Océanographie Physique - Ifremer
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Océanographie Physique
(atelier SMA2M)
Gilles Reverdin (LOCEAN)
Avec les contributions de :
Aurélien Ponte, Jonathan Gula, Camille Lique, Pascale Lherminier
Fabrice Ardhuin (LOPS)
Léa Olivier, Jacqueline Boutin, Juliette Mignot (LOCEAN)
Sabrina Speich ( LMD)
Voir en particulier
OceanObs’19: an ocean of opportunity. Volumes I, II, III
dans Frontiers in Marine Sciences
Contexte de l’océanographie physique Changement climatique (rôle des océans pour le stockage chaleur/CO2…) qui dépend fortement de la circulation océanique (mais aussi de: stratification, mélange vertical…) Prévisions saisonnières ou décennales (modèles couplés océan-atmosphère) avec un gros rôle d’initialisation par l’océan intérieur (T, S, densité) Courants de surface (et intérieur) pour missions ‘search and rescue’, pollution de surface, transports plastiques, macro-algues, HAB, transport larvaire… Distribution O2 (suivi des zones anoxiques), CO2 (carbone anthropique)/pH (calcification), Nutriments (production phytoplanktonique)… Ce que l’on a (récemment) utilisé pour étayer cette connaissance: - altimétrie… (+ autres produits satellitaires) - Réseau des flotteurs profilants Argo - Observations plus ponctuelles: campagnes (NO, gliders, AUV…) mouillages (réseaux équatoriaux, réseaux courants de bord ouest ou AMOC) instrumentation fixe ou dérivante de surface (bouées, ITP, saildrones, wavegliders) - Modélisation numérique, éventuellement couplée (océan/atmosphère…) et validée par des expériences de processus
Prévisions du changement climatique
En plus des tendances à long terme d’évolution du système climatique,
les modèles numériques climatiques présentent une variabilité naturelle
décennale/centennale (ainsi que le climat nord Atlantique)
IPSL CM5A-LR Escudier et al. 2013, Swingedouw et al. 2014, Ortega et al. 2015,
Données in situ pour contraindre les trajectoires des modèles
non initialisés…
(comment contraindre la variabilité interne // variabilité forcée)
Prévision saisonnière de modèle de climat, voir décennale (encore en cours) requiert données de l’océan intérieur (T, S) Pour le moment, en décennal, du fait de ‘défauts’ de modèles climats, essais souvent faits sur des maquettes (modèle supposé parfait) ou données uniquement de surface (mais S requis!) (V. Estella-Perez)
Distribution d’oxygène dissous dans les régions anoxiques (OMZ)
Ces régions tendent à s’étendre (20-30%),
mais avec variabilité inter-annuelle / décennale bassin peu connue
Impact SST + intensité upwelling
Previsions d’intensification
et d’extension des OMZ
En côtier; régions anoxiques
/hypoxiques sous l’effet SST/circulation
Et activités anthropiques
On peut les suivre: campagnes
+ Argo
exemple vers 2015-2017
V. Racapé
(réseau à venir ~1000 flotteurs)
Pénétration du carbone anthropique
(induit une diminution de pH)
pCO2
Méthode NN/SOM calée sur données Argo-pH
Takahashi et al., 2014
De la base SOCAT (et réseau SOCONET)
Cant, mol/m2 (en 2010) Khatiwala et al (2013)
Chgt Cant 1994-2007 (Grüber et al., 2019)
Pénétration transportée par la circulation
Courants de ‘surface’ Search and rescue Dérive de polluants (nappes de pétrole) Sargasses, HAB Rarement mesurés in situ (différents des courants mesurés à 15m (ou plus profondément) Et à quelle échelle? (en instantané, distribution des sargasses très filamentaire, et accumulation à de petites échelles (peuvent être inférieures à 100m)
Qu’a-t’on mesuré avec le réseau de flotteurs profilants ARGO?
15 ans de couverture quasi-complète de l’océan intérieur (T-S)
(sauf côtier, mers Indonésiennes , Arctique et proximité de l’Antarctique)
Variabilité interannuelle/décennale en surface et jusque 600-m;
tendances plus long terme marquées en profondeur
Contenu thermique global augmente (le réchauffement
pénètre dans les couches profondes; contribue à
augmentation du niveau des mers (~30%)
Argo donne estimation en accord avec
Bilan (Top of the Atmospher 0.5 W/m2)
(CERES…)
Mais diff facteur 1.5 entre
différentes estimations (sur 7 ans)
Pénétration dans couches profondes: circulation; quels changements à venir?Les variations saisonnières du niveau de la mer global sont bien reproduites par le Produit stérique in situ + bilan de masse océanique par GRACE Contraint le bilan de fonte interannuel des calottes (après années 2000)
Variations spatiales pluri-annuelles cohérentes
Tendance 2006-2011 (échelles
décennales de la variabilité océanique)
Niveau de mer altimétrique
Obs in situ (et réanalyse)
Fortement contraint
Par changements stériques 0-2000m
(+ un peu profond ou réponse barotrope,
Non incluse ici… surtout hautes lat nord et sud)
Et contribution de fonte Calottes et glaciers
(mais globale)
Distribution spatiale de variabilité plutôt
bien reproduite aux basses fréquencesAutre estimation de réchauffement régional 1700m est Indien équatorial
(entre Ile de Nias et Diego Garcia) Wu et al., 2020
thermométrie sismique (passive), Argo, modèle ECCO (‘assimile’ données in situ, altimétrie…)
Changement de vitesse des modes de marée interne (M2)
Données altimétriques du niveau de la merAnomalies régionales saisonnières sont mesurables par réseau Argo
(avec grandes barres d’erreur)
exemple de carte régionale SSS 2018
(T. Lesigne (produit satellitaire CCI) et ISAS (flotteurs Argo)
reste gaps en profondeur + Arctique + Indonésie
Illustre la propagation vers l’est (puis nord-est) d’une anomalie dessalée (et froide)
Initialement à l’est du plateau de Terre-Neuve (Cap Flamand)
(un modèle pour l’anomalie dessalée de 2015-2016?)
Les données in situ des réseaux actuels sont adéquates pour l’initialisation
de modèles de prévisions saisonnières du climatDes limitations régionales: l’Arctique
Site de très forts changements climatiques (réchauffement, cycle de l’eau…)
Avec des grosses conséquences: permafrost et méthane, pollutions diverses, géopolitiques
Observations satellites (glace de mer)
• Tant couverture (depuis 1979), derive, que maintenant épaisseur (certaines saisons), nature de la surface
• Montre diminution d’un facteur 2 de surface (été), plus d’un facteur 2 de volume; vitesses augmentent
(1/3), réchauffement de surface (atmosphere…) (1/4 superficie en lac en fin de printemps dans années
récentes!)
> Lacs de fonte (Mai). Leur étendue est un bon indicateur de la
couverture de glace en septembre (minimum)
Schroder et al. (2014 , Nature Climate Change)Océan Arctique:
Que connait-on de sa circulation/des changements encourus (dont flux air-mer)
et des processus impliqués?
Un océan difficile à observer ; glace (altimétrie?), pas vraiment de flotteurs Argo…
• A grande echelle, début de determination de la circulation (données altimétriques dans l’eau libre)
Detection of the Beaufort gyre and its
centre from SSH (retrieved through
leads
Regan et al. (2019), dataset from Armitage et al. (2016)Grande échelle
Les ITP et croisières océanographiques montrent:
Atlantification de l’Arctique Occidental (T (subsurface) et S augmentent);
rafraichissement de surface du reste de l’Arctique (accumulation d’eau douce)
ITPs profileurs posés ‘sur’ la glace profilent pour T/S (+ V, O2, pCO2…). Plus HF que Argo
Mais manque de flexibilité pour faire à la fois eau libre et regions englacées de l’Arctique
déploiements logistiquement compliqués (et chers); ne couvrent pas regions proche Asie…;
plus utilisées pour études de processus (couches proches de la surface)Les méso et sub-méso échelles
• Mesoscale in the Arctic is very small (Ro~10km), dissipated by sea ice at the surface, and very poorly
observed (and modelled)
• ITP have allow for some progress (left figure)
• Need process-oriented observations to understand how the mesoscale functions and how it interacts with
sea ice (eg right figure)
Eddy detection from ITP (2005-2015)
Zhao & Timmermans (2016)Difficulté d’observation de l’Arctique: inhomogénéité et petites échelles
• La glace de mer mer montre une hétérogénéité spatiale et temporelle de plus en plus forte
(pourrait augmenter dans le futur!)
• Obs à HR satellitaire requises (for e.g. SAR) associées à études de processus in situ pour quantifier la
dynamique petite echelle et apprehender les différents types de glace
• L’hétéorogénité (croissante) dans les glaces de mer induit très grande variabilité des échanges air-mer.
Requière des mesures des flux air-mer et conditions interfaces (bouées, saildrones…)
Image from MODISAMOC: que connait-on de la circulation méridienne?
Aux hautes latitudes (nord Atlantique) plongée d’eaux denses
induite par échanges air-mer; circulation branche profonde par courants bord ouest …
Branche nord (25-30°N): réduction probable
de 3 SV (sur une moyenne ~18 Sv)
des années 1950 à 2010
Estimations indirectes Prévisions de modèles de ‘climat’Estimations difficiles à faire
Ainsi MOVE (16°N) pas mal
D’approximations faites
Et tendances opposées
RAPID à 26°N (!)
(mais sur partie ouest: OK)
Pour RAPID assez bon accord entre mesures in situ et estim
Altimétrique + GRACE (mais stabilité masses d’eau;
Possibles changements de structure verticale des courants de bord ouest
NAC
MOC et section OVIDE
Composante AMOC interne gyre subpolaire non négligeable; Desbruyères et al., 2013
Partie mer Labrador d’OVIDE non mesurée; ORCA025-G70
échanges avec Arctique?
Courant de bord ouest stable?MOC (estimée) OVIDE AMOC Ovide: comparaison campagnes in situ (points rouges) ; altimétrie + ISAS Bons accords sur les derniers 20 ans MOC (mesuré) 26°N Bon accord, mais, structure verticale du courant de bord ouest stable? Comparaison OVIDE et 26°N • Plus variable àOVIDE, @ saisonnier et décennal. • Tendance à séparer AMOC subpolaire et subtropicale (sud de ~40°N), (cohérence dépendrait échelles de temps)
AMOC – sources d’eaux profondes ?
Present climate
Les eaux profondes (branche nord) se forment 4xCO2 climate
- Par convection (actuellement mers nordiques +
Labrador et Irminger
- Transformation de masses d’eau aux seuils Arctic
Basin
séparant mers nordiques de l’Atlantique
Nordic
Seas
Mais, possibilité que convection se produise dans
Arctique Européen désenglacé du futur et moins en Rockall
Basin
mers Labrador+ Irminger Labrad
Irminge
r Sea
or Sea
Impliquerait une branche de surface allant plus au
Subtropical Gyre
nord, et une branche profonde moins dense et qui
irait moins profond…
Comment échantillonner ses changements
qui impliquent changements courants de bord
ouest: mesurer la circulation en un point / une Lique & Thomas (2018 , Nature Climate Change)
latitude ne suffira pas…Connectivité : les seuils
Souvent, circulation
contrainte par
bathymétrie; permet
mesures plus ‘faciles’
i.e. il n’est pas necessaire
de mesurer les
transports partout
e.g. exemple du
transport dans Faroe-
derived from Østerhus, Svein, et al. "Arctic Mediterranean exchanges:
A consistent volume budget and trends in transports from two
decades of observations." Ocean Science 15.2 (2019): 379-399.
Bank Channel, qui semble
mesurable avec surtout
un mouillage ADCP.”
Hansen and Østerhus,
2007, Progress in
OceanographyConnectivité: Courants et variabilité régionale
Houpert, L., et al. "Structure and transport of the North Atlantic Current
in the eastern subpolar gyre from sustained glider observations." Journal
of Geophysical Research: Oceans 123.8 (2018): 6019-6038.
• Gliders et AUVs
photo courtesy of Irish Marine Institute
A aussi été mis en œuvre pour suivi du transport dans Davis Strait
(conjointement à mouillages)… Dans régions à bathymétrie peu profonde,
Apporte une information peu accessible par flotteurs ArgoVariabilité de la circulation aux méso échelles spatio- temporelles (tourbillons 10-100 km;1 jour –qq mois): Contribue fortement au transport méridien de chaleur… circulation, très importante pour de nombreuses applications, type S&R, suivis de pollution… Ce que l’on en connait repose fortement sur la mesure altimétrique de niveau de la mer et, par estimation ‘géostrophique’, des courants de surface (hors équateur) Verrous: Tendance sur 23 ans Les échelles temporelles et spatiales des reconstructions Busecke and Abernathey 2019 altimétriques (niveau de la mer, courants de surface) sont souvent longues/grandes (> 15j/ 100 km) Car il faut filtrer ondes internes et ‘bruit de mesure’, vagues… et le sous-échantillonnage spatial (traces altimétrique séparées parfois de plus de 100 km). Les modèles qui ‘assimilent’ les données peuvent en principe compenser une partie de la variabilité mal échantillonnée due aux forçages ou dynamique Reste la question de propagation verticale du signal de surface … (souvent traité de façon simplifiée, en projetant verticalement le signal de surface)
Un exemple de structure de méso-échelle tropicale: campagne EUREC4A-OA
04-Fev-2020
A0
Structure qui évolue vite
(< 10 jours), échelle du
Filament d’eau douce
(100km), et actif dynamiquement
Difficultés à reproduire
dans produit altimétrique
12-Fev-2020 (diff. Facteur 2 sur vitesses)
Globalement, validation par données bouées dérivantes ancrées à 15-m; ADCP; mouillagesEcarts de structure surface/ subsurface (Eurec4A-OA)> 50 km
section verticale ADCP EUREC4A-OA dans anticyclone A0 (L. Olivier)
1/02 2020 (vers 7.5-8°N)
Et dans A1, le 6/02, cœur de surface ‘altimétrique’ à
9.4°N/53.9°W,
alors que flotteurs Argo (1000m) le trouvent vers
8.9°N/53.6°W
De telles séparations ‘non prises en compte) induisent des erreurs dynamiques
dans le modèle assimilé et donc dans les prévisions ultérieuresMéso-échelles: les verrous les plus forts portent sur les courants Possibilité amélioration missions satellitaires (fauchée large comme SWOT)? Produit dédié de courants de surface ‘satellitaire’ (projetSTREAM) (aide aussi pour les courants proches de l’équateur qui sont mesurés in situ en quelques sites de mouillages des réseaux TAO/PIRATA/RAMA) ‘observations plus processus’ (voir aussi sub-méso échelles) Pour la subsurface, plus compliqué! Par exemple, régionalement, utilisation de l’acoustique active ou passive avec plateformes en réseaux (aide localisation, mais aussi vitesse du son, Voir détection passive de sources (mammifères, vélages d’icebergs, formations de leads dans la banquise…) ou de la surface (vagues déferlantes, pluie…) Suivis du ‘vivant’ (mammifères marins, tortues, prédateurs supérieurs…) Pour la surface, reste aussi la question du suivi de SSS (suite de satellites SMOS, SMAP…); données in situ (utiliser les réseaux de bouées dérivantes (mais avec capteurs bon marché et fiables, avec fouling…), les voiliers et bateaux d’opportunité, saildrones, wavegliders…
Les plus petites échelles de la circulation? Se trouvent en particulier dans les simulations, dans les obs satellitaires? En quoi sont-elles importantes? (dynamiquement, pour la production primaire, la distribution de ‘polluants’/objets flottants (plastiques), ou proies…) En surface, elles contribuent fortement à la subduction (‘enfouissement’) de propriétés de surface et à la restratification des couches de surface Hivernales ‘profondes’, mais aussi injection d’eau de subsurface à la surface des océans près de fronts… donc à la production primaire (échelles de temps comparables 1-qq jours) mais aussi au mélange vertical et flux air-mer; cause énorme hétérogénité spatiale; modifie donc interactions entre échelons trophiques
Exemple: export du carbone particulaire des blooms printaniers: Omand et al. 2015
Données de seagliders
(printemps 2008 Atl. Nord)
Subduction le long de fronts.
QQ évènements échantillonnés
Estimation d’un modèle numérique régional + paramétrisation globale:
20% de l’export de carbone particulaire des couches de surface des floraisons printanièresExemple: apport de fer dans couche mélangée (océan austral) Uchida et al, 2020
Étude de simulation numérique:
Région contrainte par apports Fe
Entre front polaire et sub-Antarctique,
Fe ~0.1 mmol/kg
Forte contribution de flux vertical Fe
À la base de MLD (hiver MLD 100-200m)
(plus que compense export phyto
Début de printemps)Sub-méso échelles peuvent aussi résulter de stirring
d’un traceur ‘passif( par un champ tourbillonaire évoluant
Dans le temps (d’Ovidio et al, 2011; niches écologiques)
Section glider au large du Pérou (2008) Pietri et al. (processus complexes de subduction)D’Asaro et al., 2018 ; 200 objets flottants dans champ cyclonique (20x20 km2);
en 8 jours, moitié se retrouvent dans 60mx60m (vorticité cyclonique
+ vitesses verticales dans fronts atteignant 0.01 m/s; nord du Golfe du Mexique;
proche du panache du Mississipi)
Rascle et al., 2020
Expérience LASER
Bouées + SAR + HR SST (sunglint)
Front de largeur 50-m
(observé aussi dans filament
D’eau de l’Amazone
Reverdin et al., 2021)
Voir aussi Chapron et al, 2020Besoin en observation in situ méso et sub-méso fortement piloté par Mission satellitaire altimétrique SWOT (fin 2021), qui apporterait Champs 2-D au lieu 1-D, mais difficulté d’interprétation et lien Surface à sub-surface, mais aussi ondes internes… Mais aussi, validation des paramétrisations dans modèle numérique HR, prise en compte des interactions air-vagues-mer (-glace), ondes internes, Processus dissipatifs... Plutôt de nature ‘expériences de processus’ que ‘suivis long terme’ (S-MODE) De telles expériences Requièrent un nombre important d’instruments Soit surface (bouées type LASER/autres?, saildrones) Soit subsurface (gliders, AUV, flotteurs) Voir pour biologie/biogéochimie (car couplages importants)
La variabilité ‘rapide’ de l’océan (heure à jour…)
La mission SWOT et l’interprétation des mesures
relance l’effort porté sur les ondes internes, quasi-inertielles, mélange
MacKinnon et al, 2017
Importance sur mélange vertical; flux de nutriments, chaleur
(en particulier sur plateaux ou rebord de talus)
Neap-tides, solitons…Yu et al, 2019; Elipot et al., 2010 Composante M2 ondes internes cohérente (en phase) (altimétrie) Mais tout n’est pas en phase; interactions avec structure verticale de densité, champ de vitesse, tourbillons
Courants de surface: qu’en mesure-t’on? (mouillages, expérience de processus)
Et à quelles échelles de temps?)Interactions courants-vagues-vents multi-échelles Drake passage: modèle couplé gauche; droite effet des courants et obs AltiKa Challenge: intégrer les obs méso et subméso océaniques, vents et courants Mesures Doppler satellitaires (STREAM; diffusiomètres en bande Ka (dispersion des ondes gravitaires À différentes longueures d’onde), obs in situ bouées houles, radar HF (près des côtes), radars bande X Noter : interactions plutôt destructives pour le champ de courant
Sub-méso échelles, le gros de l’effort porte sur la surface de l’océan.
Faut-il aussi s’intéresser aux couches profondes de l’océan?
En particulier, au fond, la circulation est contrôlée par les interactions avec la bathymétrie
(se voit même dans les courants de surface);
Interactions qui impliquent génération d’ondes internes et subméso-échelles et qui
modifient les caractéristiques par exemple de la branche profonde de la MOC,
ou les écoulements d’eaux denses aux avals de seuils.
Contributions au mélange, à la restratification des couches de fond, et à leur upwelling
(implications aussi sur transport sédimentaire ou de polluants, dispersion larvaire…)
Difficile à mesurer:
Mouillages, campagnes,
plateformes instrumentées
(AUV, ou deep gliders,
ARGO floats?)
Modélisation, Vic et al. (2018) MOMARVous pouvez aussi lire
