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Variabilité basse fréquence spontanée de l’Océan Global

par PENDUFF Thierry - 1er mai 2015 - ( maj : 5 mai 2015 )

Variabilité basse fréquence spontanée de l’Océan Global.

Les tourbillons peuplent la totalité des océans et contribuent pour une grande part à son énergie cinétique. Ces tourbillons émergent de l’instabilité des grands courants et s’organisent en structures dites de "mésoéchelle", de quelques dizaines à centaines de kilomètres de diamètre, et des échelles temporelles de quelques semaines à quelques mois. Les océanographes connaissent depuis des décennies le caractère chaotique de la mésoéchelle : comme pour leurs équivalents atmosphériques, la dynamique de ces cyclones et anticyclones océaniques est turbulente, et leur évolution est difficile à prévoir sur le long terme. Des recherches en cours notamment au LGGE montrent que la variabilité de la circulation générale océanique à basse fréquence (de l’année à plusieurs décennies) possède, elle aussi, un caractère partiellement chaotique, sur des échelles de milliers de kilomètres.

Variabilité intrinsèque

Un modèle numérique de l’océan global et de la banquise a permis en 2008 aux océanographes grenoblois de simuler en 3 dimensions, à haute résolution (maillage horizontal de ¼°, soit 10 à 25 kilomètres), l’évolution de la circulation générale et de la mésoéchelle pendant 327 ans à l’échelle du globe. Cet océan virtuel était forcé de manière "climatologique" : il était exposé chaque année à exactement le même cycle annuel atmosphérique moyen (flux solaire, vents, température et humidité de l’air). Malgré l’absence de toute fluctuation atmosphérique plus lente que l’année, ce modèle a produit de lui-même une forte variabilité des courants et des masses d’eau, sur des échelles de temps atteignant plusieurs décennies. Si ce phénomène avait été simulé et étudié dans des modèles d’océan très simplifiés, il s’agissait de la prémière étude de la variabilité intrinsèque basse fréquence (VIBF) océanique à l’échelle du globe dans un contexte réaliste (Penduff et al, 2011).

Pourcentage de variance interannuelle dû aux processus intrinsèques. {JPEG}

La Figure 1 synthétise quelques résultats issus des études qui ont suivi (Sérazin et al, 2014 ; Grégorio et al, 2015) dans le cadre du projet CHAOCEAN. Ces graphiques indiquent pour 4 variables le pourcentage de variance basse fréquence océanique dûe à la VIBF : lorsque la mésoéchelle est résolue par le modèle (résolution de ¼° et 1/12°), ce pourcentage en surface peut localement atteindre 80-100% (50-80% aux grandes échelles spatiales) autour de l’Antarctique et aux moyennes latitudes. Cette proportion reste importante (jusqu’à 50% à 30°S) en ce qui concerne l’intensité de la circulation thermohaline (MOC) et le transport de chaleur associé. Dans ces régions, la principale source devariabilité basse fréquence de l’océan n’est donc pas celle de l’atmosphère, mais les processus océaniques non-linéaires eux-mêmes. Ces processus sont actuellement à l’étude au LGGE dans le cadre du projet "CHAOCEAN" soutenu par le CNES et la NASA, en collaboration avec plusieurs laboratoires en France et à l’étranger (exemple : Arbic et al, 2014).

Les possibles implications "climatiques" de ces résultats sont discutées dans Penduff et al (2012), et reposent sur deux principaux arguments. D’une part, la VIBF est quasiment inexistante lorsque la mésoéchelle n’est pas résolue, en particulier à la résolution de 2° (voir la ligne rouge correspondant à l’"AMOC" sur la figure 1) ; ce sont ces modèles d’océan sans tourbillons, donc dénués de VIBF, qui sont le plus souvent couplés à l’atmosphère et utilisés aujourd’hui pour les projections climatiques. D’autre part, la forte VIBF émergeant en présence de mésoéchelle possède un caractère irrégulier et intermittent quand l’atmosphère est prescrite, comme dans les études citées ci-dessus ; ce "bruit" océanique basse fréquence chaotique s’imprime sur la température de surface (figure 1), et pourrait donc influencer l’atmophère et le climat dans les futures simulations couplées (qui utiliseront des océans à ¼° de résolution). Cet impact éventuel reste à évaluer, mais la VIBF océanique pourrait accroître la complexité et la richesse des futures projections climatiques.

Simulations ensemblistes

Ces résultats soulèvent des questions sur le plan océanographique : la production par l’océan turbulent d’une VIBF de nature chaotique rend-elle la variabilité océanique basse fréquence moins déterministe que ce que l’on suppose ? De petites perturbations ou incertitudes dans les conditions initiales sont-elles susceptibles de croître, d’évoluer et de s’organiser au cours d’années ou décennies ? Quelle est la véritable contrainte exercée par l’atmosphère sur la variabilité océanique mesurée par les satellites et les instruments in-situ ?

Pour aborder ces questions et anticiper l’analyse des futures simulations couplées, les océanographes du LGGE et les climatologues du CERFACS préparent actuellement une simulation océanique ensembliste, inédite au plan mondial. Mi-2015 seront lancées en parallèle 50 simulations au ¼° de l’océan global sur la période 1958-2014, après une légère perturbation de leurs états initiaux. Les objectifs principaux de ce projet ANR (OCCIPUT), soutenu par une allocation PRACE de 16 millions d’heures de calcul sur le supercalculateur CURIE, est d’examiner en détail la structure et l’évolution de la moyenne d’ensemble (déterministe) et de la dispersion d’ensemble (chaotique) de variables-clé, et d’identifier les variables et régions où la VIBF domine celle forcée par l’atmosphère.

variabilités forcée et intrinsèque interannuelle de température de surface (SST) {JPEG}

Un prototype de cette expérience globale, constitué de 10 membres initialement perturbés puis intégrés entre 1993 et 2000 sur l’Atlantique Nord, a fourni de premiers résultats originaux. La Figure 2 représente, pour la température de surface (SST), l’intensité de la variabilité forcée par l’atmosphère entre 1993 et 2000 (à gauche), de la variabilité intrinsèque en 2000 (au milieu), et le rapport de ces deux champs (à droite, en décibels). Les zones jaunes et rouges de cette troisième image indiquent que dans l’extension du Gulf Stream, aux abords de Terre-Neuve et de la Norvège, la variabilité interannuelle de SST est dûe aux fluctuations intrinsèques à l’océan plus qu’à la variabilité de l’atmosphère. Les analyses en cours indiquent que ces contributions varient selon la variable et la profondeur, fluctuent temporellement. La simulation ensembliste de 50 membres permettra de quantifier plus précisément la contribution de ce phénomène chaotique sur l’océan global, jusqu’aux échelles décennales.

Références

Arbic, B.K., M. Müller, J.G. Richman, J.F. Shriver, A.J. Morten, R.B. Scott, G. Sérazin, and T. Penduff, 2014 : Geostrophic turbulence in the frequency-wavenumber domain : Eddy-driven low-frequency variability. J. Phys. Oceanogr., 44, 2050–2069. doi:10.1175/JPO-D-13-054.1.

Grégorio, S., T. Penduff, G. Sérazin, J. Le Sommer, J.-M. Molines, and B. Barnier, 2015 : Intrinsic variability of the Atlantic Meridional Overturning Circulationat interannual-to-multidecadal timescales. J. Phys. Oceanogr., in revision.

Penduff, T., M. Juza, B. Barnier, J. Zika, W.K.Dewar, A.-M. Treguier, J.-M. Molines, and N. Audiffren, 2011 : Sea-level expression of intrinsic and forced ocean variabilities at interannual time scales. J. Climate, 24, 5652–5670. doi : 10.1175/JCLI-D-11-00077.1.

Penduff, T., 2012 : L’océan : générateur de “chaos” climatique ? La Météorologie (Société Météorologique de France), 79, November 2012, pp 19-24. Lire

Sérazin, G., T. Penduff, L. Terray, S. Grégorio, B. Barnier, and Jean-Marc Molines : Spatial scales of the low-frequency intrinsic sea-level variability : a global model study, 2014. J. Climate, http://dx.doi.org/10.1175/JCLI-D-14...

Voir en ligne : Numéro spécial de Clivar Exchanges : modélisation océanique à haute résolution (page 26)