Des outils pour surveiller la surface océanique

1 - Les mesures in situ :

Considérant le rôle majeur des échanges d'énergie et de matière entre océan et atmosphère, il est essentiel de pouvoir suivre leur évolution partout en continu. Mais les mesures sur l'océan sont difficiles :

• la première difficulté est qu'il faut un support (bouée fixe ou dérivante, bateau), et que ce support ne gène pas la mesure (perturbation du courant de surface et du vent par le navire, par exemple) ;

• une seconde difficulté concerne les mesures elles mêmes : pour mesurer des flux turbulents, il est nécessaire de disposer de capteurs complexes, mesurant les fluctuations à haute cadence (jusqu'à 20 Hz environ). Le stockage informatique des données, et l'énergie nécessaire au fonctionnement des capteurs contraint fortement le type de support (navire, plateforme ou grosse bouée) ;

• il y a également des problèmes liés à ce qu'on veut mesurer : on ne peut mesurer directement le flux de chaleur latente (ou l'évaporation), faute de capteur d'humidité fonctionnant en milieu marin en présence de sel et d'embruns... Il en est de même pour la vitesse du vent, de la température, des échanges de gaz carbonique...Depuis les années 80, cette difficulté est partiellement palliée par le développement de techniques indirectes (ex. mesure du vent avec un anémomètre sonique, qui mesure le temps de transmission du son entre sources et récepteurs, sans se dégrader avec le temps). Mais souvent, on utilise en fait des capteurs météorologiques ordinaires (sans réponse rapide), avec des relations approximatives pour obtenir les flux.

Photo d'un navire océanographique. A l'avant, on voit le mât qui porte les capteurs météorologiques et de mesure de flux turbulents et radiatifs, détaillés dans la photo suivante : à gauche, l'anémomètre sonique, sur le dessus, capteur turbulent d'humidité et mesure de rayonnement, sur les bras, anémomètres et mesures « lentes » de température et humidité, et pluviomètre. © Laurence Eymard

En dépit des efforts pour améliorer les instruments de mesure, on manque de mesures fiables en toutes régions et toutes situations climatiques (même pour les variables météorologiques et de surface telles que vent, température de surface et de l'air, etc...).

© Laurence Eymard  

En conséquence, les incertitudes sur les flux de surface (qui sont des calculs statistiques sur quelques dizaines de minutes)sont fortes (environ 20 à 30% sur la mesure du flux de chaleur latente, environ 50% sur le flux de chaleur sensible, 10% sur le flux de quantité de mouvement).

De plus, ces estimations sont faites sur la base de processus de petite échelle (moins d'une dizaine de km, ou entre deux instants séparés de moins d'une heure) répondant aux lois de la turbulence, et ne peuvent être effectuées rigoureusement à des échelles plus grandes. On ne peut donc pas décrire correctement les échanges océan - atmosphère avec les mesures disponibles...alors qu'on a besoin de les mettre en équations pour simuler le couplage océan-atmosphère sur l'ensemble du globe !

2 - L'observation satellitale :

Considérant la densité trop faible d'observations locales sur les océans, on essaie depuis les années 80 d'exploiter les observations par satellite. Mais les méthodes sont encore plus indirectes, puisque les capteurs mesurent en fait soit le rayonnement au sommet de l'atmosphère dans une bande de fréquence donnée (radiomètre), soit le signal émis par l'instrument spatial, renvoyé par l'atmosphère ou la surface (radar, lidar)

Par exemple, la température de surface est mesurée principalement en infrarouge (bande 10 - 12 micromètres). Le rayonnement reçu par le capteur contient l'information de surface, mais perturbée par la traversée de l'atmosphère (vapeur d'eau, nuages). Il dépend aussi un peu de la rugosité de la surface. La température de surface est donc obtenue par « inversion » du signal mesuré, au moyen de méthodes physiques ou statistiques destinées à éliminer les perturbations.

Comparaison des flux de chaleur latente (en W/m2) déduits d'observation satellite (gauche), et calculés par le modèle de prévision du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen terme, sur une même région de l'Atlantique nord, pour un jour d'hiver. On constate une forte variabilité spatiale du flux satellite, en relation avec la structure spatiale de température de surface (courant chaud, figure en dessous) et de vent, qui n'est pas reproduite par le modèle. © D. Bourras 

La qualité du capteur lui même influe aussi sur la mesure (l'inter-étalonnage de capteurs identiques sur différents satellites envoyés successivement est un défi qu'il faut relever pour établir des séries de données climatologiques). La difficulté majeure est la validation des variables déduites des mesures satellitales. En effet, on se heurte à nouveau au manque de données in situ et au problème de leur utilisation dans ce but : la mesure locale est effectué par statistique temporelle, alors que le satellite fournit une image instantanée formée de pixels ayant un diamètre atteignant dans certains cas les 50 km).

L'apport des satellites est donc moins la précision absolue des variables obtenues par inversion que l'information sur leurs variations horizontales (dans l'image) et temporelles (entre deux passages). Toutefois, les champs de variables météorologiques ou de surface, ou encore certains flux déduits (flux solaire en particulier, comparable à mieux que 10% près des mesures locales)) sont en moyenne d'une qualité proche de ce qu'on peut obtenir avec des mesures in situ.

Actuellement, on se tourne de plus en plus vers une incorporation directe des mesures « brutes » des satellites dans les modèles de prévision de l'atmosphère et l'océan, plutôt que de relier par des méthodes indépendantes chaque mesure à une variable.

3 - Et les modèles ?

Les modèles couplés océan-atmosphère fournissent des flux calculés tenant compte de l'évolution des deux milieux. Cependant, la simulation de l'évolution de chacun des milieux dépend de la qualité des « paramétrisations », c'est-à-dire la représentation par une ou plusieurs équations mathématiques des processus d'échelle inférieure à la dimension des « mailles » de la grille de simulation. Elle dépend également de l'initialisation du modèle (description de l'état de départ) et de la prise en compte des contraintes sur la dynamique (relief, fonds sous-marins), qui influent fortement sur les circulations simulées.

Une des difficultés majeures des modèles atmosphériques est la simulation du cycle de l'eau, en raison des petites échelles des processus de formation des nuages, et des la nature complexe des processus, faisant intervenir évaporation / condensation / congélation de l'eau, et des mécanismes de relations entre les gouttes, et entre gouttes d'eau et poussières. La mauvaise représentation de la formation ou dissipation des différents types de nuages entraîne de fortes erreurs sur le rayonnement simulé (en fonction de la couverture nuageuse) et des précipitations.

Dans les modèles couplés, les défauts de représentation d'un milieu se répercutent sur l'autre, et le système tend à dériver dans le temps vers un état non-réaliste.... Les modélisateurs ont mis au point des méthodes pour éviter ces dérives et permettre des simulations sur des dizaines ou centaines d'années (par exemple, scénarios de changement climatique), mais on ne peut pas accorder une confiance très grande aux termes de flux de surface simulés...