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Cet espace vous donnera les clefs pour comprendre les théories et développements de l’océanographie opérationnelle :

Des mathématiques pour décrire l'océan

Au cœur d’un système de prévision océanique se trouve un modèle mathématique décrivant l’océan dans ses trois dimensions (horizontalement et verticalement), ainsi que son évolution dans le temps (dimension temporelle ou quatrième dimension).

Un modèle est une description mathématique de phénomènes physiques. Dans le cas de l’océan, tout comme de l’atmosphère, le modèle mathématique décrit le mouvement des fluides (eau, air) à la surface de la terre, ainsi que les transports de chaleur (la température) et de matière (le sel) qui leurs sont associés.

Cela se traduit par des équations qui décrivent le courant, la température, la salinité en tout lieu de la zone modélisée et au cours du temps.

Equations

Pour résoudre ces équations complexes, les scientifiques « découpent » l’océan en des milliers de petites boites, appelées les mailles du modèle (voir la figure ci-contre). Chaque petite maille représentée à la surface de l’océan se situe en haut d’une pile de petite boîtes empilées les une sur les autres, depuis le fond de la mer, jusqu’à la surface. Par exemple, le modèle global d’océan utilisé à Mercator comporte 46 millions de petites boîtes (1 million sur le plan horizontal et 46 sur la verticale).

Pour que la simulation numérique de l’océan soit la plus réaliste possible, les modèles doivent recevoir des données indispensables : les conditions atmosphériques à la surface de la mer et les mesures qui sont faites par les satellites d’observation de la terre, mais aussi par des mesures faites à l’intérieur de l’océan. On appelle ces dernières les mesures in situ.

mathematiquesLégende : le « découpage » de l’océan dans le modèle océanique global Mercator, vu du pôle nord. Dans chacune des mailles sont calculées les variables océaniques température, salinité, vitesse horizontale, niveau de la mer. Les différentes couleurs représentent la taille (en Km) variable des mailles.

L'atmosphère est le moteur de l'océan

Les mouvements océaniques sont dûs à la rotation de notre planète et aux forces de gravité qui s’exercent entre la Terre, la Lune et le Soleil (les marées). Mais pas seulement. Cette mise en mouvement de l’océan est aussi liée à l’action de l’atmosphère à la surface des océans : en particulier les effets du soleil (il chauffe plus à l’équateur qu’aux pôles), de la pluie qui diminue la salinité de l’eau de mer, et de l’évaporation qui augmente la salinité. Pour les océanographes élaborant les modèles d’océan, ces phénomènes sont appelés forçages atmosphériques.

Leur connaissance est indispensable à une modélisation de l’océan. Ils nous sont fournis par… des modèles numériques de l’atmosphère, qui sont ceux utilisés par les météorologistes pour prévoir le temps.

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Copyright : Météo France / Michel Hontarrède

 

Les mesures satellitaires et in situ

Un modèle numérique reste théorique. Même si on l’alimente en lui donnant les conditions atmosphériques à la surface de l’océan, il ne suffit pas à simuler la réalité de l’océan à lui tout seul. Pour l’aider à coller à la réalité, on doit le contraindre avec de vraies mesures. Ces mesures nous sont fournies par les satellites d’observation de la Terre et par les bateaux océanographiques.

La prise en compte de ces mesures dans les modèles numériques est appelée assimilation de données.

Dans les systèmes Mercator, les données assimilées sont de deux types : satellitaires et in situ (mesurées en mer).

Les donnée satellitaires

  • Hauteur de la merCette donnée, appelée aussi hauteur dynamique, ou encore topographie dynamique, donne une indication précieuse sur les courants. Elle nous est fournie par les satellites altimétriques. Les systèmes Mercator utilisent les données altimétriques en provenance de 3 satellites : Envisat (Agence spatiale européenne), GFO (US Navy), Jason-1 (Nasa/Cnes).
  • Température de surface de la merD’autres satellites mesurent la température de surface de la mer. Ce sont essentiellement des satellites à capteur infrarouge de la NOAA (la météo américaine), mais aussi de l’Agence Spatiale Européenne (ESA).

Les données in situ

Les données in situ sont les mesures effectuées dans la mer, soit par des océanographes embarqués à bord des navires océanographiques, soit par des capteurs automatiques qui transmettent leurs mesures en temps réel, par satellite.

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Crédits illustrations : CNES/CNRS INSU

Un système de prévision temps réel

Les systèmes de prévision Mercator correspondent à un ensemble de logiciels informatiques complexes. Ces logiciels appartiennent à une véritable chaîne de production informatique partant de l’acquisition des données de forçages atmosphériques, des données de mesures satellitaires et in situ, de la « digestion » de ces données dans les modèles de simulation de l’océan, à la sortie et à la distribution des résultats « empaquetés » sous forme de cartes, de bulletins texte ou de fichiers numériques, vers nos utilisateurs.

La spécificité des systèmes Mercator est qu’ils sont opérationnels. C’est-à-dire qu’ils fonctionnent chaque semaine quoiqu’il arrive. En effet, certains de nos utilisateurs (qui sont aussi nos tutelles) ont des missions données par l’état de surveillance de pollution, de sécurité en mer, ou encore de prévision météorologique, pour lesquelles les systèmes Mercator sont utiles, voire indispensables.

A la sortie de ces systèmes, on obtient une description de l’océan dans ses trois dimensions en analyse et en prévision.

Le principe de la prévision numérique est de partir d’un état initial connu de l’état de l’océan, appelé analyse pour aboutir à une prévision de cet état dans le futur.

L’analyse

L’analyse correspond à l’état de l’océan calculé par le système Mercator s’appuyant sur :

  • Le modèle numérique
  • Les forçages atmosphériques
  • L’assimilation des données mesurées dont on dispose, pendant les 2 semaines précédant la date de l’analyse

La prévision

Elle décrit l’océan dans le futur. Elle s’appuie sur le modèle numérique océanique et sur les forçages prévus par les modèles de prévision numérique du temps.

Dans les systèmes Mercator, la prévision est de 2 semaines, à partir de la dernière analyse.