Version classiqueVersion mobile

Océan et climat

 | 
Jacques Merle

Chapitre 6. Observation et prévision de l'interaction océan-atmosphère dans les basses latitudes

Le programme Toga (Tropical Ocean and Global Atmosphere)

Texte intégral

Enso, signal climatique le plus marqué de la planète, qui affecte les régions tropicales, a suscité l’organisation d’un grand programme international dédié à l’étude des interactions entre l’océan et l’atmosphère et à leur prévision.

1Bien que centré sur les tropiques, le phénomène Enso a un retentissement climatique global qui touche une grande partie de la planète. La perspective de comprendre la cause de ces cycles apériodiques, de façon à les prévoir au moins partiellement, a convaincu les scientifiques et les décideurs dans les années 1980 d’étudier en profondeur ce phénomène, en prélude à une compréhension plus large de la variabilité du climat. Mais une entreprise aussi ambitieuse nécessitait un effort coordonné sans précédent des océanographes et des atmosphériciens. Il était nécessaire de collecter des observations sur les deux milieux et dans les trois océans, et de construire des modèles suffisamment réalistes pour utiliser leurs simulations en mode prédictif. Un tel effort nécessitait un rassemblement de moyens et de personnel scientifique qui ne pouvait être obtenu que dans le cadre d’un grand programme international et sur une longue durée. Ce rassemblement, orchestré par l’OMM et son Programme de recherche mondial sur le climat (PRMC), donna le jour au programme Toga.

Origine et objectifs deToga

2Océanographes et atmosphériciens s’étaient déjà rapprochés dans le passé, à l’occasion de « brèves rencontres » telles que celle du programme Gate (chapitre 4) qui dura seulement trois mois, entre juillet et septembre 1974. Quelques autres opérations communes avaient amené les océanographes à recueillir les observations marines que souhaitaient les météorologistes. Mais les deux communautés n’avaient jamais réellement travaillé ensemble sur des objectifs communs.

3Une ère nouvelle s’est ouverte dans les années 1980 avec une imbrication plus intime des deux disciplines et la reconnaissance du poids des océans tropicaux dans les processus déterminant la variabilité climatique à l’échelle interannuelle. Après les découvertes pionnières de la physique des interactions entre les océans et l’atmosphère, la communauté scientifique internationale comprit qu’elle devait se pencher plus en détail sur les basses latitudes. Météorologistes et océanographes confondus décidèrent donc de mettre en place à cet effet un programme international de recherche de longue durée, ce fut Toga (Tropical Ocean and Global Atmosphere) qui dura dix ans (1985-1995).

4Sa mise en place ne fut pas simple, et de nombreuses péripéties émaillèrent la naissance de cette organisation dont on peut trouver un résumé encadré 12.

  • 1 Voir note 8 chapitre 3.

5Toga, dont les objectifs annoncés sont détaillés encadré 13, reposait principalement sur la mise en place d’un système d’observations ayant vocation à devenir pérenne et à prendre un caractère opérationnel. Le développement de modèles, dans la perspective de se doter pour le futur d’une capacité de prévision opérationnelle permanente, était également au centre des préoccupations. Une étude des processus d’échanges entre l’océan et l’atmosphère, dans la région de la warm pool (Indonésie-Nord-Australie) où ils sont les plus intenses, s’est avérée nécessaire, à la fois pour dimensionner le réseau d’observations, et pour mieux paramétriser1 les flux thermodynamiques et mécaniques à l’interface des modèles couplés. On examinera successivement ces trois composantes du programme, la modélisation, le système d’observations et cette étude de processus de l’interface, qui furent conduits en parallèle et se soutinrent mutuellement.

  • 2 Il y eut deux catégories de groupes de travail : des comités régionaux de coordination des opérati (...)

Encadré 12. Origine et organisation de Toga
Dès 1982, un groupe de travail, créé sous l'impulsion d'Adrian Gill, océanographe britannique, fut mis sur pied avec la mission d’établir les fondements scientifiques d'un programme international sur le sujet. Ce groupe de travail fut formellement reconnu par le JSC sous les auspices de l'OMM et de l'ICSU, et pour l'océan par le CCCO sous les auspices du Scor et de la COI. Le couple JSC/CCCO, représentant les météorologues et les océanographes, constitua, sur la base des propositions du groupe de travail préparatoire d’Adrian GUI, un Scientlfic Steering Croup (SSG) pour établir les bases scientifiques du programme. Adrian Gill fut naturellement le premier président du SSC ; malheureusement décédé en 1986, il fut remplacé par Peter Webster, un météorologue australien. Le SSC travailla et essaima en différents sous-groupes de travail2 pour proposer un plan scientifique qui fut présenté et discuté, en septembre 1984, au cours d'une conférence internationale tenue à Paris où étaient présents à la fois les principaux scientifiques engagés et les décideurs scientifiques. Chaque pays présenta les programmes et les moyens qu'il s'engageait à soutenir. Dès lors, Toga était sur les rails pour dix ans, de 1985 à 1995.
Au-dessus du Scientlfic Steering Croup et de ses sous-groupes de travail qui pilotèrent la réflexion scientifique et les opérations nécessaires à la réalisation du programme, Toga s'est doté d'un « International Toga Board » ras semblant les représentants nationaux des pays engagés, chargé d'évaluer les résultats et le suivi du programme ainsi que de garantir les moyens annoncés par les participants. Cet international Toga Board était placé sous la présidence du météorologue brésilien Antonio Moura. Un « International Project Office », chargé de coordonner la mise en œuvre pratique des opérations sur le terrain entre les différentes institutions scientifiques des pays participants, fut implanté à Southampton, en Angleterre, sous la direction du Britannique John March. Il faut également mentionner l’action éclairée du Français Pierre Morel, alors directeur du PMRC à l'OMM, qui contribua grandement au succès de ce programme international.

Encadré 13. Les objectifs généraux de Toga
Les objectifs généraux de Toga se déclinent en trois volets :
- Apporter une description des océans tropicaux et de l'atmosphère globale, considérés comme formant un système couplé variable dans le temps, de façon à déterminer dans quelle mesure ce système est prévisible à des échelles de temps de quelques mois à quelques années, et comprendre les mécanismes qui sous-tendent cette prévisibilité.
- Étudier la possibilité de modéliser le système couplé océan-atmosphère dans le but de prévoir ses variations à des échelles de temps de quelques mois à quelques années.
- Fournir les bases scientifiques nécessaires à l'établissement d'un système d’observations et de transmission de ces observations pour réaliser une prévision opérationnelle, dans la mesure où cette possibilité a été démontrée par les modèles couplés océan-atmosphère.
Pour atteindre ces objectifs, le SSC Toga proposait cinq types d’opérations :
(1) Mettre en place un système d'observations de l’océan et de la basse atmosphère.
(2) Réaliser une étude de processus : « Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment » (Coare), essentielle à la compréhension des mécanismes d’échanges énergétiques entre les deux milieux dans la région chaude de l’ouest Pacifique.
(3) Développer des modèles d’océan et des modèles couplés océan-atmosphère dans la perspective de prévoir l'évolution du système couplé.
(4) Conduire des études diagnostiques du phénomène Enso.
(5) Rattacher Enso aux phénomènes semblables affectant les autres régions tropicales, dans l'océan Indien (mousson) et l'océan Atlantique.

La modélisation durant Toga

  • 3 Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité. Ce peut être une maquette ou modèle réd (...)

6La modélisation3 du système couplé océan-atmosphère dans la perspective de prévoir son évolution était au centre des objectifs de Toga. L’ambition de construire des modèles couplés réalistes stimula considérablement la modélisation à la fois de l’océan et de l’atmosphère pris individuellement, ainsi que la compréhension théorique du système couplé. Il faut en effet distinguer les modèles d’océans, les modèles d’atmosphère et les modèles couplés qui associent un modèle d’océan à un modèle d’atmosphère. Parmi les modèles d’océans qui nous intéressent en priorité ici, on peut considérer, par ordre de complexité croissante, les modèles simples linéaires généralement à deux couches, les modèles intermédiaires qui sont des modèles simples améliorés, et les modèles de circulation générale océanique, qui prennent en compte les équations complètes de la dynamique océanique. L’évolution rapide de la modélisation océanique et les principales personnalités scientifiques qui marquèrent ce domaine de recherche sont présentées dans l’encadré 14. Nous donnons seulement ici un bref aperçu des grandes catégories de modèles océaniques développés avant et pendant Toga.

Des modèles simples linéaires à deux couches

7Avant Toga, la modélisation océanique dans les régions tropicales reposait sur des modèles simples linéaires à deux couches, dits shallow water en anglais, dont nous avons déjà vu l’usage (chapitre 4) dans la mise en évidence de phénomènes de remote forcing à l’équateur. De tels modèles réduisaient l’océan à une couche homogène chaude reposant sur un « socle » sous-jacent froid, ces deux couches étant séparées par la thermocline. L’épaisseur et la température de la couche supérieure homogène étaient les deux seules variables prises en compte par la simulation. Ces modèles s’appliquaient particulièrement bien aux zones tropicales car, comme on Ta vu, dans ces régions on peut schématiser l’océan par deux couches distinctes (fig. 33, 37, chapitre 4). On a vu aussi que ces modèles à deux couches donnèrent des résultats remarquables en rendant compte assez correctement de la propagation des ondes le long de l’équateur.

Des modèles intermédiaires plus sophistiqués

8Les modèles intermédiaires sont des modèles élaborés sur des schémas semblables aux précédents, shallow water, mais plus complexes, pour être plus réalistes. Ils utilisent différents artifices pour se rapprocher de la « physique » particulière des océans tropicaux mais ils ne prennent pas pour autant en compte les équations complètes de la dynamique océanique. Les modèles shallow water simulaient correctement la profondeur de la thermocline, mais ils péchaient surtout par une simulation médiocre de la température de surface. Les artifices introduits dans ces modèles à deux couches pour lier la température de surface à la profondeur de la thermocline n’étaient pas satisfaisants, car des mécanismes importants tels que les transports horizontaux et les flux thermodynamiques (échanges de chaleur et de masse par évaporation/précipitation) à l’interface étaient négligés. La façon naturelle de résoudre ce problème du réalisme de la température de surface était de combiner un concept shallow water pour la dynamique à une équation complète de la température. C’est ce que firent Cane et Zebiak dans leur modèle océanique particulier à l’origine de la première prévision d’Enso présentée chapitre 5 (fig. 59).

Le« top » des modèles océaniques : les OGCM

  • 4 Les équations de « Navier Stokes », dont l'étude est un des chapitres des mathématiques, sont des (...)
  • 5 « Discrétiser » le champ continu d'un paramètre, par exemple le champ de température, c’est le réd (...)
  • 6 Le GFDL (Geophysical Fluid Dynamic Laboratory), déjà présenté chapitre 2, mérite une mention spéci (...)
  • 7 Le « code » d'un modèle est le programme informatique de base qui permet de faire exécuter par un (...)

9Au sommet de la hiérarchie, après les modèles à deux couches et les modèles intermédiaires, on trouve les modèles de circulation générale océanique (Ocean General Circulation Models), plus connus par leurs initiales anglo-saxonnes, OGCM. Ils s’appuient sur les « équations primitives » que sont les équations complètes du mouvement des fluides appelées aussi « équations de Navier-Stokes4 » par les mathématiciens. À partir des années 1960, la puissance des calculateurs a permis de les résoudre numériquement avec une discrétisation5, dans l’espace et le temps, de plus en plus fine. Le premier OGCM a été développé par le GFDL6, son code7 fut repris et utilisé par de nombreux auteurs (encadré 14).

Succès et échecs de la modélisation durant Toga

10Ce développement des simulations numériques au cours du programme Toga montra qu’il était possible d’utiliser des modèles d’océan et d’atmosphère, ainsi que des modèles couplés, pour prévoir l’évolution du couplage entre un océan tropical et la basse atmosphère sous certaines conditions. Mais aucun de ces modèles n’a été capable de simuler correctement plusieurs cycles de l’oscillation Enso, loin s’en faut. Ainsi donc les ambitieux objectifs assignés à Toga n’ont été que partiellement atteints.

11Plusieurs raisons expliquent ces insuffisances des modèles. La première, la plus fondamentale, tient à la nature profonde du système physique couplé océan-atmosphère. On a déjà noté (voir chapitre 5 – « Enso est-il prévisible ? ») qu’il n’est pas certain qu’Enso soit prévisible au-delà d’un seul cycle. Il est fort possible que le phénomène soit chaotique et que, quelle que soit la qualité des observations et des modèles, il soit par nature imprévisible. Par ailleurs, la qualité des modèles, qui passe par leur résolution (taille des mailles), mais aussi par la pertinence des paramétrisations employées (voir note 8, chapitre 3), et par la qualité des données de forçage utilisées (notamment le vent), n’était pas encore suffisante.

12Mais d’autres manipulations numériques peuvent renforcer le réalisme des simulations et ainsi pallier les insuffisances naturelles des modèles. Ce sont les techniques d’assimilation, déjà mentionnées pour Woce, destinées à recaler les simulations du modèle en les ramenant aux observations disponibles à intervalles réguliers, réduisant ainsi l’écart entre la simulation et la réalité. Des progrès intéressants ont été accomplis dans ce domaine durant la décade Toga, notamment par des Français, et certaines de ces techniques sont passées en mode opérationnel, mais l’assimilation des observations dans les modèles océaniques demeure un domaine de recherche encore en plein développement.

Encadré 14. Les principales étapes de la modélisation durant Toga
Les premiers modèles linéaires à deux couches
Dans le Pacifique, les pionniers furent les Américains. Parmi eux, Tonny Busalacchi et James O'Brien montrèrent, entre 1979 et 1981, que ces modèles simples pouvaient donner d'excellents résultats pour simuler la profondeur de la thermocline et la topographie de la surface de l’océan, en utilisant des vents réalistes. Dans l'Atlantique, Tonny Busalacchi et Joël Picaut, en 1982, puis Mark Cane et Randall Patton utilisèrent le même type de modèle linéaire à deux couches, en le « forçant » avec des vents moyens saisonniers. Ces modèles étaient capables de simuler correctement les variations saisonnières du niveau de l'océan observées dans le golfe de Guinée.
Mais les résultats les plus significatifs sur la simulation de la profondeur de la thermocline et ses variations saisonnières furent obtenus à l’aide d’un modèle analytique développé par Mark Cane et Edward Sarachik. Ces auteurs montrèrent, en 1981, que la thermocline du bassin tropical Atlantique oscillait saisonnièrement autour d'un point pivot (fig. 42, chapitre 4), ce que les analyses des données historiques avaient montré. Dans le même temps, en France, Pascale Delecluse construisit son propre modèle shallow water, utilisé notamment par Sabine Arnault en 1992 pour simuler les variations basses fréquences de la topographie dynamique de la surface de l’océan Atlantique tropical.
Les modèles intermédiaires
Les premières tentatives pour améliorer les shallow water en prenant en compte la température furent l'œuvre de David Anderson et de Jay Mac Creary, en 1985. Mais le modèle le plus fameux est celui de Mark Cane et de Stephen Zebiak, en 1987, qui devint un prototype de ce type de modèle. Il fut utilisé par de nombreux auteurs après diverses adaptations. Ce modèle océanique a été couplé avec un modèle atmosphérique simple, dans lequel les vents sont générés par le réchauffement atmosphérique convectif lié aux températures de surface. C'est ce modèle couplé qui a permis les premières prévisions d’Enso (fig. 59, chapitre 5).
Les modèles de circulation générale océaniques – OGCM
Les pionniers de la création des OGCM dans les régions tropicales furent George Philander et Ronald Pacanowski du GFDL. Adaptant le modèle général de Michael Cox, ils créèrent en 1980 le premier modèle de circulation générale océanique tropical et simulèrent la variabilité saisonnière de l'océan Atlantique tropical (fig. 73), puis celle du Pacifique tropical en 1986 et 1987. Utilisant progressivement des vents de plus en plus réalistes, ils simulèrent ainsi de mieux en mieux la variabilité interannuelle des systèmes de circulation des océans tropicaux Pacifique et Atlantique.
Aux États-Unis, d'autres auteurs utilisèrent le code de Michael Cox du GFDL, notamment Albert. Semtner du NCAR, qui réalisa un modèle global d'océan à résolution de plus en plus fine à mesure que la puissance des ordinateurs grandissait. Il arriva ainsi à résoudre les tourbillons à moyenne échelle (10-100 km) et les ondes équatoriales. La version tropicale du modèle du GFDL fut aussi utilisée par de nombreux auteurs (en particulier Anthony Rosatti, David Halpern, Edward Harrison). La très grande sensibilité de l'océan tropical aux forçages du vent, qui était apparue lors des premières simulations, conduisit ces auteurs à multiplier les expériences en utilisant différents champs de vent pour tester leur qualité.
En Angleterre, David Anderson, avec plusieurs co-auteurs, notamment Jay Mac Creary et Dennis Moore, utilisa aussi un code dérivé de celui du GFDL pour des simulations de l'océan Indien.
En Allemagne, les modélisateurs du Max Planck Institut de Hambourg utilisèrent surtout un modèle en coordonnées isopycnales (couches verticales définies par des surfaces d'égale densité), mais Mojib Latif et ses collègues poursuivirent l'utilisation d'un modèle en coordonnées z (couches définies par leur profondeur sur l'axe vertical) issu de celui du GFDL.
Au Japon, plusieurs auteurs utilisèrent le code du GFDL avec des résolutions fines, pour décrire les détails régionaux de la circulation aux abords du grand courant qui longe leurs côtes, le Kuro-Shivo.
Enfin en France, Pascale Delecluse, après un séjour au GFDL auprès de Michael Cox, Kurk Bryan et George Philander, importa la culture et le savoir-faire acquis au GFDL et rassembla une équipe pour développer au Lodyc (Laboratoire d'océanographie dynamique et de climatologie) un OGCM très performant et doté d’améliorations sensibles par rapport à celui du GFDL.

13Au total, l’effort porté sur la modélisation durant Toga a au moins montré qu’un OGCM forcé par un champ de vent de bonne qualité donne une réponse simulée de la température de surface de l’océan très satisfaisante. Et, inversement, un modèle de circulation générale de l’atmosphère (AGCM) forcé par de bonnes observations de température de surface donne aussi une réponse atmosphérique très réaliste. Autrement dit, pris individuellement, les modèles océaniques et atmosphériques simulent correctement la réalité, mais lorsqu’ils sont couplés, de petites erreurs à l’interface dans la simulation de la température et du vent s’amplifient sous l’effet d’enchaînements de processus d’actions et de rétroactions (feed back) et font rapidement dériver le modèle couplé. Pour améliorer le couplage, réduire ces erreurs et comprendre leur origine, il était indispensable de les confronter à la réalité observée, et donc de disposer d’un système d’observations qui permette d’offrir une vision correcte à la fois des paramètres de l’interface (température de surface et vent principalement), et des conditions océaniques de sub-surface (courants, champs de température jusqu’à la base de la thermocline,...). C’est ce que devaient apporter les réseaux d’observations Toga, décrits ci-dessous.

Figure 73. Simulations des courants de surface et du contenu thermique entre 0 et 400 m de profondeur à l’aide du modèle de circulation générale (OGCM) du GFDL, par Philander et Pacanowski (1986 b). Ce fut la première utilisation d’un OGCM pour simuler un océan tropical.

Le système d'observations Toga

14Le système d’observations Toga s’est progressivement mis en place. Beaucoup d’éléments de ce système lui préexistaient et ont une histoire propre liée à des programmes antérieurs qui initièrent des réseaux d’observations mais aussi des études diagnostiques et des modèles. Ces programmes initiaux constituent les fondations de Toga. À leur tour, les systèmes d’observations mis en place durant Toga deviendront les fondations de l’observation opérationnelle in situ actuelle mise en place en parallèle avec l’observation spatiale. L’histoire de ces développements instrumentaux, de leurs usages, des efforts des scientifiques qui les conçurent, est intimement liée aux avancées scientifiques de cette période et motive le déploiement actuel des moyens de l’océanographie opérationnelle. Ainsi, les péripéties de la mise en place de ces dispositifs d’observations durant Toga sont un tournant dans l’observation de l’océan et représentent une page de son étude et de son histoire.

15Le système d’observations Toga comportait six éléments essentiels (fig. 74) : (1) un réseau de bouées ancrées le long de l’équateur, « Tropical Atmosphere Ocean (TAO) array », associé à des campagnes océanographiques de maintenance (campagnes Surtropac) ; (2) des bouées dérivantes de surface ; (3) un réseau de marégraphes ; (4) un réseau de navires de commerce sélectionnés pour pratiquer des observations météorologiques de surface et des profils thermiques de subsurface de l’océan (XBT) ; (5) des observations météorologiques en altitude à l’aide de radio-sondages atmosphériques et de radars profileurs de vent installés sur des îles ; (6) des observations de la température de surface, du vent, de la hauteur dynamique de l’océan, à partir d’instruments embarqués sur différents satellites.

Le réseau de bouées ancrées, « TAO array »

  • 8 Cet échec dans l'observation du phénomène El Niño de 1982-1983 mérite explication. Il est imputabl (...)
  • 9 Une thermistance est un capteur mesurant électroniquement la température, basé sur la propriété de (...)

16Ce réseau a une longue histoire qui débute dans les années 1970 lorsque des mouillages courantométriques superficiels furent construits et déployés au voisinage de l’équateur par David Halpern dans le cadre des programmes Epocs (Equatorial Pacific Ocean Climate Studies) et Norpax (North Pacific Experiment). La technique des mouillages de surface était difficile à maîtriser, mais après sa mise au point, elle fut utilisée par d’autres programmes sur d’autres océans, notamment sur l’océan Atlantique dans le cadre des programmes Sequal et Focal. Il fallut cependant l’échec de l’observation d’un des plus puissants El Niño du siècle8, celui de 1982-1983, pour convaincre la NOAA de couvrir la zone équatoriale pacifique d’instruments de mesures in situ capables de détecter en temps réel les changements de vent et de température de ces immenses régions océaniques, que n’empruntaient pas les navires du commerce. Il fut donc décidé de confier à Stan Hayes, du « Pacific Marine Environmental Laboratory » (PEML) de Hawaï, la tâche de concevoir sur le modèle des mouillages de Halpern des bouées ancrées susceptibles d’observer à la fois les conditions de surface (vent, température de l’océan, pression atmosphérique) et la structure thermique de sub-surface. Pour cela, il fallait équiper les bouées de lignes pourvues de thermistances9 jusqu’à des profondeurs dépassant celle de la thermocline (environ 500 m). Il fallait aussi, et surtout, que ces bouées soient équipées de systèmes télémétriques capables de transmettre en temps réel leurs observations par des satellites.

Figure 74. Les réseaux d’observations océaniques Toga dans le Pacifique. Document PEML.

17Ce furent les fameuses bouées Atlas (Autonomous Temperature Line Acquisition System), d’un coût raisonnable, qui furent déployées progressivement jusqu’à couvrir la totalité du Pacifique équatorial (70 bouées ATLAS ont été déployées entre 10 ° N et 10 ° S pendant Toga). Au-delà de l’investissement pour leur mise au point et leur fabrication, la maintenance des bouées, qui nécessite un navire pour relever et entretenir les mouillages tous les six mois, représentait la partie la plus importante du coût total du système d’observations. Cette maintenance mobilisait à temps complet un bateau de bonne taille pourvu des moyens de levage adéquats. C’est pourquoi les Japonais et les Français de Nouvelle-Calédonie furent associés au projet, avec mission de se charger de la maintenance des bouées du Pacifique occidental (à partir du méridien 170 ° E jusqu’au méridien 140 ° E au nord de la Nouvelle-Guinée), avec leurs propres navires.

Bouée équatoriale avec courantomètre à effet doppler sous la bouée dans le cadre du programme Toga (campagne Surtropac 15).

18La technique de mouillage et les capteurs placés sur ces bouées ont évolué au cours de la décennie Toga. Certaines bouées furent équipées de courantomètres pour mesurer directement et avec précision la vitesse du courant, notamment au niveau du sous-courant équatorial. Il est en effet essentiel d’observer l’évolution du souscourant, en vitesse et en profondeur, car il est impliqué dans la genèse et le développement d’Enso. Plus tard, des bouées Atlas semblables ont été installées dans l’océan Atlantique tropical dans le cadre d’un autre programme international rassemblant les États-Unis, la France et le Brésil, appelé Pirata.

19Ce réseau de bouées ancrées permit d’observer en continu et en temps réel l’évolution de la structure thermique de l’océan Pacifique le long de l’équateur (entre 10 °N et 10 °S) (fig. 75). C’était le premier réseau d’observations océanographiques expérimental à caractère opérationnel. Après Toga (31 décembre 1995), le réseau a été maintenu sous la forme d’un observatoire opérationnel permanent de l’océan Pacifique, toujours sous la responsabilité de la NOAA.

Les bouées dérivantes de surface

20À partir des années 1970, des systèmes de positionnement par satellite tel Argos (développé conjointement par la Nasa et le Cnes – chapitre 7) ont permis de localiser, pour un coût raisonnable, des objets divers à la surface de la Terre, et notamment des objets dérivants à la surface des océans. Une génération de bouées dérivantes de surface fut donc créée pour des usages et des programmes de recherche divers en océanographie et en météorologie. Les unes furent conçues spécialement pour la météorologie, d’autres pour tracer la circulation océanique. Dans le cadre de Toga, il devint rapidement évident que des mesures précises de la température de surface de l’océan, du vent et de la pression atmosphérique étaient indispensables et nécessitaient l’usage des bouées dérivantes. L’expérience FGGE en 1979 avait déjà donné une idée de l’usage qui pouvait être fait de ces bouées de surface, mais les bouées FGGE, trop lourdes et trop coûteuses, ne pouvaient être utilisées en l’état. Il fut donc décidé de concevoir des bouées dérivantes spécialement adaptées aux objectifs de Toga. Il était nécessaire non seulement d’observer les paramètres de l’interface, mais aussi la dérive même de ces bouées censées tracer le courant océanique. Avant Toga, les bouées dérivantes soumises au vent ne permettaient pas de distinguer, dans leur dérive, la composante due au vent de la composante représentant le courant. La communauté scientifique doit beaucoup à Pearn Niiler de la Scripps, qui, en physicien expérimental rigoureux, s’attacha à étudier la capacité des bouées dérivantes à mesurer le courant océanique. Il conçut des bouées droguées (c’est-à-dire munies d’une ancre flottante, ou drogue) immergées dans la couche homogène superficielle de l’océan et soumises au courant. Il testa ces prototypes de bouées par de nombreuses expériences pour déterminer l’ancre flottante idéale et connaître la précision de la mesure du courant déduite de la dérive de la bouée. À la fin de Toga, 700 bouées dérivantes avaient été déployées, par des navires de recherche, des navires commerciaux et même des avions, pour tracer la circulation océanique de surface de l’océan Pacifique équatorial.

Figure 75. Section équatoriale moyenne de la température le long de l’équateur, pour le mois de juin, obtenue avec le réseau de bouées ancrées (TAO) entre le Pacifique occidental (nord de la Nouvelle-Guinée) et le Pacifique oriental (îles Galapagos). La pente est-ouest de la thermocline ainsi que le réservoir d’eaux chaudes (warm pool) du Pacifique ouest sont clairement marqués et leurs évolutions peuvent être suivies en temps réel. Document NOAA.

21L’analyse des trajectoires de ces bouées a permis de décrire la circulation superficielle océanique en temps réel avec une précision et une résolution jamais atteintes auparavant. Le réseau de bouées dérivantes Toga fut aussi un banc d’essai sans égal pour la mise en place ultérieure des systèmes d’observations opérationnels qui utilisent maintenant (depuis 2002, cf. fig. 76) des engins autonomes dérivant en surface ou au sein de la masse liquide.

Le réseau de marégraphes

22Le réseau de marégraphes a aussi une longue histoire. Un marégraphe, comme son nom l’indique, est avant tout destiné à mesurer la marée. Mais il peut aussi enregistrer les variations du niveau moyen de la surface de l’océan, c’est-à-dire son altitude absolue lorsque l’on a soustrait les marées et les perturbations d’origine météorologique. C’est cette topographie de la surface de l’océan qui reflète ses mouvements à grande échelle. Toga a hérité du réseau de marégraphes déployé dans le Pacifique durant le programme Norpax. Klaus Wyrtki en est le père, et c’est grâce aux observations des variations de niveau de la surface de l’océan tropical Pacifique à l’aide du réseau de marégraphes qu’il avait installés qu’il a pu diagnostiquer les caractéristiques essentielles d’El Niño. Avec ces marégraphes, il observa notamment la propagation des eaux chaudes le long de l’équateur, depuis le Pacifique ouest jusqu’à leur déferlement à l’est le long des côtes d’Amérique du Sud. Ces eaux chaudes créent une élévation du niveau de l’océan de quelques dizaines de centimètres, dont on peut ainsi suivre la progression d’îles en îles. Toga n’a fait qu’étendre ce réseau et moderniser la technologie des marégraphes, lesquels ont été équipés de télé-transmetteurs automatiques par satellite, pour que les observations puissent être traitées en temps réel par le « Sea Level Center » de l’université d’Hawaï responsable du réseau, de sa maintenance, du traitement des données et de leur dissémination. Des tentatives pour étendre le réseau de marégraphes aux océans Atlantique et Indien ont eu un succès mitigé. Dans l’Atlantique, le programme Focal a déployé, à partir de 1982, un réseau de marégraphes, qui fut maintenu seulement quelques années durant la période Toga. On verra plus loin que les satellites altimétriques ont pris le relais des marégraphes pour observer l’évolution du niveau de l’océan dans les phénomènes dynamiques tels qu’Enso, ainsi que l’élévation du niveau moyen de l’océan sous l’effet du réchauffement global du climat constaté actuellement.

Figure 76. Les bouées dérivantes de surface dans l’océan mondial (en service le 25 avril 2005 à titre d’exemple). Chacune de ces bouées peut être interrogée en temps réel sur le WEB pour recueillir les mesures de température et, pour certaines, de pression atmosphérique et de vent.
C’est un réseau d’observation de l’océan pleinement opérationnel mis en place par la NOAA et issu du programme Toga. Document NOAA.

Les réseaux d'observations des navires de commerce (Volunteer Observing Ships – VOS)

23Si l’on met à part Matthew Fontaine Maury, qui, dès les années 1850, rationalisa les obser vations de surface pratiquées par des navires (chapitre 1), l’utilisation des navires de commerce pour réaliser des observations véritablement océanographiques est une idée relativement récente à laquelle un pionnier français, Georges Berrit, a contribué dans les années 1950. Il a systématisé la prise d’échantillons d’eau de mer par les navires de commerce pour analyser à terre leur salinité, ce qui lui a permis, avec la température mesurée à bord, de décrire « les saisons marines » et l’« hydroclimat » du golfe de Guinée. Ce mode d’observation a été repris et appliqué à l’océan Pacifique à la fin des années 1960 par des chercheurs de la NOAA et un autre Français, Jean René Donguy, océanographe affecté en Nouvelle-Calédonie. Il était alors demandé aux marins des navires de commerce de bien vouloir pratiquer des sondages thermiques de l’océan en profondeur, en jetant par dessus bord à intervalles réguliers des sondes thermiques non récupérables (XBT pour Expendable Bathy Thermograph). Ces enregistrements de température ont été d’une grande utilité pour observer l’évolution de la structure thermique des couches supérieures de l’océan (jusqu’à 600 mètres de profondeur environ), à un coût très réduit. Pendant Toga, ce type d’observations a été renforcé, par la multiplication des lignes de navigation équipées de cette technologie (fig. 77), et par la mise au point d’un procédé de télétransmission par satellite, de façon à disposer de ces observations en temps réel. Par la suite, de nouvelles sondes (XCTD) permirent d’obtenir également des profils de salinité. Associés aux mesures de salinité de surface obtenues par les prélèvements d’eau, ces profils de salinité ont permis de déterminer l’implication de ce paramètre, jusqu’ici mal connu, dans la dynamique équatoriale.

Figure 77. Les lignes de navigation des navires de commerce équipées d’instruments permettant de pratiquer des sondages thermiques et des prélèvements d’eau sur l’océan mondial.

24Les observations des navires de commerce sont aussi utilisées par les météorologues, qui collectent régulièrement, sur tous les océans du monde, des mesures de la pression atmosphérique, du vent, de l’état de la mer, de l’humidité, et des températures de la mer et de l’air. Ces observations sont un élément essentiel du réseau mondial d’observation météorologique (World Weather Watch – WWW), mis au point par l’OMM, et qui transmet maintenant ces informations en temps réel pour la prévision météorologique.

25Ces observations par les navires de commerce ont joué un rôle décisif dans la détection des événements Enso, avant la mise en place des dispositifs de bouées ancrées (bouées Atlas) ou dérivantes. Elles ont permis notamment l’observation des champs de vent nécessaires au forçage des modèles. La précision et la résolution de ces champs de vent sont en effet des éléments déterminants de la qualité des simulations des modèles. Les observations de la température de surface de l’océan ont également été longtemps irremplaçables pour détecter les épisodes chauds ou froids d’Enso.

Le réseau d'observations météorologiques Toga

26Les objectifs de Toga impliquaient également une meilleure connaissance de la structure tridimensionnelle des perturbations de l’atmosphère le long de l’équateur. Outre les observations de surface réalisées par les navires de commerce, les observations en altitude du vent, de la température, de la pression et du taux d’humidité par des radio-sondages ont été sérieusement développées durant Toga, en équipant certaines îles isolées. Les données issues de ces radio-sondages transitant par le système de télétransmission GTS (Global Transit System), ont été prises en charge par le WWW et, comme pour les observations de surface, elles ont été utilisées dans le cadre de la prévision météorologique courante, avant d’être incorporées dans les jeux de données mis à la disposition des scientifiques.

27Il faut également noter qu’au cours de Toga fut testé un nouvel instrument : le wind profiler, développé par la NOAA, qui permit d’obtenir non seulement les composantes horizontales du vent, mais aussi sa composante verticale. Un de ces instruments a été installé sur File Christmas, idéalement située en longitude, au centre du Pacifique, pour suivre l’évolution d’un épisode Enso.

Les observations spatiales durant Toga

28Le chapitre 7 sera consacré à la révolution induite par l’observation spatiale, qui a affecté toute l’océanographie à partir des années 1970 ; sont indiqués brièvement ici les paramètres qui ont pu bénéficier de l’apport des observations satellitaires durant Toga.

29Les champs de température de surface ont bénéficié des observations radiométriques dans l’infrarouge des satellites d’orbites polaires de la NOAA ; on a pu ainsi réaliser des produits mixtes (Blended products) en associant ces observations satellitaires aux observations in situ issues des navires et des bouées (fig. 78).

Figure 78. Un autre exemple de produit mixte opérationnel issu de Toga : la température de surface de l’océan (pour le mois d’avril 2005) obtenue à partir d’observations spatiales et d’observations in situ utilisant les navires de commerce et les bouées, ancrées et dérivantes. Document du bureau météorologique australien pour le compte de « Integrated Global Ocean Service System – IGOSS » dépendant de l’OMM et la COI.

  • 10 Un scatéromètre est un instrument radar qui permet d'estimer la vitesse du vent à partir de l'obse (...)

30Les champs de vent bénéficièrent des observations du satellite européen ERS-1 lancé en 1991 et de Topex-Poseïdon à partir de 1992. ERS-1 était muni d’un scatéromètre10, qui suppléa en partie la mission avortée du satellite américain NSCAT qui devait être dédiée à l’observation du champ de vent. Un autre satellite équipé d’un Special Sensor Microwave Imager – (SSMI) fut également utilisé dans la première partie de Toga pour obtenir des champs de vent.

  • 11 Dans les régions équatoriales, la précision de la mesure de la hauteur dynamique de l'océan requis (...)

31La topographie de la surface de l’océan fut le domaine d’application le plus fécond et le plus imprévu de l’utilisation des technologies spatiales durant Toga. Le projet NROSS, muni d’un altimètre et dédié au départ à Toga n’ayant pas vu le jour à cause de son coût trop élevé, la Nasa dut batailler ferme pour faire avancer un projet de substitution. Ce fut Topex, dédié à l’observation de la topographie de la surface de l’océan mondial. Topex n’était pas censé appuyer Toga, mais seulement Woce, car il était difficile d’espérer obtenir des mesures précises des courants au voisinage de l’équateur11. Le projet américain Topex fut associé à un projet similaire français, Poseïdon. Ils seront présentés en détail chapitre 7.

32Les observations altimétriques par satellite permirent de suivre la propagation des ondes piégées à l’équateur et de déterminer avec précision leur longueur et leur vitesse. Ces observations spatiales constituent la plus complète vérification a posteriori de la théorie des ondes équatoriales (voir chapitre 4) formulée antérieurement par les théoriciens et que les observations in situ, par les mouillages et les réseaux de marégraphes, n’avaient fait qu’approcher.

Une étude de processus durant Toga. Le projet Coare

33Le couplage intense entre l’océan et l’atmosphère a donné lieu à une étude de processus durant Toga, Coare (Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment). Le Pacifique équatorial occidental peut être considéré comme la « bouilloire » de l’océan mondial. On a vu (chapitre 5, fig. 51 et 55) qu’on y relève les températures océaniques les plus élevées du monde (jusqu’à 31 °C) sur une épaisseur de plusieurs centaines de mètres. C’est aussi la région où les précipitations sont les plus intenses et où l’évaporation occasionne une déperdition de chaleur latente sans équivalent. Les vents y sont généralement faibles, seulement perturbés par des poussées de vent d’ouest (portant à l’est) périodiques à une fréquence de 30 à 40 jours, appelées ondes atmosphériques de Maden et Julian, déjà mentionnées chapitre 5. Ces ondes peuvent être à l’origine d’un épisode Enso.

34C’est aussi la région de la planète où l’activité convective de l’atmosphère est la plus intense, générant, on l’a vu chapitre 5, des ascendances et des formations nuageuses à grand développement vertical jusqu’à la limite de la tropopause. Les premiers modèles couplés, tel celui de Cane et Zebiak, ne prenaient pas en compte la variabilité intra-saisonnière de cette région et traitaient l’atmosphère comme un milieu passif répondant aux températures de surface océaniques moyennes. De tels modèles lissaient donc ces événements de plus haute fréquence, ce qui avait des conséquences néfastes sur le réalisme des simulations. Il était nécessaire de prendre en compte l’énergie contenue dans ces variations de période 30-40 jours – et plus courtes encore – et de les intégrer dans l’évaluation des échanges à l’interface. Pour cela, il fallait développer un programme d’observations spécifiques à la fois dans l’océan, dans l’atmosphère et à leur interface, afin de mieux comprendre les processus à l’origine de cette variabilité, ainsi que ses conséquences. Ce fut le projet Coare, inclus dans Toga, qui s’étendit sur quatre mois de novembre 1992 à février 1993.

Les objectifs de Coare

35Les objectifs de Coare visaient à observer et à comprendre :

  1. les principaux processus responsables du couplage océan-atmosphère dans la warm pool du Pacifique ouest ;
  2. les principaux processus atmosphériques responsables de la convection dans cette région ;
  3. la réponse océanique aux forçages issus de l’échange thermodynamique et du vent ;
  4. les interactions multi-échelles susceptibles de transmettre aux autres régions du globe les impacts des processus générés dans le Pacifique ouest et vice versa.

36Le système d’observations mis en place pour Coare rappelle celui de Gate, près de vingt ans plus tôt, dans l’Atlantique tropical (chapitre 4). Plusieurs échelles de phénomènes étaient appréhendées par des réseaux d’observations emboîtés de résolution croissante (fig. 79).

37La grande échelle couvrait la zone ouest du Pacifique de l’Australie à l’Asie du Sud-Est (entre 30 ° S et 30 ° N) jusqu’au milieu du Pacifique (160 ° W). Les observations à cette échelle se résumèrent à un renforcement des réseaux météorologiques classiques et à l’accroissement du nombre des stations de radio-sondages et de leur fréquence d’observation dans le cadre de la WWW. Aux échelles régionales et locales, onze navires océanographiques réalisèrent des mesures hydrologiques classiques (profils de température et de salinité), sept avions furent chargés de réaliser des mesures radar dans les zones de convection profonde ainsi que des mesures thermodynamiques et de microphysique des nuages. Le réseau de bouées ancrées Atlas fut aussi renforcé et des courantomètres furent ajoutés. Enfin, des observations spatiales furent mises à profit pour décrire plus en détail les zones de convection et leurs mouvements. Au total, une dizaine de pays participèrent, dont les principaux sont les États-Unis, l’Australie, la France, le Japon et la Corée du Sud.

Les résultats de Coare

38La moisson de résultats scientifiques de Coare fut fructueuse. Durant les quatre mois de l’expérience, trois événements Maden-Julian, susceptibles de déclencher un El Niño, furent détectés. Ils occasionnèrent une renverse des vents d’est, offrant ainsi autant de « cas » indépendants pour étudier les caractères permanents et variables de ces événements. Les trois domaines, l’atmosphère, l’océan et l’interface air-mer, bénéficièrent du déploiement sans précédent des moyens d’observation parsemant la région. À grande échelle et dans l’atmosphère, des bilans de chaleur et d’humidité furent établis, réduisant les marges d’incertitude antérieures. Dans l’océan, l’évolution à courte période (quelques jours) de la température de surface et de la profondeur de la thermocline, sous l’effet des sautes de vent, fut analysée. Aux échelles plus fines, les flux de chaleur, d’eau douce, de quantité de mouvement, et de masse (précipitations, évaporation) à l’interface furent précisés. À cette occasion, les relations empiriques (bulk formulae – voir chapitre 5, encadré 11), universellement utilisées pour calculer le bilan net de l’échange d’énergie à l’interface, furent révisées. Dans cette région du monde, où l’échange énergétique est le plus intense, des modèles avaient suggéré que les formules antérieures, établies pour les moyennes latitudes, sous-estimaient certains termes du bilan, ce qui fut confirmé ; les formules furent donc modifiées en conséquence pour cette région. La localisation et l’évolution des zones de convection atmosphérique purent également être observées et leur dynamique fut mieux comprise. Toutes ces avancées expérimentales obtenues durant Coare permirent d’affiner les paramétrisations et la discrétisation spatio-temporelle des modèles, qui jusque-là ne considéraient que des situations moyennes idéalisées. Les modèles purent prendre en compte une estimation plus correcte des échanges à l’interface, et surtout de leur variabilité intra-saisonnière, correspondant aux événements de Maden-Julian de période 30-40 jours.

Figure 79. Plan des opérations Toga-Coare. Les points noirs représentent des stations météorologiques équipées de radio-sondages. Les cercles sont des bouées Atlas mesurant la structure thermique de l’océan à l’équateur.
Les traits noirs et les flèches indiquent le parcours des navires océanographiques. Les trois échelles spatiales d’observation sont également indiquées. Source OMM.

Les avancées et les leçons de Toga

39Toga peut être considéré comme le premier grand programme international pour lequel océanographes et atmosphériciens ont interagi en équipe, sans distinction d’origine et de culture scientifique. C’est aussi le programme le plus étendu dans le temps (dix années), et le premier qui préfigure l’océanographie opérationnelle de demain pour la prévision du climat, parallèle de la météorologie opérationnelle pour la prévision quotidienne du temps. C’est cette perspective de prévision opérationnelle du climat qui conduisit Toga à donner autant d’importance au développement de la modélisation. Mais, pour avoir des modèles réalistes, avec une bonne capacité de prévision, il faut disposer d’observations nombreuses et de qualité, à la fois dans chacun des deux milieux et à leur interface. C’est pourquoi un effort coûteux et sans précédent a été consacré aux systèmes d’observations mis en place. Ces systèmes d’observations, encore expérimentaux durant Toga, ont pris un caractère opérationnel après la fin du programme.

40Au total, Toga a fait progresser la connaissance des mécanismes à l’origine de l’oscillation météo océanique Enso (encadré 15), mais le sujet est loin d’être clos, et on peut donner raison aux « sceptiques » mentionnés chapitre 4 : la physique des interactions océan-atmosphère aux basses latitudes, comme aux plus hautes d’ailleurs, est loin d’être simple !

  • 12 À moins que ce ne soit une illusion, liée aux nouveaux moyens d'observations, plus précis et plus (...)

Encadré 15. Aperçu sur l'évolution des théories d'Enso durant Toga
En amont des applications pour la prévision souhaitées par la société civile, la connaissance des mécanismes générateurs d'Enso a fait d’énormes progrès. Le premier scénario de Wyrtki, en 1975, (chapitre 5) suggérait que la tension des alizés poussait et maintenait sur le bord ouest du Pacifique équatorial un bourrelet d'eaux chaudes (fig. 53, chapitre 5). Mais ces vents pouvaient faiblir soudainement et ne plus équilibrer cette surcharge d'eaux chaudes, lesquelles déferlaient le long de l'équateur sous l'effet d'une onde ou d'un transport.
En 1985, le même Wyrtki, pour expliquer que certains El Niño pouvaient avorter malgré un préconditionnement favorable, suggéra un autre mécanisme, il stipula qu'après une accumulation d’eaux chaudes à l'ouest, une évacuation de ce trop-plein chaud était inévitable et se faisait soit vers l'est, sous la forme d’un El Niho classique, soit par l'ouest vers les plus hautes latitudes, par les grands courants de bord ouest tels que le Kuro-Schivo dans le Pacifique et le Culf Stream dans l’Atlantique. C’est sur ce scénario que Cane et Zebiak (1987) interprétèrent les oscillations générées par leur modèle couplé.
Mais certains El Niho échappaient toujours à ces schémas, qui par ailleurs n'expliquaient pas l'enchaînement de plusieurs cycles Enso ni le passage de la phase chaude (El Niho) à la phase froide (La Niña) et inversement. Dans les premières années de Toga, plusieurs théories tentèrent d'expliquer le cycle complet de l'oscillation et le passage d'un événement à l’autre sur plusieurs cycles. Mac Creary fut le premier, en 1983, à tenter d'expliquer la terminaison d'un épisode El Niho, en invoquant un système d’ondes qui se réfléchissaient sur les bords ouest et est du bassin équatorial. L'onde équatoriale initiale de Kelvin, vers l'est, se réfléchissait par une onde de Rossby planétaire plus lente qui se propageait, en 2-3 ans, en direction de l'ouest à des latitudes plus élevées, voisines de 20 °. Ces ondes de Rossby se réfléchissaient à leur tour sur le bord ouest du bassin Pacifique et généraient de nouveau une onde de Kelvin équatoriale, réinitialisant ainsi un nouveau cycle Enso. Le cycle complet s'étendait sur une période de 3-4 ans, ce qui était compatible avec les observations.
D’autres auteurs invoquèrent un retour par des ondes de Rossby plus proches de l'équateur et une action locale du vent. Le jeu complexe des ondes de Kelvin et de Rossby à l'équateur même fut aussi invoqué par plusieurs auteurs, dont Battisti en 1988, pour proposer un scénario qui eut un certain succès : la théorie de l'« oscillateur retardé ». La validité de ce dernier scénario reposait en partie sur la faculté de la frontière ouest de réfléchir des ondes. Cette frontière, bien que « poreuse » à cause des nombreux détroits qui émaillent le voisinage de l'Indonésie entre les océans Pacifique et Indien, pouvait réfléchir ces ondes comme le montrèrent Du Penhoat et Cane en 1991. Mais d'autres auteurs encore, Boulanger et MENKES, en 1995, utilisant des jeux d'observations in situ et satellitaires, contestèrent ces mécanismes de réflexions d'ondes sur le bord ouest et montrèrent que certains événements chauds (El Niho) ne relevaient pas de ces schémas. Picaut et Delcroix, en 1995, révisèrent la théorie de l’oscillateur retardé en donnant plus de poids au transport océanique par le système des courants et des contre-courants.
Les théories actuelles sur Enso tentent de prendre en compte la variabilité même des épisodes El Niño-La Niña. Ces événements semblent avoir significativement augmenté en fréquence et en intensité depuis une cinquantaine d’années12. Les oscillations décennales et multidécennales qui affectent aussi le Pacifique tropical et se superposent à Enso compliquent l'analyse et la compréhension de ce seul signal. Celui-ci doit être placé dans une perspective historique plus étendue dans le temps et son analyse devra problablement impliquer la prise en compte de l'évolution de l'ensemble de la circulation océanique, et pas seulement de la circulation tropicale, dans une perspective globale de changement à long terme du climat.

41D’autres signaux climatiques, découverts plus récemment, ajoutent encore à la complexité du sujet. Une oscillation décennale, mise en évidence ces dernières années (voir chapitre 5), est présente dans les trois océans et affecte toutes les latitudes. Il en est de même pour la tendance séculaire au réchauffement du climat actuel, très probablement d’origine anthropique (voir chapitre 8). Tous ces signaux climatiques interfèrent avec Enso et rendent encore plus difficiles l’interprétation des observations et son identification.

42Néanmoins, on a vu qu’une panoplie d’une dizaine de modèles permet de prévoir assez précisément l’évolution d’Enso à l’échelle de quelques mois. Ils sont utilisés en routine, interprétés et diffusés par l’IRI, créé en 1995 par le « Toga Board ».

Notes

1 Voir note 8 chapitre 3.

2 Il y eut deux catégories de groupes de travail : des comités régionaux de coordination des opérations, un par océan ; des groupes de travail techniques par catégorie d'instruments d'observation et un groupe spécial pour la modélisation.

3 Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité. Ce peut être une maquette ou modèle réduit, un simple schéma, ou encore une formulation mathématique qui peut donner lieu à une résolution analytique d'équations ou, le plus souvent, à une résolution seulement numérique par ordinateur. C’est cette dernière catégorie de modèle qui est la plus utilisée dans les sciences de l’atmosphère et de l’océan, bien qu’il existe encore en hydrodynamique des études faites sur maquettes.

4 Les équations de « Navier Stokes », dont l'étude est un des chapitres des mathématiques, sont des équations aux dérivées partielles du second ordre. On ne leur a pas trouvé de solutions analytiques générales, ce qui contraint à les résoudre seulement numériquement.

5 « Discrétiser » le champ continu d'un paramètre, par exemple le champ de température, c’est le réduire à un nombre fini de mailles élémentaires (généralement un parallélépipède) dans lesquelles le paramètre est représenté par sa moyenne. Les mailles des premiers modèles étaient grandes, plusieurs centaines de kilomètres sur l'horizontale et une dizaine de mètres sur la verticale, car la mémoire des ordinateurs n'était pas encore suffisante.

6 Le GFDL (Geophysical Fluid Dynamic Laboratory), déjà présenté chapitre 2, mérite une mention spéciale dans le chapitre de la modélisation. Ce laboratoire, créé par la NOAA, fut doté dès la fin des années 1950, sous l'impulsion de son directeur Joseph Smagorinski, du premier super-calculateur existant au monde. Les premiers modèles de circulation générale atmosphérique furent élaborés dès le début des années 1960. En 1966, Kurk Bryan développa une version océanique du modèle, reprise par Michael Cox en 1984. George Philander et Ronald Pacanowski furent les premiers utilisateurs de ce modèle adapté aux régions tropicales. Le code du modèle du GFDL fut alors largement utilisé aux États-Unis et à travers le monde et il devint le modèle de référence des OGCM.

7 Le « code » d'un modèle est le programme informatique de base qui permet de faire exécuter par un ordinateur les opérations prévues par le modèle pour réaliser des simulations dans les conditions souhaitées. Lorsque l'on réalise une simulation, on dit, en « franglais », que l'on fait un « run »du modèle.

8 Cet échec dans l'observation du phénomène El Niño de 1982-1983 mérite explication. Il est imputable aux observations par satellite, en lesquelles on avait toute confiance jusque-là pour la mesure de la température de surface de l'océan. Les radiomètres n'indiquaient pas que la température de l'océan dans le Pacifique central s'élevait. Au contraire, ils indiquaient plutôt un refroidissement par rapport à la moyenne. Il fallut plusieurs mois d'interrogations et d’expectative avant que l'on comprenne que les radiomètres des satellites avaient bien fonctionné mais qu'ils avaient été perturbés par un énorme nuage de poussières, de gaz, et d'aérosols émis par l'explosion du volcan El Chichon au Mexique en mars 1982. C'est seulement en octobre 1982 qu'un navire océanographique, le Conrad, dépêché sur les lieux, confirma par des mesures in situ qu'un biais de plusieurs degrés centigrades s'était introduit dans les algorithmes de traitement du signal radiométrique qui ne prenait pas en compte ces perturbations de l'atmosphère.

9 Une thermistance est un capteur mesurant électroniquement la température, basé sur la propriété de certains alliages de présenter une résistance électrique très sensible à la température.

10 Un scatéromètre est un instrument radar qui permet d'estimer la vitesse du vent à partir de l'observation de l'écume produite par le vent, les vagues et des ondulations millimétriques de la surface de l'océan. Les marins savent depuis toujours que plus la mer est blanche et écumeuse, plus le vent est fort !

11 Dans les régions équatoriales, la précision de la mesure de la hauteur dynamique de l'océan requise pour le calcul du courant géostrophique est élevée, car un faible écart de celle-ci peut entacher le calcul du courant ; ce dernier dépend en effet de l'inverse de f, paramètre de Coriolis, qui devient très grand lorsque l'on approche de l'équateur. Néanmoins des validations rigoureuses des observations spatiales avec des observations in situ, associées à de nouvelles approches du calcul des courants près de l'équateur, proposées par le Français Joël Picaut, ont permis de ramener l'erreur sur les courants calculés à partir des observations de la topographie dynamique au niveau de l'erreur des courants observés in situ.

12 À moins que ce ne soit une illusion, liée aux nouveaux moyens d'observations, plus précis et plus détaillés, des dernières décennies.

Table des illustrations

Légende Enso, signal climatique le plus marqué de la planète, qui affecte les régions tropicales, a suscité l’organisation d’un grand programme international dédié à l’étude des interactions entre l’océan et l’atmosphère et à leur prévision.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 539k
Légende Figure 73. Simulations des courants de surface et du contenu thermique entre 0 et 400 m de profondeur à l’aide du modèle de circulation générale (OGCM) du GFDL, par Philander et Pacanowski (1986 b). Ce fut la première utilisation d’un OGCM pour simuler un océan tropical.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 402k
Légende Figure 74. Les réseaux d’observations océaniques Toga dans le Pacifique. Document PEML.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 411k
Légende Bouée équatoriale avec courantomètre à effet doppler sous la bouée dans le cadre du programme Toga (campagne Surtropac 15).
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 663k
Légende Figure 75. Section équatoriale moyenne de la température le long de l’équateur, pour le mois de juin, obtenue avec le réseau de bouées ancrées (TAO) entre le Pacifique occidental (nord de la Nouvelle-Guinée) et le Pacifique oriental (îles Galapagos). La pente est-ouest de la thermocline ainsi que le réservoir d’eaux chaudes (warm pool) du Pacifique ouest sont clairement marqués et leurs évolutions peuvent être suivies en temps réel. Document NOAA.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 430k
Légende Figure 76. Les bouées dérivantes de surface dans l’océan mondial (en service le 25 avril 2005 à titre d’exemple). Chacune de ces bouées peut être interrogée en temps réel sur le WEB pour recueillir les mesures de température et, pour certaines, de pression atmosphérique et de vent.C’est un réseau d’observation de l’océan pleinement opérationnel mis en place par la NOAA et issu du programme Toga. Document NOAA.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 429k
Légende Figure 77. Les lignes de navigation des navires de commerce équipées d’instruments permettant de pratiquer des sondages thermiques et des prélèvements d’eau sur l’océan mondial.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 412k
Légende Figure 78. Un autre exemple de produit mixte opérationnel issu de Toga : la température de surface de l’océan (pour le mois d’avril 2005) obtenue à partir d’observations spatiales et d’observations in situ utilisant les navires de commerce et les bouées, ancrées et dérivantes. Document du bureau météorologique australien pour le compte de « Integrated Global Ocean Service System – IGOSS » dépendant de l’OMM et la COI.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 382k
Légende Figure 79. Plan des opérations Toga-Coare. Les points noirs représentent des stations météorologiques équipées de radio-sondages. Les cercles sont des bouées Atlas mesurant la structure thermique de l’océan à l’équateur.Les traits noirs et les flèches indiquent le parcours des navires océanographiques. Les trois échelles spatiales d’observation sont également indiquées. Source OMM.
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/25565/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 505k

© IRD Éditions, 2006

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

Cette publication numérique est issue d’un traitement automatique par reconnaissance optique de caractères.
Rechercher dans OpenEdition Search

Vous allez être redirigé vers OpenEdition Search