Réflexions prospectives sur la recherche en océanographie physique en Bretagne occidentale - Ifremer

Réflexions prospectives sur la recherche en océanographie physique
                      en Bretagne occidentale
         mis en forme par F. Ardhuin, G. Charria, L. Marié, V. Thierry, J.L. Redelsperger, P. Klein

                                Correspondants pour les différents organismes :
                                            Ifremer : F. Ardhuin
                                            UBO : à déterminer
                                         CNRS : J.L. Redelsperger
                                            SHOM : S. Louazel
                                             IRD : à déterminer
                                         Météo-France : M.N. Bouin

I. Introduction: contexte, méthode et calendrier
Le paysage de la recherche est lié à de multiples facteurs, dont des tendances lourdes de nos sociétés
occidentales, en particulier une généralisation des évaluations, qui a abouti à un financement de plus en plus
lié à des projets, et l‟émergence d‟une “culture de l‟excellence” qui concentre des moyens sur un petit
nombre de chercheurs ou de groupes. Ces tendances contribuent à une évolution du cadre européen et
national, mais aussi à la politique des organismes de recherche. Un autre facteur important est la
démographie des personnels contribuant à l'effort de recherche.

 Cette évolution nous incite à repenser en profondeur les possibles objectifs et les moyens de cette recherche,
et la manière dont elle relie la curiosité des individus et une émulation collective, à des réponses concrètes à
des besoins socio-économiques ou des moyens moins intéressés. Dans ce contexte, l'émergence de campus
scientifiques interdisciplinaires, dont celui des sciences marines à Brest, relayée par le département « mer et
littoral » de la communauté d'universités et d'établissements Bretagne – Pays de la Loire, est de nature à
renouveler les questions scientifiques, et à favoriser l‟originalité et la pertinence de la recherche et l'intensité
de ses retombées socio-économiques. Le périmètre couvert par le présent document s‟étend donc de Lannion
à Plouzané en passant par Brest. Pour faire plus court, “Bretagne occidentale” sera par la suite remplacé par
“Brest”.

Pourquoi la physique ?
Au-delà des questionnements propres à l‟océanographie physique qui sont traités en détail dans ce
document, la physique est une des disciplines des sciences de la mer et du littoral, contribuant aux autres
disciplines océanographiques, et de manière plus large l'ensemble des géosciences, des sciences de
l‟ingénieur et des sciences humaines. L'océanographie physique fournit des connaissances, des concepts, des
outils de modélisation et des méthodes d'observation et de suivi du milieu marin. L'océanographie physique
n'est pas une discipline isolée et, en retour, de nombreuses questions sur la dynamique des écosystèmes et
des populations, la morphodynamique côtière, la concentration ou dispersion d'espèces chimiques,
l'exploitabilité des ressources énergétiques fossiles ou renouvelables … nourrissent la réflexion des
physiciens. Plutôt que d'apparaître dépassée, la segmentation disciplinaire peut être la fondation solide sur
laquelle une démarche scientifique plus large, pluridisciplinaire et transversale, peut s'appuyer. Les
océanographes physiciens qui ont contribué à cette réflexion sont porteurs d'un éclairage particulier sur cet
objet fascinant que constitue l'océan, et qui ne demande qu'à être croisé avec d'autres éclairages
disciplinaires portant sur l'océan, ses interfaces, et au-delà.

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Peut-être plus délicate que la fracture disciplinaire, le morcellement des moyens dans plusieurs organismes
de recherche peut être aussi bien une richesse, par la diversité des cultures, des expertises mises en œuvre, ou
des coopérations internationales, qu'un frein, par une concurrence exacerbée dans un contexte de réduction
générale des crédits de recherche. Cette concurrence se retrouve au sein même des laboratoires et des
organismes, encouragée par le financement de la recherche sur projets. Ce mode de financement rend le
présent exercice de prospective délicat. Ainsi, beaucoup d'avancées scientifiques seront le résultat
d'opportunités associées aux succès et échecs à différents appels d'offres.

Ce morcellement de l‟activité dans les différents organismes répond généralement à des besoins et missions
spécifiques, et le respect de cette diversité est indispensable à toute collaboration. Certaines réalisations,
comme cela a été le cas de la mise en place de l'océanographie opérationnelle et du programme Argo, ont
montré combien la mise en commun des moyens pouvait aboutir à des réalisations scientifiques et
techniques hors de portée des laboratoires ou organismes pris séparément.

Pourquoi Brest ?
Dans le village global qu'est devenue la communauté scientifique, privilégier l'échelon local peut apparaître
ridicule au premier abord. Toutefois c'est parce que la recherche scientifique se nourrit des relations entre
personnes que cela a un sens, sans même parler du rôle croissant des collectivités locales, et des différentes
initiatives d'excellence. Nous avons donc spécifiquement réfléchi à ce qui faisait l'originalité des moyens et
compétences actuels de la place brestoise aujourd'hui, et de sa possible évolution dans les années à venir,
dans le cadre d'une communauté mondiale où chacun a un réseau propre de par la politique de son organisme
de rattachement et des relations particulières tissées par les uns et les autres. La région brestoise rassemble
un grand nombre de spécialistes de la physique océanique, et des champs scientifiques voisins, qui, avec un
animation appropriée au travers des structures actuelles (Ifremer, UBO, CNRS/INSU, SHOM, Météo-
France, IRD, CEREMA, ENSTA-Bretagne, Telecom Bretagne ...) peut être un écosystème scientifique de
premier plan. Un autre atout essentiel du site brestois réside dans l‟existence d‟une offre d‟enseignement et
de formation, au niveau Master et Doctorat, unique en France et entièrement consacrée à l‟objet « Mer ».

Parmi les différentes spécialités de la « physique des océans », nous avons retenu 4 pôles principaux, qui ne
sont ni exclusifs ni représentatifs de toute l'activité scientifique à la pointe bretonne :
          océan et climats : de l'observation à l‟analyse des mécanismes sous-jacents,
          océan à très haute résolution,
          océan côtier,
          interface air-mer.

Ces pôles ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils se complètent en abordant des problématiques
communes (le climat notamment) sous des angles différents. D'autres pôles auraient pu être constitués,
autour de techniques de mesure, par exemple l'acoustique sous-marine.

Le descriptif des 4 pôles présentés ci-dessous synthétise les réflexions des chercheurs qui se sont mobilisés
pour contribuer à cette prospective. Les chapitres II à V, présentent les contextes, enjeux, problématiques et
positionnements des quatre pôles. Le chapitre VI esquisse quelques propositions et le chapitre VII liste les
projets en cours impliquant des acteurs brestois. Ce texte a été amendé (et est en cours d‟amendement) :

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    diffusion pour amendements à l'ensemble des contributeurs et organismes de recherche (juillet
            2014),
           rédaction d'un document de synthèse de l'ensemble (aout 2014),
           diffusion aux participants de la journée de prospective d‟avril 2014 (le 19 septembre 2014).

NOUS SOMMES ICI. La version actuelle de ce document est donc encore provisoire. Elle est là pour vous
informer de la démarche et vous inciter à vous positionner via le correspondant de votre organisme, les
rédacteurs ou bien le responsable de votre unité de recherche, afin de préciser, amender ou corriger le
présent document.

La suite:

           Consultation du secteur privé pour échanger sur les besoins en recherche, opportunités, et
            débouchés des formations (septembre 2014).
           Le document définitif sera proposé aux directions scientifiques des organismes concernés en
            octobre 2014, pour une finalisation en décembre 2014…
           Pour l‟Ifremer, ce document sera présenté au conseil scientifique de l‟Institut, qui se tiendra à
            Brest les 8 et 9 janvier 2015.

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II. Océan et climats

II.1 Contexte
Le pôle brestois s'est impliqué depuis plus de 20 ans dans les programmes d'observation in situ et satellite
de l'océan dans la durée, à des échelles de temps pertinentes pour l'étude du climat et de son évolution. Il
s'agit en tout premier lieu de la grande échelle océanique, avec des programmes qui ont défini la forme et le
périmètre de certains laboratoires du pôle brestois (LPO et LOS) : le World Ocean Circulation Experiment
(WOCE), puis CLIVAR, ARGO, et les programmes spatiaux dédiés à la mesure de la température de
surface, des vents et des propriétés des glaces de mer, et des vagues. L'IRD a également contribué à ces
réseaux d‟observations globaux de par son implication dans l‟initiation et la coordination de PIRATA et les
mesures par des navires d'opportunité. Ces programmes sont complémentaires des efforts essentiellement
portés sur d'autres techniques et d'autres variables océaniques : le niveau de la mer avec l'altimétrie à
Toulouse (Brest travaillant sur l'altimétrie essentiellement pour le vent et les vagues), et la couleur de l'eau à
Villefranche sur Mer (LOV) Wimereux (LOG), et dans une moindre mesure Bordeaux (EPOC) et Brest
(Ifremer). La multiplication récente des observations in situ et satellite de l'océan permet d'envisager des
contributions originales à l'étude intégrée des climats du système terre, d‟autant plus que le site Brestois
assure, pour la plupart d‟entre elles, la collecte et la distribution à l‟ensemble de la communauté via le
SISMER, le centre de données CORIOLIS et le CERSAT.

En complément à cet effort d‟observation et de distribution, le pôle brestois s‟est également fortement
impliqué dans DRAKKAR, un groupement de recherche international (GDRI) entre la France, l'Allemagne
et le Royaume Uni, dont l‟objectif à long terme est de développer et maintenir dans cette communauté un
cadre de simulation numérique de l'océan global qui permette d'adresser les questions d'interactions
d'échelles (processus, impacts et paramétrisations) pertinentes pour les études de prévision climatiques et les
applications opérationnelles en collaboration avec MERCATOR-Océan. Par ailleurs, un effort particulier a
été porté à Brest sur l'effet de l'océan et des interactions air-mer sur le long terme, utilisant des modèles
numériques de complexités différentes, qui permettent de révéler l'instabilité de certains états climatiques
(e.g. Arzel et al. 2008) et d'interpréter les projections climatiques réalistes.

En parallèle de cet effort sur l'océan global, l'importance croissante de la question du changement global
conjugué à une forte pression anthropique locale, et son impact sur les écosystèmes côtiers a conduit à des
travaux spécifiques en côtier, sur des échelles de temps climatiques. Ces travaux ainsi que les enjeux et
objectifs scientifiques spécifiques à l‟océan côtier sont détaillés dans la section IV de ce document.

II.2 Enjeux et objectifs scientifiques
L‟océan joue un rôle de modérateur du changement climatique en absorbant une part significative du
dioxyde de carbone (CO2) émis vers l‟atmosphère par l‟activité humaine. Toutefois l‟absorption du CO2
n‟est pas uniforme à l‟échelle du globe à cause du rôle joué par la dynamique océanique (Perez et al, 2013).
L‟océan joue aussi un rôle de modérateur du changement climatique en absorbant une partie de l‟excès de
chaleur due à l‟augmentation de l‟effet de serre. Par ailleurs, la zone géographique actuellement la plus
impactée par cet excès de chaleur est l'Océan Glacial Arctique et sa périphérie, et ces modifications brutales
de l'environnement polaire auront un impact sur l'océan global.

Quantifier et comprendre la réponse de l‟océan au forçage anthropique est une priorité des sciences du
climat et cette dernière décennie a été marquée par un effort sans précédent pour développer et consolider les
systèmes d‟observation de l‟océan. Les données du réseau Argo ont permis de réduire l‟incertitude sur

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l‟estimation du contenu thermique (e.g. von Schuckmann et al. 2011). Néanmoins, les données Argo
échantillonnent les 2000 premiers mètres de la colonne d‟eau ; il n‟y a pas de mesures systématiques en
dessous de cette profondeur alors que les observations éparses suggèrent une pénétration des anomalies de
contenu thermique en profondeur. Finalement, les projections climatiques du GIEC suggèrent un
ralentissement de la cellule méridienne de circulation (MOC, Meridional Overturning Cell), ce qui plaide
pour la mise en place et le maintien de réseaux d‟observation complémentaires (Argo, altimétrie, mesures
satellites, mouillages et sections hydrographiques répétées dans des régions clés (GOSHIP) qui, au-delà de la
surveillance des propriétés des masses d‟eau, permettent de quantifier les variations intégrées de circulation
(Mercier et al, 2014).

Quand on considère les projections climatiques des scénarios du GIEC, on constate une divergence régionale
des projections issues des différents modèles du système Terre. En particulier dans l‟atlantique Nord où l‟on
sait que les modèles d‟océan ont une représentation des routes de transport d‟eau chaude vers le nord qui
varie très significativement d‟une configuration à l‟autre. Cela est dû à une mauvaise représentation de
certains processus (interactions courant-topographie, mélange vertical, marée interne, flux) mais également
d‟une résolution encore trop basse dans les simulations actuelles (1/4° à 1/12°) pour résoudre les échelles
dynamiques pertinentes. Ceci plaide pour une meilleure identification et représentation des processus
dynamiques importants.

Dans ce contexte, les quatre objectifs principaux de cet axe sont de :
          Diagnostiquer l‟état de référence, la variabilité et les tendances de l'état de l'océan (circulation
           océanique, propriétés des masses d‟eau, concentration en glace de mer ...) et leurs relations avec
           les forçages (naturels, anthropiques) (en lien avec le pôle “océan côtier”)
          Améliorer notre compréhension des mécanismes de variabilité du système couplé océan-
           atmosphère (en lien avec le pôle “interface air-mer”)
          Améliorer notre compréhension des processus et leur représentation dans les modèles d‟océan (en
           lien avec le pôle “océan à très haute-résolution”)
          Améliorer notre compréhension des processus impliqués dans le couplage physique-
           biogéochimie

D‟une manière générale, pour mener à bien ces études nous contribuerons aux systèmes d'observation
systématiques (Argo, SST, SSS, banquise, vents, vagues, flux, GOSHIP, mouillages PIRATA) en exploitant
les données d'autres systèmes d'observation (altimétrie, couleur de l'eau, salinité, etc..) et en les complétant
régionalement par des campagnes in situ pour l'étude de processus ciblés. Nous mènerons également des
analyses jointes d'observations in situ et satellite, de simulations numériques réalistes et idéalisées, et de
développement théoriques. Cette fusion de données pourra faire l'objet de généralisation au niveau régional
comme c‟est prévu en Atlantique Nord dans le cadre du projet Européen AtlantOS (H2020) ou au niveau
global dans le cadre de projets comme cela a été le cas dans les projets « Pathfinders Ocean Acidification »
et « Oceanflux GreenHouse Gases » financés par l‟Agence Spatiale Européenne. Ces projets s'appuient sur
la disponibilité de données satellites, in situ et sorties de modèles pour l'estimation de paramètres liés à
l'acidification des océans (At, DIC) et gaz à effet de serre (flux air-mer de CO2) et leurs incertitudes. Ces
projets reposent sur la capacité d'archivage de gros volumes de données et de retraitement de ces données.

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II. 3 Axes de recherche et méthodes d’approche
II.3.a Diagnostiquer l’état de référence, la variabilité et les tendances de l’état de l’océan et leurs
relations avec les forçages (naturels, anthropiques)

Circulation océanique et propriétés des masses d’eau
B. Blanke, A. Colin de Verdière, F. Gaillard, P. Lherminier, G. Maze, H. Mercier, M. Ollitrault,
V. Thierry, A.M. Treguier

Depuis plus de 10 ans maintenant, le site brestois a fortement contribué à diagnostiquer l‟état de référence et
la variabilité de la circulation océanique et des propriétés des masses d‟eaux. Ce travail a été mené en
Atlantique Nord dans le cadre du projet OVIDE (cf Figure II.4; Mercier et al 2014, Thierry et al. 2008), en
Atlantique équatorial dans le cadre des projets EGEE/AMMA et PIRATA (Bourles et al. 2008;
Kolodziejczyk et al., 2009, 2014), en Atlantique Sud dans le cadre des projets GoodHope et SAMOC
(Meinen et al. 2012) et à échelle globale avec l‟analyse des contenus thermique et halin avec ISAS (von
Schuckmann et al. 2009) et avec l‟atlas ANDRO de courants à 1000m de profondeur grâce aux données
Argo (Figure II.5, Ollitrault et al. 2013, Ollitrault and Colin de Verdière, 2014). Un tel diagnostic a
également été mené dans le domaine côtier (chapitre IV). L‟enjeu pour les 5 prochaines années est non
seulement de maintenir les séries temporelles initiées (OVIDE, ARGO, PIRATA) et les indices et produits
initiés (indice de MOC, ISAS, ANDRO) pour mettre en évidence les signaux basse-fréquence mais
également de développer de nouveaux indicateurs pertinents (surveillance de l‟océan profond, oxygène,
thermocline). Les zones géographiques privilégiées sont l‟Atlantique (subpolaire, subtropical et tropical) et
l‟océan global. Les études dans l‟océan Austral se poursuivront dans le cadre du LMI ICEMASA et en
collaboration avec l‟ENS/LMD (S. Speich).

 Figure II.4: Intensité de la branche supérieure de la cellule méridienne de circulation (uMOC) à travers la section
  OVIDE. (Points rouges) uMOC déduite des données hydrographiques OVIDE. (Courbe bleue) uMOC calculée à
 partir des données altimétriques. (Courbes noires) uMOC déduite de Altimetrie + Argo ou des données du World
                                                     Ocean Atlas.

Il s‟agit maintenant de susciter des analyses jointes des bases de données “océan”, “atmosphère” et
“cryosphère” et “hauturier – côtier” afin de poursuivre et compléter le diagnostic de l‟état de référence et la
variabilité océanique saisonnière à multi-décennale (circulation 3D, T, S, O2, vagues, banquise, flux air-mer,
couleur de l‟eau etc…) y compris les synthèses (contenu thermique, MOC, suivi lagrangien de masses
d‟eaux…), d‟identifier les modes de variabilité océanique en lien avec les principaux forçages et modes de

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variabilité atmosphériques (NAO, ENSO, régimes de temps, etc...), et de bien comprendre le rôle de l‟océan
dans le système climatique terrestre et dans sa variabilité. Pour mener à bien ces analyses, la connaissance et
la maîtrise des méthodes permettant de traiter une grande quantité et diversité des données parfois à faible
rapport signal sur bruit est fondamentale. Il s‟agira de mettre en œuvre des méthodes statistiques pertinentes
(eof, analyse spectrale, …) et d‟adopter les méthodes d'analyse issues de la discipline « fouille de données »
(classification de données, reconnaissance de forme, etc ...).

       Figure II.5: Circulation à 1000 mètres déduite de la dérive en profondeur des flotteurs Argo (ANDRO).

Hautes latitudes : glaces de mer, icebergs et interactions avec les moyennes latitudes
F. Ardhuin, A. Bentamy, B. Chapron, F. Girard-Ardhuin, A. Mouche, A.M. Treguier, J. Tournadre

La zone géographique actuellement la plus impactée par le réchauffement global est l'Océan Glacial
Arctique et sa périphérie: fonte de la calotte du Groenland, vêlage des icebergs, réduction de l'extension de la
banquise arctique. Au-delà, ces modifications brutales de l'environnement polaire ont et auront un impact sur
l'océan en général, et sur le gyre subpolaire de l'Atlantique Nord en particulier. Parmi les études en cours, on
peut citer par exemple la quantification des flux d‟eau douce associés aux icebergs, et leur impact sur la
ventilation des masses d‟eau, ou l‟étude des rétroactions entre icebergs et glace de mer. Un exemple d'étude
que l‟on souhaite mener dans le futur concerne la compréhension des mécanismes de variabilité de la
circulation et de formation des masses d'eau dans les zones marginales de glace, zones complexes
particulièrement difficiles à observer et à représenter dans les modèles.

Sur le site brestois, le LOS travaille depuis plusieurs années sur deux composantes particulières des régions
polaires : les glaces de mer et les icebergs, en exploitant les données satellites pour la création de bases de
données longues, continues, homogènes (disponibles au centre d'archivages Ifremer/CERSAT). Ce travail
de création de bases de données se poursuivra dans les années à venir et pourrait rentrer dans le cadre de
l'Observatoire Arctique mis en place par l'INSU à Plouzané. Actuellement, un effort est mené dans le cadre
du projet européen SWARP pour constituer une nouvelle base de données de houle issue de modèle dans
l'Océan Arctique, avec un accent particulier sur la zone marginale de glace. De même, une méthode originale
de quantification des courants moyens de surface a été développée pour l'Arctique (projet CNES ACUR et
plus globalement projet de l'Agence Spatiale Européenne GlobCurrent) et le LOS a un projet avec Météo-
France à Lannion d'améliorer les données de température de surface de la mer en Arctique (projet en
partenariat renforcé avec Mercator-Océan, à mettre en place).

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Il est en effet primordial d'obtenir des séries temporelles longues pour la mise en place d' “'indicateurs”
pertinents tels que l‟étendue de la banquise (projet Climate Change Initiative-Sea Ice, de l‟Agence Spatiale
Européenne), la quantité de banquise épaisse, la quantité d'eau douce disponible à la fonte des icebergs par
exemple (projet CNES Altiberg), ou encore la vitesse de déplacement de la banquise. Le suivi de ces
indicateurs permettra une meilleure connaissance des mécanismes et impacts. L‟augmentation de la vitesse
de déplacement de la banquise pour une même vitesse du vent met en évidence l'amincissement de la glace
au cours des 20 dernières années. La longueur des séries est par ailleurs primordiale, par exemple pour
l'étude des icebergs car ils ont un caractère sporadique lié à la génération chaotique d'icebergs géants qui
peuvent contenir à eux seuls l'équivalent d'une année de précipitation globale.

Cette évolution des propriétés de la banquise et les besoins de prévision météo-océanique en Arctique ne
peuvent plus se contenter des approches simplistes utilisées par exemple dans la modélisation des vagues.
De même, la rhéologie de la banquise en zone marginale de glace demande un traitement particulier. Le pôle
brestois, y compris dans le secteur privé (CLS et OceandataLab) possède une expertise en télédétection,
depuis la grande échelle jusqu‟à la très haute résolution, et en modélisation numérique des vagues et de la
circulation océanique, qui peuvent compléter idéalement des travaux à la mer réalisés en partenariat par des
collègues internationaux. L'extension de la modélisation des états de mer à l'ensemble de l'Arctique pourra
aussi permettre d'évaluer la capacité des réseaux de sismographe récemment installés autour du Groenland à
détecter des sources de bruit associées à la diffusion des vagues dans la zone marginale de glace.

II.3.b Analyse de la variabilité du système couplé océan-atmosphère

T. Huck, O. Arzel, A. Colin de Verdière

A partir des observations, notamment de SST, différents modes de variabilité ont été décrits dans l'océan
Atlantique Nord, notamment l'Atlantic Multidecadal Oscillation/Variability (AMO/AMV) avec une période
de 50 à 70 ans (e.g. Knight et al. 2005), mais des analyses plus récentes suggèrent des périodes plus courtes
(20-30 ans) dans l'Atlantique (Frankcombe et Dijkstra 2009, Chylek et al. 2011) et plus longues dans
l'Arctique (Frankcombe et al. 2010, 2011). Par ailleurs, l'évolution de la MOC à travers la section Ovide (40-
60°N) depuis 1992 (Mercier et al. 2014) montre une forte variabilité interannuelle et quasi-décennale alors
que la réanalyse de l'ECMWF ORAS4 depuis 1958 semble produire à 50°N une variabilité de plus basse
fréquence et moins régulière. La période et la structure de ces variations basse-fréquence dans l'Atlantique
ne sont donc pas claires, et restent perturbées par la superposition du signal de réchauffement climatique.
Plusieurs types de mécanismes bien distincts peuvent être responsables de la variabilité océanique. D‟une
part, la variabilité forcée par l'atmosphère comme l'oscillation nord-atlantique (NAO), qui est le mode de
variabilité principal de la pression atmosphérique au niveau de la mer, et qui présente principalement une
variabilité interannuelle mais aussi une variabilité basse fréquence très marquée (Osborn 2006 par exemple),
qui pourrait être en avance de phase d'environ 15-20 ans sur l'AMO (Li et al. 2013). D‟autre part, la
variabilité interne de la circulation forcée par le vent à grand nombre de Reynolds, qui génère des périodes
plutôt interannuelles (e.g. Hazeleger et Drijfhout 2000, Penduff et al. 2011) et la variabilité interne de la
circulation "thermique" qui apparaît même à faible Reynolds sur des périodes de 20 à 30 ans et sur laquelle
le site Brestois a beaucoup travaillé depuis 15 ans. Enfin, la variabilité couplée à échelle saisonnière à
décennale. Néanmoins, les modèles couplés peinent à reproduire les caractéristiques de la variabilité
observée, et leur analyse ne permet pas d'en identifier les mécanismes fondamentaux (Hodson et Sutton CD
2012 par exemple). En interprétant des résultats de modèles couplés réalistes avec des études plus ou moins
idéalisées, on peut s'attendre à des progrès (Tulloch et Marshall 2012).

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Dans les 5 prochaines années, nous souhaitons explorer la variabilité basse fréquence océanique en terme de
variabilité interne, forcée et couplée. Nous poursuivrons d‟abord l‟étude des mécanismes de variabilité
océanique interne (projet TI AMMO), et forcée (projets OVIDE et DRAKKAR). Nous souhaitons également
développer des configurations couplées océan-atmosphère simplifiées pour les études de processus. Il
convient pour cela d‟attirer des compétences en dynamique atmosphérique.

II.3.c Améliorer notre compréhension des processus et leur représentation dans les modèles
d’océan
Interactions courant-topographie
B. Ferron, N. Daniault, P. Lherminier, H. Mercier, C. Talandier, V. Thierry, A.M. Treguier

Les structures topographiques telles que les bassins et les rides océaniques ont une influence majeure sur la
circulation océanique. Une conséquence classique de la présence des continents est l‟existence des courants
de bords ouest alors que les rides océaniques sont connues pour bloquer la propagation des masses d‟eaux
profondes. A plus petites échelles, monts sous-marins, zones de fractures, seuils et rugosité du fond affectent
la circulation et les masses d‟eaux profondes à travers divers mécanismes dynamiques incluant le forçage de
la vitesse verticale et du mélange turbulent vertical. Etudier les processus dynamiques pertinents impliqués
dans les interactions entre une bathymétrie complexe et un système compliqué de courants forcés par le vent,
les flux de flottabilité, le mélange, la marée et les tourbillons, tels que ceux observés en Atlantique Nord est
un réel challenge aussi bien en termes d‟observations que de modélisation car les processus ont lieu sur une
large gamme d‟échelles spatio-temporelles.

                              Figure II.1: Schéma de circulation en Atlantique Nord.

Cette thématique sera abordée dans le cadre du projet RREX (Reykjanes Ridge Experiment) dans lequel
nous étudierons en détail les interactions entre les courants océaniques et la ride de Reykjanes, une structure
topographique majeure de l‟Océan Atlantique Nord (Figure II.1). Les trois objectifs du projet sont de :

          documenter la circulation autour et au-dessus de la dorsale et identifier les processus dynamiques
           contrôlant la connexion entre les deux côtés de la dorsale
          quantifier et comprendre la transformation des masses d'eau près de la dorsale
          déterminer les paramètres clés des modèles de circulation générale permettant une représentation
           adéquate de la circulation et des transformations de masse d'eau près de la dorsale et fournir des
           recommandations pour l'amélioration de la composante océanique de la prochaine génération de
           modèle de climat.

                                                        9

Pour atteindre ces objectifs, nous combinerons un jeu de données nouveau et ambitieux (Figure II.2) et des
sorties de modèles réalistes avec des expériences en laboratoire et des simulations idéalisées (collaboration
avec le LEGI). Le volet modélisation réaliste s'appuiera sur les simulations existantes ou programmées à
court terme (modèle ORCA12) mais aussi sur le développement de configurations haute résolution
communautaires de nouvelle génération, en collaboration avec le LGGE et en synergie avec MERCATOR-
Ocean. La résolution visée est le 1/36° degré.

Figure II.2: Schéma de l‟expérience RREX. (Points rouges) Position des stations CTD-O2/ADCP. Un profil VMP sera
 réalisé une station sur deux. (Points noirs) Position des mouillages courantométriques. (Points jaunes) Position des
               lâchers de flotteurs Argo par un système automatique de larguage de flotteurs (ASFAR).

RREX est la contribution française au projet international OSNAP (US, UK, Canada, Pays-Bas, Allemagne,
France, http://www.o-snap.org/ ), il est une des contributions au projet Européen AtlantOS et il contribuera
au programme international Argo et à l‟Equipex NAOS pour le déploiement de flotteurs profileurs.

Processus de mélange dans l’océan
B. Ferron, H. Mercier

Le mélange diapycnal, la dissipation d'énergie cinétique et de traceurs sont des paramètres clés qui
contribuent à la définition de la stratification des océans et à leur équilibre énergétique. A ce titre, et du fait
d'une méconnaissance de la distribution spatio-temporelle de ces paramètres et des processus générateurs,
l'état moyen mais aussi dans une certaine mesure la variabilité des modèles de circulation générale sont
sensibles à la représentation de ces phénomènes non résolus car de très petite échelle.

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Figure II.3: Estimation du taux de dissipation d‟énergie cinétique turbulente (log10, unité : W/kg) le long de la
        section Ovide en 2008 Ovide. Le taux de dissipation est plus fort au-dessus de la ride de Reykjanes.

Au cours des 5 prochaines années, nous souhaitons étudier les processus physiques conduisant à la
dissipation d'énergie et au mélange (interactions océan-atmosphère, interactions courants-topographie,
fronts, tourbillons …), quantifier l‟hétérogénéité spatiale et temporelle du mélange (qui nécessite de
nouvelles approches expérimentales) et déterminer son impact sur la circulation et le mélange des masses
d‟eau et évaluer sa représentation dans les modèles en testant différentes paramétrisations existantes ou en
développant/améliorant de nouvelles paramétrisations.

Pour cela, nous mènerons des études de processus à partir d'observations basées sur la micro- et la
finestructure océanique (du cm à la dizaine de mètres). Le LPO maîtrise déjà l‟acquisition de telles mesures
à partir d‟instruments de microstructure (VMP) qui sont déployés depuis un navire et qui fournissent des
profils instantanés. Mais de nouvelles approches expérimentales sont nécessaires pour avoir accès à la
variabilité temporelle sur des périodes plus longues des termes de mélange diapycnal et de dissipation
d‟énergie et quantifier notamment l'injection d'énergie, sa dissipation et sa propagation en profondeur lors
d‟évènements forts tel que les tempêtes. Depuis peu, des solutions apparaissent permettant de quantifier la
dissipation/mélange dans le temps : mesures de microstructure sur glider, sur mouillage profilant, sur Provor.
Un des enjeux pour les 5 prochaines années est d'acquérir et de maîtriser ces nouvelles techniques pour
répondre à nos objectifs.
Ces processus seront étudiés dans un premier temps en Atlantique Nord (projet RREX) et en Méditerranée
occidentale. La variété des processus générateurs de turbulence (forçage atmosphérique, marée, ondes
internes, interactions courant-topographie, tourbillons...) peut permettre de trouver de nombreux sites
d‟intérêt et de justifier un investissement en moyens de mesures qui pourront être largement exploités.

Ventilation des océans et évolution de la stratification
O. Aumont, B. Blanke, G. Maze, H. Mercier, V. Thierry, A. Piron, C. Feucher

Les observations montrent une tendance climatique au réchauffement des couches de surface et des couches
profondes de l'océan et les projections climatiques montrent que ces tendances se renforceront à l‟avenir
sous l‟effet de la constante augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 d‟origine anthropique.
Le cycle global du carbone s‟en trouvera profondément altéré (à cause des changements induits dans les flux
air-mer, la solubilité, le mélange vertical) et avec lui le climat terrestre. Ces évolutions climatiques, passées
et à venir, de la structure de l'océan traduisent une évolution de la stratification océanique et du processus de
ventilation des masses d‟eau. En effet, les signaux climatiques pénètrent dans l'océan à la faveur du
processus de ventilation des masses d‟eau. La ventilation est l‟ensemble des mécanismes par lesquels
l‟information d‟une interaction avec l'atmosphère est intégrée dans l'océan. Elle résulte d‟un équilibre entre
subduction d‟une masse d‟eau après formation dans la couche de mélange, circulation, mélange et ré-
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émergence. La variabilité du climat est en grande partie contrôlée par les échelles de temps liées à ce cycle.
La dynamique grande échelle de l'océan fait que les signaux climatiques pénètrent lentement l'océan profond
par les hautes latitudes et ne peuvent en re-émerger qu'après un laps de temps relativement long (>>20 ans).
Par contre, les signaux climatiques pénètrent, circulent et re-émergent plus rapidement aux basses et
moyennes latitudes (1-20 ans). Dans la gyre subtropicale, une zone de forte stratification appelée
thermocline principale, délimite les masses d‟eau de surface ventilées rapidement et localement et les masses
d‟eau profondes ventilées lentement et aux hautes latitudes. Elle pourrait donc participer au contrôle de la re-
émergence des signaux climatiques profonds vers la surface. Il est donc nécessaire de mieux documenter et
de comprendre les processus fondamentaux qui contrôlent la variabilité de ces éléments. Notre objectif pour
les cinq années à venir est de mieux comprendre les mécanismes de formation de la couche de mélange par
laquelle les signaux climatiques pénètrent l‟océan intérieur, proposer de nouveaux diagnostics pour le suivi
de la ventilation et de la stratification interne (thermocline) et la compréhension des transformations des
masses d'eau participant à la ventilation de l'océan intérieur et la compréhension des équilibres dynamiques
sous-jacent

Pour mener à bien ces études, nous nous appuierons sur les bases de données existantes et tout
particulièrement sur l‟incroyable jeu de données du réseau Argo. Il conviendra néanmoins de faire évoluer
les systèmes d‟observation vers la surveillance de l‟océan profond et vers une mesure systématique de
l‟oxygène afin de mieux suivre les chemins de ventilation. Ces processus seront étudiés dans un premier
temps en Atlantique Nord dans le cadre des projets NAOS (Equipex), E-AIMS (FP7) et AtlantOS (H2020).
A plus long-terme, l‟étude de la compréhension des équilibres dynamiques contrôlant la thermocline
principale concernera les gyres subtropicales de l‟océan global.

Les simulations numériques de l'océan global permettent une description honorable de l'organisation spatio-
temporelle des traceurs physiques (température et salinité) ou géochimiques (carbone) caractérisant les
masses d'eau. La description que l'on peut tirer de leur capture ou de leur restitution par l'océan intérieur
fournit ainsi des indications précieuses sur le rôle de l'océan dans la stabilité et l'évolution de la circulation
océanique aux échelles saisonnières, interannuelles et décennales. Le mélange turbulent et les courants
océaniques jouent par ailleurs un rôle essentiel sur le devenir, par advection et diffusion, de ces traceurs. La
quantification des deux processus, précieuse pour la compréhension fine du cycle de nombreux composés
biogéochimiques, reste imprécise parce qu'il est compliqué de déconvoluer leurs effets respectifs dans un
cadre simplement eulérien. En association étroite avec Keith Rodgers (GFDL, Princeton), Olivier Aumont
(LPO et LOCEAN) et Daniele Iudicone (SZN, Naples), nous proposons d'unir une description eulérienne et
une description lagrangienne de ces traceurs. Le diagnostic des termes de tendance d'un traceur océanique (et
plus particulièrement les effets respectifs du mélange vertical et du mélange horizontal) le long de
trajectoires effectivement suivies par des masses d'eau définit un cadre d'étude prometteur pour l'analyse de
la circulation méridionale de renversement associée aux cellules subtropicales. Les constantes de temps
advectives associées à ces cellules sont en effet compatibles avec la description explicite de la circulation par
des flotteurs numériques, pour des simulations numériques plutôt bien ajustées au forçage de surface.

II.3.d Couplage physique-biogéochimie

B. Blanke, B. Chapron, F. Girard-Ardhuin, P. Lherminier, H. Mercier, Y. Quilfen , N. Reul

Dans les cinq prochaines années, nous poursuivrons les collaborations avec des biogéochimistes (F. Perez,
IIM Vigo, LEMAR, etc..) afin d‟étudier l‟impact de la dynamique océanique sur le cycle du carbone et des

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éléments traces (paléoclimats) (campagnes OVIDE, projets GEOVIDE, BOCATS) et de progresser dans
notre compréhension du stockage du carbone anthropique dans l‟Atlantique Nord.
Nous continuerons également notre collaboration avec Keith Rodgers (GFDL, Princeton), Olivier Aumont
(LPO et LOCEAN) et Daniele Iudicone (SZN, Naples) pour étudier le rôle du mélange turbulent et des
courants sur le devenir, par advection et diffusion, des traceurs physiques et biogéochimiques (carbone). La
quantification de ces deux processus est en effet précieuse pour la compréhension fine du cycle de nombreux
composés biogéochimiques.
L‟acidification des océans (projet Agence Spatiale Européenne Pathfinders Ocean Acidification) est une
préoccupation majeure actuelle puisqu‟elle menace directement la biodiversité marine. Le retrait de la
banquise en Arctique ces dernières années tend à accélérer les échanges air-mer et notamment les échanges
de CO2 (projet Agence Spatiale Européenne OceanFlux Greenhouse Gases), ce qui rend ce bassin
particulièrement vulnérable. Il y a réel enjeu à la quantification de l‟acidification des océans qui regroupe à
la fois les composantes physique et chimie, impliquant également la biologie. C'est un exemple d'étude
pertinente et interdisciplinaire difficile mais rendue sans doute possible par les progrès accomplis jusqu‟ici
dans les mesures aussi bien que dans la modélisation du milieu marin. Des projets récents ou en cours
montrent la faisabilité d'estimations plus fines de ces paramètres en utilisant conjointement des mesures
(satellites, in situ) et les sorties de modèles (projets Pathfinders Ocean Acidification et OceanFlux
Greenhouse Gases), ces résultats doivent servir la communauté recherche et donnent un aperçu des
nombreuses possibilités de combinaisons de données multi-capteurs mais également satellites-in situ-
modèles.

II.4 Forces/faiblesses – opportunités/risques

Une force du site Brestois est son expertise sur la donnée in situ et satellitale utilisée pour ses analyses
scientifiques. Il contribue significativement au développement, pérennisation et gestion de certains systèmes
d'observation systématiques (Argo, SST, SSS, bouées fixes de type PIRATA, banquise, vent, icebergs, flux,
...) et il maîtrise l‟acquisition de données in situ (T, S, O2, courant, dissipation) lors de campagnes
océanographiques qui requiert une très grande technicité pour fournir des données dont la qualité satisfait
aux standards internationaux. Cette capacité à mener des campagnes d‟observation dans différents domaines
simultanément est une des forces majeures du site Brestois. Elle repose sur plusieurs groupes techniques
présents sur le site Brestois (DT INSU, US IMAGO de l‟IRD, groupe techniqe TOIS du LPO) dont les
compétences en mesures à la mer doivent être maintenues et consolidées et sur des équipes scientifiques
capables de proposer et de mener de nouvelles expériences en mer.

Une autre expertise originale et reconnue est l‟interprétation de mesures de télédétection spatiale, en
particulier dans le domaine micro-onde au LOS, et en optique au CMS-Lannion. Cette capacité est
déterminante pour affiner la précision et la continuité des séries entre différents capteurs, qui sont utiles pour
répondre à des questions liées à la détection du changement global (indicateurs de qualité) aussi bien qu'à la
connaissance des mécanismes et impacts (circulation océanique, échanges air-mer, étude de processus,
etc…). Toutefois, la production des données spatiales a d‟abord été tirée par les besoins du temps réel, et
c‟est encore largement le cas. Cette production, tout comme le retraitement systématique (comme c‟est le cas
actuellement avec les missions ERS) demande une organisation dédiée et d‟importants moyens de stockage
et traitements. Le positionnement de cette organisation et de ces moyens est un enjeu important. Intégrés aux
laboratoires de recherche, ces moyens peuvent contribuer à transformer un idée en démonstration qui peut
être un nouveau produit (par exemple la glace de mer issue des diffusiomètres ou bien les vents forts dérivés
de la mission SMOS). S‟ils sont trop éloignés, il y a un risque d‟obsolescence, comme c‟est le cas
actuellement de la partie “CPDC” du Centre Aval de Traitement des Données SMOS, dont il semble qu‟il
n‟y ait aucun utilisateur.

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L‟expertise unique du site Brestois sur ces différents jeux de données lui donne l‟opportunité unique de
développer et pérenniser des jeux de données combinant des mesures in situ et satellite et de constituer des
séries temporelles homogènes incluant des données d‟origine diverses (eg Argo + ARVOR-C + PIRATA +
Recopesca + CERSAT). Cela permettrait en outre de créer une synergie hauturier–côtier en instrumentation
(profileurs, transmission temps réel) qui fait actuellement défaut. Une des difficultés concerne l‟accès à ces
données qui n‟est pas centralisé. Le temps dédié à la récupération des données se fait au détriment des
analyses scientifiques. La création du pôle de données océan est un opportunité à saisir pour augmenter la
visibilité et l‟accès aux données, via un ou plusieurs centres d‟expertises (voir propositions au chapitre VI).
Par ailleurs, les bases de données marines, alimentées par les mesures satellites et instruments autonomes
comme les flotteurs du réseau Argo, sont de plus en plus grandes (plusieurs dizaines de gigaoctets et
teraoctets) et changent d‟heure en heure. Cette augmentation spectaculaire de la dimension et de la
complexité des données engendre un risque de difficulté d'exploitation avec les outils standards. Or l‟analyse
de ces très grandes bases de données offre l'opportunité de réaliser de nouvelles découvertes scientifiques sur
la dynamique des océans à grande et petite échelles, et de détecter/attribuer les changements climatiques
régionaux et globaux. Nous avons initié une stratégie innovante basée sur l'usage des méthodes
"d'intelligence artificielle" ou de "fouille de données" issues des technologies de l'information et de la
télécommunication (TIC) et qui sont adaptées au problème. Dans les années à venir, nous continuerons donc
d'oeuvrer pour lever ces verrous et améliorer notre compréhension du système couplé océan-atmosphère en
collaborant avec les chercheurs d'autres disciplines (mathématiques, informatiques) et en développant de
nouvelles méthodes statistiques d'analyse adaptées aux très grandes bases de données in-situ et satellites.
Notre proximité avec le centre Coriolis et le CERSAT constituera un atout majeur dans cette perspective.
Le risque principal dans l‟observation de la variabilité climatique concerne l‟arrêt des séries temporelles
existantes et surtout des produits à forte valeur ajoutée scientifique qui en sont issus (analyses ISAS, Atlas
ANDRO sur les trajectoires, base de données flux au CERSAT) par manque de moyens dont les moyens
humains (départ en retraite et changement d‟activité des personnels portants ces projets). Ce risque doit être
mis en regard de l‟opportunité de développer de nouveaux produits ou des séries temporelles longues pour
de nouvelles variables dans le domaine (oxygène, toutes variables dans l‟océan profond, couche de mélange,
dissipation) dont on maîtrise la technique d‟acquisition, pour lesquelles nous avons une reconnaissance
internationale et qui sont fondamentales pour nos études.

Un des enjeux pour les équipes de recherche impliquées dans ces activités est de trouver le point d‟équilibre
entre les efforts consentis pour générer des jeux de données et produits pour toute la communauté
scientifique, et leur exploitation. Il s‟agit aussi de garder la motivation des personnels impliqués dans la
durée. Ces deux aspects sont communs à toutes les activités de service et sera développé au paragraphe VI
(propositions).

En terme de modélisation numérique, une des forces du site Brestois réside dans son implication dans le
GDRI Drakkar ce qui lui permet de contribuer au développement des simulations communautaires globales
et de participer aux choix stratégiques associés. Un des objectifs est de réaliser et/ou de contribuer à des
simulations numériques longues (global 1/12°; régional 1/36°) remis à jour tous les 2 ans, ce qui soulève un
problème lié à la continuité et à l‟homogénéité des forçages. Le travail nécessaire sur les forçages sera donc
l‟opportunité de renforcer encore en peu plus les collaborations entre le LOS et le LPO. Par ailleurs, le
développement de configurations haute résolution communautaires de nouvelle génération (1/36° degré)
bénéficiera au projet RREX et sera aussi une opportunité pour d'autres projets scientifiques du site brestois,
en cours ou en gestation, de se fédérer autour de ces configurations “haute résolution”. Dans le domaine de
la modélisation réaliste une autre opportunité du site Brestois est de s‟orienter vers la modélisation couplée
(validation des modèles d‟océan utilisés pour les scénarios du GIEC) ou en "couplé guidé", une nouvelle
méthode de forçage de l'océan par l'atmosphère qui permettrait de représenter les flux air-mer de manière
plus réaliste qu'actuellement. Ce volet s'inscrirait dans un contexte national en contribuant à la mise au point
de la composante océanique commune aux deux modèles couplés de l'IPSL et du CNRM-Cerfacs dans le

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