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Prévoir l'océan qu'il fera : l'océanographie opérationnelle

Pierre BAHUREL (89), Directeur du Groupement d'Intérêt Public MERCATOR OCEAN

A tout instant, et dans tous les recoins de notre planète bleue, être capable de décrire l'état de l'océan, composante incontournable de notre environnement. En routine, en temps réel et à l'échelle globale, au large ou près de nos côtes, en surface comme en profondeur : décrire, expliquer et prévoir. Avoir sans cesse un océan d'avance.

C'est bien simple, on dit que c'est l'un des projets les plus fous du 21e siècle ! C'est-à-dire l'une des principales "initiatives concrètes, porteuses d'espoirs, ambitieuses, qui reflètent une volonté de mieux comprendre le monde, d'agir dans le sens du progrès et ... soulèvent leur lot d'interrogations" (Science & Vie, Numéro 1000, Janvier 2001, numéro spécial "21 projets fous pour le 21e siècle" ).

Effectivement le chantier est immense : 70% de la surface de la planète, 1.4 milliard de km3 d'eau, une énergie transportée qui se compte en million de milliards de watts et des variations significatives à toutes les échelles de temps et d'espace. Alors océanographie opérationnelle, projet fou ? Certainement oui, si l'on adopte cette excellente définition ! Mais irréaliste non : les faits sont là qui jalonnent sans relâche depuis dix ans un profond renouvellement de la discipline. Hier immensité immobile et impénétrable, l'océan se cartographie aujourd'hui tel qu'en lui même, fluide, mobile, turbulent et profond : à travers leurs bulletins océaniques, les océanographes "fous" de Mercator nous imposent depuis plus d'un an cette nouvelle réalité, la prévision océanique.

Le premier bulletin de prévision océanique


Toulouse, mercredi 17 janvier 2001, matin. Les océanographes de l'équipe Mercator émettent leur premier bulletin de prévision océanique ; ils décrivent avec 15 jours d'avance l'état de l'Atlantique Nord et Tropical dans toutes ses dimensions : courants, température et salinité, en surface comme en profondeur. Il cartographient la position et l'intensité des grands courants transatlantiques comme le Gulf Stream, celles des anticyclones et dépressions océaniques qui en perturbent le cours, mesurent au nord la plongée dans les abysses des eaux de surface froides et salées, ou dans les tropiques le chassé-croisé des courants et contre-courants équatoriaux. Un océan d'hiver dans tous ses états comme on ne l'avait jamais vu...

Paris, même jour, après-midi. Les directeurs des six principaux organismes chargés en France de l'océanographie - le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES), l'Institut National des Sciences de l'Univers (CNRS/INSU), l'Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer (IFREMER), l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Météo-France et le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) - saluent ce premier bulletin, le leur, qui concrétise cinq ans d'une volonté partagée de donner à l'océanographie opérationnelle l'impulsion qu'elle mérite : un premier bulletin qui ouvre à cette nouvelle composante de l'océanographie, équipes françaises en pointe, une perspective impressionnante.

Inventer un nouvel océan


L'équipe Mercator imaginait en effet ce jour-là tout à la fois un nouveau métier - prévisionniste océanographe, un nouveau service et son produit phare - le bulletin de prévision océanique. Depuis, elle enrichit en continu cette activité, construisant au fil des semaines une réelle complicité avec l'océan, s'inquiétant de son état de santé, de ses sautes de température saisonnières ou d'une forte turbulence annoncée. On pouvait par exemple dans le bulletin du 6 mars 2002 s'intéresser au champ de température de surface prévu en Atlantique le 23 mars [Fig. 1], et décrire simultanément la salinité à 1000 m [Fig. 2] où l'on voit si bien l'extension de l'eau salée méditerranéenne jusqu'en Floride ; ou encore il y a un an (bulletin du 28 mars 2001) prévoir, suivre et voir confirmer ensuite par les observations la formation d'un puissant tourbillon anticyclonique le long des côtes brésiliennes [Fig. 3a, 3b et 3c].

 

Figure 1 : Champ de Température en surface. Atlantique Nord.
Bulletin Mercator du 6 mars 2002. Situation prévue pour le 20 mars 2002

 

Figure 2 : Champ de Salinité à 1000 m de profondeur. Atlantique Nord
Bulletin Mercator du 6 mars 2002. Situation prévue pour le 20 mars 2002



Analyse du 28 mars 2001 (après assimilation des observations).



Prévision pour le 11 avril 2001 (élaborée le 28 mars).

 

Analyse du 11 avril 2001 (élaborée le 11 avril). Confirme la prévision 3b.

Figure 3 : Champ de Courants en surface au large du Brésil. Bulletins Mercator


Un nouvel El Niño se lève dans le Pacifique, l'année 2002 sera-t-elle une année particulière ? Gardons par exemple un oeil cent mètres sous la surface de l'équateur [Fig. 4a, 4b, 4c] où la situation de février 2002 se révèle pour l'instant assez proche de celle de février 2001 qui précédait une forte intensification en avril du contre-courant salé que l'on voit s'écraser contre les côtes africaines dans la prévision du 11 avril...



Analyse du 13 février 2002



Analyse du 14 février 2001



 


Analyse du 11 avril 2001
Champ de Salinité à 100 m de profondeur. Atlantique Equatorial. Bulletins Mercator


Affaire à suivre. Un bulletin, c'est chaque semaine 800 nouvelles cartes élaborées et validées par les prévisionnistes MERCATOR et diffusées immédiatement sur www.mercator.com.fr. Hier, l'océan tenait dans un livre ? Aujourd'hui l'océanographe spécialiste ou amateur, le promeneur curieux ou l'usager intéressé peut le parcourir à l'infini dans l'espace et dans le temps. Passé récent, présent ou au futur proche : nul ne peut plus ignorer l'état de l'océan. Aujourd'hui c'est l'Atlantique qu'on surveille ainsi, demain l'Océan global. Ainsi prend définitivement corps cette idée d'océanographie opérationnelle.

Un océan d'applications


Des analyses et prévisions tridimensionnelles systématiques de l'océan se révèlent rapidement indispensables : l'information sans précédent à laquelle elles donnent accès nourrit directement une meilleure recherche en océanographie, enrichit la qualité des services publics civils et militaires liés à l'océan et rend possible le développement d'un secteur commercial à forte valeur ajoutée. On comprend en effet tout l'intérêt que peuvent tirer de prévisions océaniques fiables des services dédiés à l'exploitation et la gestion raisonnée des ressources océaniques, l'aquaculture, la surveillance des flottes de pêche et de marine marchande, la sécurité des biens et des personnes en mer, la lutte contre les pollutions et la protection de l'environnement, la gestion des accès aux ports, le suivi et la gestion des milieux côtiers et littoraux, l'extraction minière et pétrolière, la discrétion sous-marine pour la défense, ou encore le tourisme.

Prévoir l'océan pour tout cela, et contribuer aussi à l'initialisation des modèles couplés océan/atmosphère exigés pour prévoir le temps à l'échelle de la saison, et le climat sur plusieurs années. On touche alors à l'enjeu politique et sociétal évident du réchauffement climatique, économique encore dans des secteurs d'activité tels que la production agricole, la planification énergétique, les transports, ou touchant encore plus directement à la sécurité et au bien-être des populations comme par exemple dans la prévention des anomalies climatiques comme El Niño et aux catastrophes qui y sont liées.

Pour un océan durable !


L'océan se trouve de fait au cOEur des grandes questions posées aujourd'hui par la protection de notre environnement. Qu'elles soient ostensibles comme dans le cas de l'Erika (12.000 tonnes d'hydrocarbures déversées le long de nos côtes) ou plus insidieuses comme l'absorbtion par l'océan de pollutions transportées par l'atmosphère, nous savons que l'océan ne subit pas impunément les agressions dont il est victime. Comment cet "océan poubelle" réagit-il à ces déséquilibres ? sous quelle forme et sous quel délai transmet-il cette pollution à ses écosystèmes ou à ses milieux frontières : les milieux côtiers et littoraux, la banquise, l'atmosphère ?

Les questions sont posées que la recherche s'emploie à résoudre. L'océanographie opérationnelle construit un observatoire permanent de l'océan, élément décisif pour lever ces incertitudes, mesurer, comprendre et prévoir. C'est certainement pour cette raison de fond - parce qu'elle traduit une démarche volontariste et concrète pour la mesure d'un océan durable - que l'océanographie opérationnelle s'impose si naturellement comme indispensable.

Les trois outils d'une bonne prévision


La possibilité d'une océanographie opérationnelle (dans le sens moderne qui lui est donné ici) repose sur l'existence simultanée de trois composantes d'un système d'observation des océans : l'observation in situ, l'observation par satellite et la modélisation [Fig.5].

 

Figure 5 : Le système intégré d'observation, modélisation et prévision de l'océan

La première extrait une à une de précieuses observations de l'océan vertical, mesurées localement par des engins autonomes ou à partir de navires océanographiques ; la deuxième survole l'océan horizontal et nous renseigne sur l'état de la surface de la mer observé par les satellites en orbite autour de la planète ; la troisième enfin intègre les résultats des deux précédentes pour décrire l'océan dans ses quatre dimensions : s'aidant des lois des fluides géophysiques, des observations les plus récentes et de sa mémoire de l'état passé de l'océan, le modèle reconstruit la continuité naturelle du milieu dans tout son volume et dans le temps, règle les rapports entre différentes variables et en prévoit les évolutions. Décrire correctement l'océan exige définitivement de combiner ces trois approches pour construire une vision complète unique, cohérente et globale.

Neuf ans qui changent tout


En 1992, la première carte de l'océan produite par le satellite franco-américain Topex/Poseidon fit l'effet d'un coup de tonnerre dans la discipline : en 10 jours, elle retraçait la carte de circulation générale des océans qui se compare remarquablement bien à celle obtenue par la compilation patiente d'un siècle de mesures in situ ! C'est ici que tout a basculé. Avec Topex/Poseidon, l'océanographie disposait soudainement de façon continue d'observations de l'océan d'une quantité et d'une qualité jamais atteintes, et voyait levé un de ces verrous les plus importants. Le système complet pouvait se mettre en place : l'assimilation de ces données dans les modèles numériques leur donnait le réalisme qui leur manquait, et cette observation systématique de l'océan de surface redonnait toute sa dimension à l'observation in situ de l'océan profond.

Neuf ans seulement séparent le lancement du satellite Topex/Poseidon, catalyseur du renouvellement, du premier bulletin Mercator qui borne l'entrée définitive dans une océanographie opérationnelle. L'ampleur et la rapidité du changement impressionnent : l'océanographe a fondamentalement renouvelé sa façon d'aborder, observer et comprendre l'océan. L'approche combinée satellite / in situ / modèle permet aujourd'hui de cartographier l'océan dans son volume et en mouvement permanent.

On peut aussi mesurer cette révolution à l'aune des défis relevés depuis 1992 : positionner par exemple au centimètre près un satellite de 2,5 tonnes volant à 7 km/s à plus de 1.300 km d'altitude ; réduire de 2 ans à 2 jours le temps de validation et diffusion des milliers d'observations in situ faites chaque semaine tout autour du globe par plusieurs centaines d'océanographes différents ; appliquer à l'océan complet des précisions de modélisation réservées jusqu'alors à des tentatives régionales ; maîtriser et manipuler pour cela des configurations 10 à 100 fois supérieures à celles employées auparavant ; construire une stratégie et un projet communs entre tous, chercheurs et industriels, organismes publics et privés - l'océanographie opérationnelle - et réunir enfin six organismes de métiers différents pour en inventer un septième.

Un océan numérique à conquérir


Après neuf ans de révolution permanente, l'océanographie ne baisse pas l'allure : il reste tout un océan numérique à conquérir. Le système exploité en continu par Mercator depuis le 17 janvier 2001 décrit l'Atlantique Nord et Tropical de 70°N à 20°S avec une résolution horizontale du 1/3° (soit environ 30 km) et 43 niveaux sur la verticale. Comme on l'a vu, cette première version du système donne déjà un bon aperçu de l'état de l'océan. Mais ce n'est qu'une première étape.

Il faut d'une part affiner la maille du modèle pour décrire correctement la turbulence océanique, et bien sûr étendre sa couverture géographique à l'ensemble du globe. L'équipe Mercator prépare en 2002 la mise en oeuvre de deux nouveaux modèles : le premier pour décrire l'Atlantique Nord et la Méditerranée à très haute résolution (1/15°, soit 5 à 7 km), et le second pour décrire l'océan global à basse résolution (2°, soit 200 km), qui sera ensuite affiné au 1/4° (25 km) en 2003. Les dimensions numériques du système Mercator [Fig.6] seront alors 30 fois supérieures à celles du système de prévision actuel.

 

Figure 6: Mercator 2003 ; analyse et prévision de l'océan global

Et dans l'intervalle, outre les différents modèles, de nouvelles données et des méthodes avancées d'assimilation de données auront été intégrées à la chaîne. Mercator avance ainsi pas à pas, mais chaque pas compte. Ce premier semestre 2002 a une actualité forte avec la mise en route du nouveau modèle Atlantique / Méditerranée. Sa résolution de 5 km va permettre d'accéder en routine à une représentation des mers européennes d'un réalisme jamais atteint [Fig.7] !

 

Figure 7: Mercator 2002 en Atlantique Nord et Méditerranée.

La très haute résolution (1/15°) permet de mettre en évidence des structures océaniques de petite échelle qui prennent la forme de filaments.

Au prix d'un défi technologique et scientifique majeur, cette évolution du système va fournir une information sans précédent aux applications océaniques dans cette région du globe ; elle donnera en particulier tout son sens à l'interface avec les milieux maritimes et littoraux, comme ceux du Golfe de Gascogne ou du Golfe du Lion.

Un Groupement d'Intérêt Public


Le projet Mercator est un pari collectif pris en 1995 par les six organismes français impliqués dans l'étude de l'océan et du climat - le CNES, le CNRS, l'IFREMER, l'IRD, Météo-France et le SHOM - et deux de leurs filiales - CERFACS et CLS. Décider de se doter d'une capacité opérationnelle en océanographie relevait alors d'une réelle ambition (c'est encore vrai aujourd'hui !) : ils se sont donnés alors un délai de 5 à 7 ans pour réussir, ont baptisé ce projet "Mercator" du nom du cartographe flamand qui révolutionna au 16e siècle la cartographie, et lui ont assigné une mission du même cachet : mettre en place une cartographie de l'océan en mouvement.

Le partenariat a fonctionné et l'équipe projet Mercator compte aujourd'hui plus d'une trentaine d'ingénieurs, techniciens et chercheurs rassemblés sur Toulouse. C'est elle qui aujourd'hui élabore chaque semaine les bulletins de prévision océanique, en assure une validation scientifique complète en temps réel et en temps différé, développe les versions suivantes du système de prévision, et mène la R&D nécessaire à l'intégration de nouveaux algorithmes scientifiques dans la chaîne. Cette équipe a pris sa place dans le paysage océanographique français et international, et cette méthode - pragmatisme et jeu collectif des différents acteurs - nous est enviée à juste titre chez nos partenaires étrangers. L'histoire ne s'arrête pas en si bon chemin : les six organismes tutelles de Mercator créent aujourd'hui sur cette base le Groupement d'Intérêt Public MERCATOR OCEAN pour lui confier la suite de l'aventure formalisant sans ambiguité un engagement commun pour cette océanographie opérationnelle. La finalité est claire : donner à Mercator toutes ses chances pour réussir l'étape suivante et préparer la mise en place d'un véritable Centre d'Océanographie Opérationnelle à Toulouse.

Un terrain de jeu international


L'étape suivante est forcément internationale. Elle prend la forme d'une grande expérience d'océanographie opérationnelle : GODAE (Global Ocean Data Assimilation Experiment ; 2003-2005). Expérience grandeur nature, à l'échelle d'un océan planétaire qu'il s'agit d'observer, modéliser et prévoir en routine au prix de la mise en place en un temps record du réseau de satellites et de mesures in situ nécessaires et de l'émergence à travers le monde d'une demi-douzaine de centres de prévision océaniques comme Mercator. Le rendez-vous est pris pour cette grande expérience, mélange efficace de collaboration (déployer les observations) et de compétition (réaliser le meilleur bulletin).

La phase intensive démarre dans un an. Le calendrier oblige à l'action ! La filière de satellites altimétriques vient de faire peau neuve avec le 7 décembre 2001 le lancement par le CNES et la NASA du satellite océanographique Jason-1 [Fig.8], qui prendra la suite de Topex/Poseidon (10 ans d'âge), suivi le 1er mars 2002 du satellite Envisat de l'Agence Spatiale Européenne qui succède au satellite ERS-2.

 

Figure 8: Le satellite d'océanographie Jason-1 (CNES-NASA).

L'observation In Situ a son propre défi : le déploiement de 3.000 flotteurs profilants [Fig.9] capables de parcourir l'océan en autonomie pendant plusieurs années, tout en mesurant et transmettant par satellite la température et la salinité mesurées entre 0 et 2000 m sur la verticale de l'océan.

 

Figure 9 : Le réseau d'observation ARGO (3;000 profileurs in situ).

La France a là aussi pris une initiative forte avec le projet CORIOLIS qui met en place à Brest l'un des deux centres internationaux de collecte, validation et diffusion des mesures in situ. Ces équipes, et celles des centres de prévision comme Mercator sont tendues vers l'échéance GODAE qui posera définitivement les bases d'une véritable océanographie opérationnelle.

L'Europe en guise de conclusion


Avant même que GODAE n'ait lancé le signal de cette compétition-collaboration sans précédent, l'océanographie opérationnelle s'organise au niveau européen pour développer une approche commune. A court terme, il s'agit d'imaginer une approche concertée entre le Royaume-Uni, l'Italie, la Norvège et la France qui abritent aujourd'hui les initiatives les plus avancées : tirer avantage de collaborations déjà effectives depuis de nombreuses années entre les équipes, favoriser l'intégration de nos efforts, s'inventer un métier commun pour décrire le même océan.

C'est d'une capacité européenne intégrée de prévision océanique générale du type Mercator dont on discute, et cette étape s'impose pour réussir le moyen terme, c'est-à-dire le passage d'une démonstration réussie à une véritable activité opérationnelle. Mais le consortium que l'on voit naître va bien au delà puisque se joignent déjà l'Espagne, le Portugal, la Grèce, Chypre, le Danemark, les Pays-Bas, la Finlande, l'Allemagne, multipliant d'autant les initiatives pour développer les applications directes d'une modélisation et prévision générales de l'océan.

Au delà des intérêts nationaux comme ceux de la défense civile et militaire, fleurissent ainsi dans l'espace maritime européen les projets de couplage des sorties de ces modèles avec des modèles de biologie marine pour accéder à une information sur le vivant, et avec une mosaïque de modèles côtiers et littoraux qui bientôt recouvriront le trait de côte européen. Les équipes françaises jouissent dans cette aventure d'une réputation méritée tant sur le plan scientifique que technique ; elles ont investi avec succès ces dernières années le domaine encore vierge de l'océanographie opérationnelle et prouvé avec Mercator qu'elles savaient se structurer rapidement pour cela. Leur prochaine folie : un Centre d'Océanographie Opérationnelle à Toulouse en 2006.

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