques depuis les années 1950. Les simulations numériques seront confrontées aux observations in-situ et satellitaires disponibles, analysées et confrontées aux théories existantes en termes de processus dominants. Ces simulations permettront par exemple d’affiner l’étude de la méso-échelle et des courants océaniques en réponse aux lentes fluctuations atmosphériques (Penduff et al., 2004). Les simulations de l’Atlantique Nord et des Mers Nordiques au 1/4° et au 1/12° seront forcées à leurs frontières par les champs issus des simulations globales. Nous tirerons profit de la hiérarchie de modèles en modifiant ces forçages latéraux et atmosphériques, afin de caractériser la part de la variabilité Nord Atlantique forcée localement ou à distance.

Un exemple d’interaction entre processus à méso-échelle et climat : les eaux modales
A la fois actrices et témoins de la variabilité océanique interannuelle à décennale, les masses d’eau modales sont surveillées et étudiées dans le cadre des campagnes OVIDE (sections répétées entre Groenland et Portugal) et des simulations DRAKKAR. Au cours de leur trajet en Atlantique Nord, ces eaux de surface sont refroidies par l’atmosphère et s’homogénéisent sur plusieurs centaines de mètres, mémorisant ainsi l’état de l’atmosphère en termes de température, salinité ou teneur en CO₂. Une partie de ces eaux va alors être subductée sous la surface pour y circuler plusieurs années, et pourra éventuellement restituer ces signaux vers l’atmosphère dans d’autres régions. Les processus impliqués dans l’évolution de ces eaux modales (interactions air-glace-mer, advection, subduction, diffusion, dispersion) sont affectés par des processus de grande et moyenne échelle dont la contribution relative est mal connue. Ces incertitudes planent aussi sur les mécanismes de propagation des Grandes Anomalies de Sel, suivies en surface du Spitzberg aux moyennes latitudes Atlantiques, et dont l’impact à grande échelle s’est manifesté au cours des dernières décennies (Belkin, 2004).

Résultats de simulation

La portée des études scientifiques issues de nos simulations dépendra de la capacité des modèles à reproduire, sans assimilation directe de données, (c’est-à-dire sans l’apport régulier de données mesurées qui permettent de recaler le modèle), une circulation variable mais stable sur plusieurs décennies, réaliste en termes de processus et en regard des observations océaniques. Ces dernières étant rares, notre connaissance tridimensionnelle du milieu se base souvent sur des synthèses d’observations représentatives d’une ou plusieurs décennies. Nos modèles sont donc mis au point lors de simulations préliminaires de 10 ans «climatologiques» (forcées par la répétition d’une année atmosphérique typique des décennies récentes) que nous évaluons vis-à-vis de ces synthèses d’observations en termes de trajectoire et transport des courants, cycle et caractéristiques des masses d’eau, etc. Une dizaine de simulations climatologiques de 10 ans a ainsi permis d’affiner la physique du modèle global 1/4°, comme l’illustrent les images présentées plus loin. L’absence d’observations régulières et détaillées complique l’évaluation des simulations, mais plaide aussi pour des investigations conjointes d’observations et de simulations.

Les altimètres satellitaires, comme TOPEX/Poseidon ou son successeur Jason, mesurent à la surface du globe l’énergie cinétique de la turbulence de méso-échelle océanique. La comparaison entre les climatologies qui en sont déduites et leur équivalent simulé (figure 1) montre que le modèle global positionne très correctement la plupart des grand courants et la turbulence qu’ils génèrent. Un travail sur les schémas numériques (Le Sommer et al., 2006; Penduff et al., 2006) a permis d’améliorer dans plusieurs régions-clé (exemple de l’Atlantique sud-ouest en figure 2) la physique du modèle. Les simulations récentes approchent désormais le réalisme de modèles nettement plus coûteux en ressources de calcul (Barnier et al., 2006).

Les figures 4 à 6 illustrent dans trois régions climatiquement importantes la coexistence dans le modèle des composantes impliquées dans la variabilité basse fréquence :

• la circulation océanique de grande échelle qui redistribue d’une région à l’autre les perturbations forcées par l’atmosphère ou induites par la dynamique océanique;

• la glace de mer qui affecte directement la salinité de l’océan et son interaction avec l’atmosphère;

• les tourbillons de méso-échelle, omniprésents, qui affectent de nombreux processus océaniques impliqués dans la variabilité climatique.

Des raffinements de maillage, dont un exemple d’application est illustré en figure 6, permettent d’accroître localement la représentation de cette méso-échelle. La hiérarchie de modèles construite devrait donc contribuer à une meilleure compréhension des processus impliqués dans la variabilité océanique sur une vaste gamme d’échelles spatio-temporelles.

Collaborations et applications

Ces recherches sont accompagnées d’avancées technologiques (nouvelles configurations océaniques pour l’étude du climat) et d’échanges avec l’océanographie opérationnelle. Ainsi le modèle global 1/4°, développé dans le cadre de DRAKKAR avec la collaboration du GIE Mercator-Océan, est utilisé depuis octobre 2005 pour la prévision océanique et sera transféré prochainement au programme européen MERSEA. Réciproquement, Mercator-Océan développe une configuration Atlantique Nord 1/12° à des fins opérationnelles, configuration que nous adapterons prochainement pour nos objectifs scientifiques. Avec le soutien du CNES, le groupe DRAKKAR contribue enfin à la valorisation des missions d’observation satellitaire et in-situ (Jason, ARGO, etc.) par ses travaux sur l’intégration des mesures de flux air-mer pour le forçage des modèles océaniques et sur les méthodes de comparaison modèle-données. L’équipe DRAKKAR propose donc de fédérer la recherche dans différentes disciplines autour d’outils communautaires.