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Chaos océanique – Impacts, structure, prévisibilité – OCCIPUT

Simulations du chaos océanique basse fréquence modulé par l'atmosphère.

En régime turbulent, la variabilité océanique à 1-10 ans est à la fois chaotique et contrainte par celle de l'atmophère. OCCIPUT vise à simuler ces effets simultanément, étudier ce chaos océanique, en déduire la contrainte effective de l'atmosphère sur l'océan, jusqu'aux échelles décennales.

Une transition nécessaire vers l'océanographie probabiliste

Une variabilité basse fréquence (1-10 ans) chaotique importante émerge spontanément de simulations océaniques turbulentes. Dans des zones clé pour le climat, ce “bruit” intrinsèque domine la variabilité directement forcée par l’atmosphère. OCCIPUT vise à étudier conjointement ces 2 composantes de la variabilité océanique, leurs structures et interactions, et à réévaluer la prévisibilité océanique en régime turbulent. Il s’agit de la première étude probabiliste de la variabilité océanique basse fréquence forcée par l’atmosphère. Nous évaluerons la contrainte effective de l’atmosphère sur l’océan global, les potentiels impacts de cette composante chaotique sur l’atmosphère, et contribuerons à une meilleure détection des signaux anthropiques et atmosphériques dans les observations océaniques. OCCIPUT anticipe donc l'analyse des futures projections climatiques utilisant des modèles océaniques turbulents, générateurs d'une variabilité chaotique absente des projections précédentes.

L'attribution par PRACE de 16 millions d'heures de calcul a permis de réaliser un ensemble de 50 simulations globales océan-banquise turbulentes (résolution 1/4°), initialement perturbées puis forcées sur 1960-2015 par la même évolution atmosphérique. Le modèle océanique NEMO a été modifié pour permettre (i) l'intégration simultanée des membres sur le supercalculateur CURIE, (ii) la génération de perturbations physiquement cohérentes, (iii) le suivi de l'ensemble en cours de production, (iv) la sauvegarde de nouveaux champs physiques et statistiques pour l'analyse en cours. Une fois la dispersion d'ensemble stabilisée, la variabilité forcée par l’atmosphère a été déduite de la moyenne des membres de l'ensemble, la variabilité chaotique de la dispersion inter-membre. Des techniques statistiques avancées permettent l'analyse probabiliste de la variabilité océanique, sa comparaison aux observations satellite et in-situ, et l'extraction de la structure spatiotemporelle des 2 composantes.

La simulation OCCIPUT ensembliste de l'océan global (50 membres, 1/4°, 1960-2015) révèle la structure spatio-temporelle complexe de la variabilité chaotique océanique basse fréquence, sa dominance vis-à-vis de la variabilité forcée dans les zones turbulentes, son empreinte marquée sur des indices climatiques océaniques majeurs, et le potentiel de l'approche probabiliste pour l'interprétation des observations. Des partenariats sont engagés en France et à l'étranger pour l'analyse de cette simulation pionnière.

e modèle numérique NEMO a été adapté pour les simulations ensemblistes. Trois simulations de ce type (2 régionales de 20 ans, 1 globale de 56 ans) ont été réalisées sur le supercalculateur CURIE et sont en cours d'analyse. Nos résultats actuels confirment la puissance de l'approche ensembliste en océanographie, qui ouvre de nouvelles perpectives pour la compréhension des processus dynamiques, l'étude de l'emprise de l'atmosphère sur le chaos océanique, et l'interpétation des observations.

6 papiers rang A (3 publiés, 3 soumis/en préparation), 4 talks invités + 31 communications + 2 newsletters
4 meetings scientifiques + 1 HDR largement consacrée à OCCIPUT + 1 thèse + 2 stages de Master 2R sur ce thème.
Vulgarisation : Musée de l'OSUG, site LGGE (http://lgge.osug.fr/article998.html)

Le projet OCCIPUT vise à séparer et caractériser, via un ensemble de simulations océaniques réalistes turbulentes, les composantes intrinsèque et forcée de la variabilité océanique globale à basse fréquence (1-10 ans). Cette composante intrinsèque auto-entretenue est bien trop faible dans les modèles océaniques dénués de tourbillons, en particulier dans les modèles océaniques laminaires utilisés aujourd'hui dans les systèmes de prévision climatique de classe IPCC. Pourtant, cette composante intrinsèque contribue de manière substantielle à la variabilité basse fréquence simulée par les modèles océaniques "eddy-permitting" qui sont actuellement implémentés dans la prochaine génération de systèmes opérationnels de prévision climatique.

Cette composante intrinsèque est mal connue dans l'océan global, malgré [i] le constat récent de son importante contribution à la variabilité océanique; [ii] son caractère chaotique (ce qui pourrait questionner notre interprétation de la variabilité océanique basse fréquence, largement basée sur des concepts déterministes); [iii] son interaction probable avec la variabilité forcée directement par l'atmosphère, sur laquelle la plupart des études se focalisent; et [iv] ses possibles impacts sur la variabilité atmosphérique et climatique dans la prochaine génération de modèles climatiques (avec océans turbulents). On connaît très mal en particulier la structure spatio-temporelle de la variabilité intrinsèque, son caractère chaotique, son empreinte précise sur l'océan de surface et de sub-surface (et sur les observations), et sa contribution à la variance des principaux indices climatiques océaniques.

Deux équipes de recherche (MEOM-LGGE et GLOBC-SUC CERFACS/CNRS) se proposent d'aborder ces questions. Nous proposons en premier lieu d'analyser 4 simulations globales turbulentes à 1/4° et 1/12° de résolution, puis d'étendre nos résultats en préparant, réalisant, et analysant une simulation d'ensemble innovante de 30/50 simulations océaniques globales de 50 ans à 1/4°. Cette expérience numérique et les analyses prévues seront les premières du genre, et constituent un défi. Elles sont pourtant obligatoires pour séparer de manière robuste les parts déterministe (forcée par l'atmosphère) et chaotique (intrinsèque) de la variabilité océanique basse fréquence, pour étudier leurs structures spatio-temporelles et possibles interactions. Nos résultats concernant l'empreinte de la composante intrinsèque sur la variabilité thermique de l'océan superficiel (et celle des flux air-mer) seront également importants pour anticiper et finalement interpréter les futures simulations couplées opérationnelles avec océans turbulents. Cette simulation d'ensemble et les statistiques associées seront mises à disposition de la communauté scientifique pour encourager des recherches en collaboration.

OCCIPUT s'attachera à populariser ses travaux avec le département Communication de l'OSUG, en lien avec les projets éducatifs institutionnels. Une présentation scientifique interactive de 30-45 minutes sera préparée sur la base de nos simulations; des animations présentant la dynamique océanique multi-échelles et sa part chaotique seront diffusées sur un dispositif de projection à 360° dans lequel nous proposons d'investir. Cette présentation sera installée dans l'espace muséographique de l'OSUG dédié à la communication scientifique. Elle sera également itinérante et sera proposée dans divers lieux de diffusion scientifique en France.

Coordinateur du projet

Monsieur Thierry PENDUFF (Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement) – Thierry.Penduff@legi.grenoble-inp.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SUC-CERFACS Sciences de l’Univers au Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique
MEOM-LGGE Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement

Aide de l'ANR 319 979 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2014 - 48 Mois

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