Réflexions prospectives sur la recherche en océanographie physique en Bretagne occidentale

mis en forme par F. Ardhuin, G. Charria, L. Marié, V. Thierry, J.L. Redelsperger, P. Klein

Correspondants pour les différents organismes : Ifremer : F. ArdhuinUBO : à déterminer

CNRS : J.L. RedelspergerSHOM : S. LouazelIRD : à déterminer

Météo-France : M.N. Bouin

I. Introduction: contexte, méthode et calendrierLe paysage de la recherche est lié à de multiples facteurs, dont des tendances lourdes de nos sociétés occidentales, en particulier une généralisation des évaluations, qui a abouti à un financement de plus en plus lié à des projets, et l’émergence d’une “culture de l’excellence” qui concentre des moyens sur un petit nombre de chercheurs ou de groupes. Ces tendances contribuent à une évolution du cadre européen et national, mais aussi à la politique des organismes de recherche. Un autre facteur important est la démographie des personnels contribuant à l'effort de recherche.

Cette évolution nous incite à repenser en profondeur les possibles objectifs et les moyens de cette recherche, et la manière dont elle relie la curiosité des individus et une émulation collective, à des réponses concrètes à des besoins socio-économiques ou des moyens moins intéressés. Dans ce contexte, l'émergence de campus scientifiques interdisciplinaires, dont celui des sciences marines à Brest, relayée par le département « mer et littoral » de la communauté d'universités et d'établissements Bretagne – Pays de la Loire, est de nature à renouveler les questions scientifiques, et à favoriser l’originalité et la pertinence de la recherche et l'intensité de ses retombées socio-économiques. Le périmètre couvert par le présent document s’étend donc de Lannion à Plouzané en passant par Brest. Pour faire plus court, “Bretagne occidentale” sera par la suite remplacé par “Brest”.

Pourquoi la physique ? Au-delà des questionnements propres à l’océanographie physique qui sont traités en détail dans ce document, la physique est une des disciplines des sciences de la mer et du littoral, contribuant aux autres disciplines océanographiques, et de manière plus large l'ensemble des géosciences, des sciences de l’ingénieur et des sciences humaines. L'océanographie physique fournit des connaissances, des concepts, des outils de modélisation et des méthodes d'observation et de suivi du milieu marin. L'océanographie physique n'est pas une discipline isolée et, en retour, de nombreuses questions sur la dynamique des écosystèmes et des populations, la morphodynamique côtière, la concentration ou dispersion d'espèces chimiques, l'exploitabilité des ressources énergétiques fossiles ou renouvelables … nourrissent la réflexion des physiciens. Plutôt que d'apparaître dépassée, la segmentation disciplinaire peut être la fondation solide sur laquelle une démarche scientifique plus large, pluridisciplinaire et transversale, peut s'appuyer. Les océanographes physiciens qui ont contribué à cette réflexion sont porteurs d'un éclairage particulier sur cet objet fascinant que constitue l'océan, et qui ne demande qu'à être croisé avec d'autres éclairages disciplinaires portant sur l'océan, ses interfaces, et au-delà.

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Peut-être plus délicate que la fracture disciplinaire, le morcellement des moyens dans plusieurs organismes de recherche peut être aussi bien une richesse, par la diversité des cultures, des expertises mises en œuvre, ou des coopérations internationales, qu'un frein, par une concurrence exacerbée dans un contexte de réduction générale des crédits de recherche. Cette concurrence se retrouve au sein même des laboratoires et des organismes, encouragée par le financement de la recherche sur projets. Ce mode de financement rend le présent exercice de prospective délicat. Ainsi, beaucoup d'avancées scientifiques seront le résultat d'opportunités associées aux succès et échecs à différents appels d'offres.

Ce morcellement de l’activité dans les différents organismes répond généralement à des besoins et missions spécifiques, et le respect de cette diversité est indispensable à toute collaboration. Certaines réalisations, comme cela a été le cas de la mise en place de l'océanographie opérationnelle et du programme Argo, ont montré combien la mise en commun des moyens pouvait aboutir à des réalisations scientifiques et techniques hors de portée des laboratoires ou organismes pris séparément.

Pourquoi Brest ? Dans le village global qu'est devenue la communauté scientifique, privilégier l'échelon local peut apparaître ridicule au premier abord. Toutefois c'est parce que la recherche scientifique se nourrit des relations entre personnes que cela a un sens, sans même parler du rôle croissant des collectivités locales, et des différentes initiatives d'excellence. Nous avons donc spécifiquement réfléchi à ce qui faisait l'originalité des moyens et compétences actuels de la place brestoise aujourd'hui, et de sa possible évolution dans les années à venir, dans le cadre d'une communauté mondiale où chacun a un réseau propre de par la politique de son organisme de rattachement et des relations particulières tissées par les uns et les autres. La région brestoise rassemble un grand nombre de spécialistes de la physique océanique, et des champs scientifiques voisins, qui, avec un animation appropriée au travers des structures actuelles (Ifremer, UBO, CNRS/INSU, SHOM, Météo-France, IRD, CEREMA, ENSTA-Bretagne, Telecom Bretagne ...) peut être un écosystème scientifique de premier plan. Un autre atout essentiel du site brestois réside dans l’existence d’une offre d’enseignement et de formation, au niveau Master et Doctorat, unique en France et entièrement consacrée à l’objet « Mer ».

Parmi les différentes spécialités de la « physique des océans », nous avons retenu 4 pôles principaux, qui ne sont ni exclusifs ni représentatifs de toute l'activité scientifique à la pointe bretonne :

océan et climats : de l'observation à l’analyse des mécanismes sous-jacents,

océan à très haute résolution,

océan côtier,

interface air-mer.

Ces pôles ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils se complètent en abordant des problématiques communes (le climat notamment) sous des angles différents. D'autres pôles auraient pu être constitués, autour de techniques de mesure, par exemple l'acoustique sous-marine.

Le descriptif des 4 pôles présentés ci-dessous synthétise les réflexions des chercheurs qui se sont mobilisés pour contribuer à cette prospective. Les chapitres II à V, présentent les contextes, enjeux, problématiques et positionnements des quatre pôles. Le chapitre VI esquisse quelques propositions et le chapitre VII liste les projets en cours impliquant des acteurs brestois. Ce texte a été amendé (et est en cours d’amendement) :

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diffusion pour amendements à l'ensemble des contributeurs et organismes de recherche (juillet 2014),

rédaction d'un document de synthèse de l'ensemble (aout 2014),

diffusion aux participants de la journée de prospective d’avril 2014 (le 19 septembre 2014).

NOUS SOMMES ICI. La version actuelle de ce document est donc encore provisoire. Elle est là pour vous informer de la démarche et vous inciter à vous positionner via le correspondant de votre organisme, les rédacteurs ou bien le responsable de votre unité de recherche, afin de préciser, amender ou corriger le présent document.

La suite:

Consultation du secteur privé pour échanger sur les besoins en recherche, opportunités, et débouchés des formations (septembre 2014).

Le document définitif sera proposé aux directions scientifiques des organismes concernés en octobre 2014, pour une finalisation en décembre 2014…

Pour l’Ifremer, ce document sera présenté au conseil scientifique de l’Institut, qui se tiendra à Brest les 8 et 9 janvier 2015.

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II. Océan et climats

II.1 ContexteLe pôle brestois s'est impliqué depuis plus de 20 ans dans les programmes d'observation in situ et satellite de l'océan dans la durée, à des échelles de temps pertinentes pour l'étude du climat et de son évolution. Il s'agit en tout premier lieu de la grande échelle océanique, avec des programmes qui ont défini la forme et le périmètre de certains laboratoires du pôle brestois (LPO et LOS) : le World Ocean Circulation Experiment (WOCE), puis CLIVAR, ARGO, et les programmes spatiaux dédiés à la mesure de la température de surface, des vents et des propriétés des glaces de mer, et des vagues. L'IRD a également contribué à ces réseaux d’observations globaux de par son implication dans l’initiation et la coordination de PIRATA et les mesures par des navires d'opportunité. Ces programmes sont complémentaires des efforts essentiellement portés sur d'autres techniques et d'autres variables océaniques : le niveau de la mer avec l'altimétrie à Toulouse (Brest travaillant sur l'altimétrie essentiellement pour le vent et les vagues), et la couleur de l'eau à Villefranche sur Mer (LOV) Wimereux (LOG), et dans une moindre mesure Bordeaux (EPOC) et Brest (Ifremer). La multiplication récente des observations in situ et satellite de l'océan permet d'envisager des contributions originales à l'étude intégrée des climats du système terre, d’autant plus que le site Brestois assure, pour la plupart d’entre elles, la collecte et la distribution à l’ensemble de la communauté via le SISMER, le centre de données CORIOLIS et le CERSAT.

En complément à cet effort d’observation et de distribution, le pôle brestois s’est également fortement impliqué dans DRAKKAR, un groupement de recherche international (GDRI) entre la France, l'Allemagne et le Royaume Uni, dont l’objectif à long terme est de développer et maintenir dans cette communauté un cadre de simulation numérique de l'océan global qui permette d'adresser les questions d'interactions d'échelles (processus, impacts et paramétrisations) pertinentes pour les études de prévision climatiques et les applications opérationnelles en collaboration avec MERCATOR-Océan. Par ailleurs, un effort particulier a été porté à Brest sur l'effet de l'océan et des interactions air-mer sur le long terme, utilisant des modèles numériques de complexités différentes, qui permettent de révéler l'instabilité de certains états climatiques (e.g. Arzel et al. 2008) et d'interpréter les projections climatiques réalistes.

En parallèle de cet effort sur l'océan global, l'importance croissante de la question du changement global conjugué à une forte pression anthropique locale, et son impact sur les écosystèmes côtiers a conduit à des travaux spécifiques en côtier, sur des échelles de temps climatiques. Ces travaux ainsi que les enjeux et objectifs scientifiques spécifiques à l’océan côtier sont détaillés dans la section IV de ce document.

II.2 Enjeux et objectifs scientifiquesL’océan joue un rôle de modérateur du changement climatique en absorbant une part significative du dioxyde de carbone (CO2) émis vers l’atmosphère par l’activité humaine. Toutefois l’absorption du CO2 n’est pas uniforme à l’échelle du globe à cause du rôle joué par la dynamique océanique (Perez et al, 2013). L’océan joue aussi un rôle de modérateur du changement climatique en absorbant une partie de l’excès de chaleur due à l’augmentation de l’effet de serre. Par ailleurs, la zone géographique actuellement la plus impactée par cet excès de chaleur est l'Océan Glacial Arctique et sa périphérie, et ces modifications brutales de l'environnement polaire auront un impact sur l'océan global.

Quantifier et comprendre la réponse de l’océan au forçage anthropique est une priorité des sciences du climat et cette dernière décennie a été marquée par un effort sans précédent pour développer et consolider les systèmes d’observation de l’océan. Les données du réseau Argo ont permis de réduire l’incertitude sur

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l’estimation du contenu thermique (e.g. von Schuckmann et al. 2011). Néanmoins, les données Argo échantillonnent les 2000 premiers mètres de la colonne d’eau ; il n’y a pas de mesures systématiques en dessous de cette profondeur alors que les observations éparses suggèrent une pénétration des anomalies de contenu thermique en profondeur. Finalement, les projections climatiques du GIEC suggèrent un ralentissement de la cellule méridienne de circulation (MOC, Meridional Overturning Cell), ce qui plaide pour la mise en place et le maintien de réseaux d’observation complémentaires (Argo, altimétrie, mesures satellites, mouillages et sections hydrographiques répétées dans des régions clés (GOSHIP) qui, au-delà de la surveillance des propriétés des masses d’eau, permettent de quantifier les variations intégrées de circulation (Mercier et al, 2014).

Quand on considère les projections climatiques des scénarios du GIEC, on constate une divergence régionale des projections issues des différents modèles du système Terre. En particulier dans l’atlantique Nord où l’on sait que les modèles d’océan ont une représentation des routes de transport d’eau chaude vers le nord qui varie très significativement d’une configuration à l’autre. Cela est dû à une mauvaise représentation de certains processus (interactions courant-topographie, mélange vertical, marée interne, flux) mais également d’une résolution encore trop basse dans les simulations actuelles (1/4° à 1/12°) pour résoudre les échelles dynamiques pertinentes. Ceci plaide pour une meilleure identification et représentation des processus dynamiques importants.

Dans ce contexte, les quatre objectifs principaux de cet axe sont de :

Diagnostiquer l’état de référence, la variabilité et les tendances de l'état de l'océan (circulation océanique, propriétés des masses d’eau, concentration en glace de mer ...) et leurs relations avec les forçages (naturels, anthropiques) (en lien avec le pôle “océan côtier”)

Améliorer notre compréhension des mécanismes de variabilité du système couplé océan-atmosphère (en lien avec le pôle “interface air-mer”)

Améliorer notre compréhension des processus et leur représentation dans les modèles d’océan (en lien avec le pôle “océan à très haute-résolution”)

Améliorer notre compréhension des processus impliqués dans le couplage physique-biogéochimie

D’une manière générale, pour mener à bien ces études nous contribuerons aux systèmes d'observation systématiques (Argo, SST, SSS, banquise, vents, vagues, flux, GOSHIP, mouillages PIRATA) en exploitant les données d'autres systèmes d'observation (altimétrie, couleur de l'eau, salinité, etc..) et en les complétant régionalement par des campagnes in situ pour l'étude de processus ciblés. Nous mènerons également des analyses jointes d'observations in situ et satellite, de simulations numériques réalistes et idéalisées, et de développement théoriques. Cette fusion de données pourra faire l'objet de généralisation au niveau régional comme c’est prévu en Atlantique Nord dans le cadre du projet Européen AtlantOS (H2020) ou au niveau global dans le cadre de projets comme cela a été le cas dans les projets « Pathfinders Ocean Acidification » et « Oceanflux GreenHouse Gases » financés par l’Agence Spatiale Européenne. Ces projets s'appuient sur la disponibilité de données satellites, in situ et sorties de modèles pour l'estimation de paramètres liés à l'acidification des océans (At, DIC) et gaz à effet de serre (flux air-mer de CO2) et leurs incertitudes. Ces projets reposent sur la capacité d'archivage de gros volumes de données et de retraitement de ces données.

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II. 3 Axes de recherche et méthodes d’approcheII.3.a Diagnostiquer l’état de référence, la variabilité et les tendances de l’état de l’océan et leurs relations avec les forçages (naturels, anthropiques)

Circulation océanique et propriétés des masses d’eau B. Blanke, A. Colin de Verdière, F. Gaillard, P. Lherminier, G. Maze, H. Mercier, M. Ollitrault, V. Thierry, A.M. Treguier

Depuis plus de 10 ans maintenant, le site brestois a fortement contribué à diagnostiquer l’état de référence et la variabilité de la circulation océanique et des propriétés des masses d’eaux. Ce travail a été mené en Atlantique Nord dans le cadre du projet OVIDE (cf Figure II.4; Mercier et al 2014, Thierry et al. 2008), en Atlantique équatorial dans le cadre des projets EGEE/AMMA et PIRATA (Bourles et al. 2008; Kolodziejczyk et al., 2009, 2014), en Atlantique Sud dans le cadre des projets GoodHope et SAMOC (Meinen et al. 2012) et à échelle globale avec l’analyse des contenus thermique et halin avec ISAS (von Schuckmann et al. 2009) et avec l’atlas ANDRO de courants à 1000m de profondeur grâce aux données Argo (Figure II.5, Ollitrault et al. 2013, Ollitrault and Colin de Verdière, 2014). Un tel diagnostic a également été mené dans le domaine côtier (chapitre IV). L’enjeu pour les 5 prochaines années est non seulement de maintenir les séries temporelles initiées (OVIDE, ARGO, PIRATA) et les indices et produits initiés (indice de MOC, ISAS, ANDRO) pour mettre en évidence les signaux basse-fréquence mais également de développer de nouveaux indicateurs pertinents (surveillance de l’océan profond, oxygène, thermocline). Les zones géographiques privilégiées sont l’Atlantique (subpolaire, subtropical et tropical) et l’océan global. Les études dans l’océan Austral se poursuivront dans le cadre du LMI ICEMASA et en collaboration avec l’ENS/LMD (S. Speich).

Figure II.4: Intensité de la branche supérieure de la cellule méridienne de circulation (uMOC) à travers la section OVIDE. (Points rouges) uMOC déduite des données hydrographiques OVIDE. (Courbe bleue) uMOC calculée à partir des données altimétriques. (Courbes noires) uMOC déduite de Altimetrie + Argo ou des données du World

Ocean Atlas.

Il s’agit maintenant de susciter des analyses jointes des bases de données “océan”, “atmosphère” et “cryosphère” et “hauturier – côtier” afin de poursuivre et compléter le diagnostic de l’état de référence et la variabilité océanique saisonnière à multi-décennale (circulation 3D, T, S, O2, vagues, banquise, flux air-mer, couleur de l’eau etc…) y compris les synthèses (contenu thermique, MOC, suivi lagrangien de masses d’eaux…), d’identifier les modes de variabilité océanique en lien avec les principaux forçages et modes de

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variabilité atmosphériques (NAO, ENSO, régimes de temps, etc...), et de bien comprendre le rôle de l’océan dans le système climatique terrestre et dans sa variabilité. Pour mener à bien ces analyses, la connaissance et la maîtrise des méthodes permettant de traiter une grande quantité et diversité des données parfois à faible rapport signal sur bruit est fondamentale. Il s’agira de mettre en œuvre des méthodes statistiques pertinentes (eof, analyse spectrale, …) et d’adopter les méthodes d'analyse issues de la discipline « fouille de données » (classification de données, reconnaissance de forme, etc ...).

Figure II.5: Circulation à 1000 mètres déduite de la dérive en profondeur des flotteurs Argo (ANDRO).

Hautes latitudes : glaces de mer, icebergs et interactions avec les moyennes latitudesF. Ardhuin, A. Bentamy, B. Chapron, F. Girard-Ardhuin, A. Mouche, A.M. Treguier, J. Tournadre

La zone géographique actuellement la plus impactée par le réchauffement global est l'Océan Glacial Arctique et sa périphérie: fonte de la calotte du Groenland, vêlage des icebergs, réduction de l'extension de la banquise arctique. Au-delà, ces modifications brutales de l'environnement polaire ont et auront un impact sur l'océan en général, et sur le gyre subpolaire de l'Atlantique Nord en particulier. Parmi les études en cours, on peut citer par exemple la quantification des flux d’eau douce associés aux icebergs, et leur impact sur la ventilation des masses d’eau, ou l’étude des rétroactions entre icebergs et glace de mer. Un exemple d'étude que l’on souhaite mener dans le futur concerne la compréhension des mécanismes de variabilité de la circulation et de formation des masses d'eau dans les zones marginales de glace, zones complexes particulièrement difficiles à observer et à représenter dans les modèles. Sur le site brestois, le LOS travaille depuis plusieurs années sur deux composantes particulières des régions polaires : les glaces de mer et les icebergs, en exploitant les données satellites pour la création de bases de données longues, continues, homogènes (disponibles au centre d'archivages Ifremer/CERSAT). Ce travail de création de bases de données se poursuivra dans les années à venir et pourrait rentrer dans le cadre de l'Observatoire Arctique mis en place par l'INSU à Plouzané. Actuellement, un effort est mené dans le cadre du projet européen SWARP pour constituer une nouvelle base de données de houle issue de modèle dans l'Océan Arctique, avec un accent particulier sur la zone marginale de glace. De même, une méthode originale de quantification des courants moyens de surface a été développée pour l'Arctique (projet CNES ACUR et plus globalement projet de l'Agence Spatiale Européenne GlobCurrent) et le LOS a un projet avec Météo-France à Lannion d'améliorer les données de température de surface de la mer en Arctique (projet en partenariat renforcé avec Mercator-Océan, à mettre en place).

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Il est en effet primordial d'obtenir des séries temporelles longues pour la mise en place d' “' indicateurs” pertinents tels que l’étendue de la banquise (projet Climate Change Initiative-Sea Ice, de l’Agence Spatiale Européenne), la quantité de banquise épaisse, la quantité d'eau douce disponible à la fonte des icebergs par exemple (projet CNES Altiberg), ou encore la vitesse de déplacement de la banquise. Le suivi de ces indicateurs permettra une meilleure connaissance des mécanismes et impacts. L’augmentation de la vitesse de déplacement de la banquise pour une même vitesse du vent met en évidence l'amincissement de la glace au cours des 20 dernières années. La longueur des séries est par ailleurs primordiale, par exemple pour l'étude des icebergs car ils ont un caractère sporadique lié à la génération chaotique d'icebergs géants qui peuvent contenir à eux seuls l'équivalent d'une année de précipitation globale. Cette évolution des propriétés de la banquise et les besoins de prévision météo-océanique en Arctique ne peuvent plus se contenter des approches simplistes utilisées par exemple dans la modélisation des vagues. De même, la rhéologie de la banquise en zone marginale de glace demande un traitement particulier. Le pôle brestois, y compris dans le secteur privé (CLS et OceandataLab) possède une expertise en télédétection, depuis la grande échelle jusqu’à la très haute résolution, et en modélisation numérique des vagues et de la circulation océanique, qui peuvent compléter idéalement des travaux à la mer réalisés en partenariat par des collègues internationaux. L'extension de la modélisation des états de mer à l'ensemble de l'Arctique pourra aussi permettre d'évaluer la capacité des réseaux de sismographe récemment installés autour du Groenland à détecter des sources de bruit associées à la diffusion des vagues dans la zone marginale de glace.

II.3.b Analyse de la variabilité du système couplé océan-atmosphère

T. Huck, O. Arzel, A. Colin de Verdière

A partir des observations, notamment de SST, différents modes de variabilité ont été décrits dans l'océan Atlantique Nord, notamment l'Atlantic Multidecadal Oscillation/Variability (AMO/AMV) avec une période de 50 à 70 ans (e.g. Knight et al. 2005), mais des analyses plus récentes suggèrent des périodes plus courtes (20-30 ans) dans l'Atlantique (Frankcombe et Dijkstra 2009, Chylek et al. 2011) et plus longues dans l'Arctique (Frankcombe et al. 2010, 2011). Par ailleurs, l'évolution de la MOC à travers la section Ovide (40-60°N) depuis 1992 (Mercier et al. 2014) montre une forte variabilité interannuelle et quasi-décennale alors que la réanalyse de l'ECMWF ORAS4 depuis 1958 semble produire à 50°N une variabilité de plus basse fréquence et moins régulière. La période et la structure de ces variations basse-fréquence dans l'Atlantique ne sont donc pas claires, et restent perturbées par la superposition du signal de réchauffement climatique. Plusieurs types de mécanismes bien distincts peuvent être responsables de la variabilité océanique. D’une part, la variabilité forcée par l'atmosphère comme l'oscillation nord-atlantique (NAO), qui est le mode de variabilité principal de la pression atmosphérique au niveau de la mer, et qui présente principalement une variabilité interannuelle mais aussi une variabilité basse fréquence très marquée (Osborn 2006 par exemple), qui pourrait être en avance de phase d'environ 15-20 ans sur l'AMO (Li et al. 2013). D’autre part, la variabilité interne de la circulation forcée par le vent à grand nombre de Reynolds, qui génère des périodes plutôt interannuelles (e.g. Hazeleger et Drijfhout 2000, Penduff et al. 2011) et la variabilité interne de la circulation "thermique" qui apparaît même à faible Reynolds sur des périodes de 20 à 30 ans et sur laquelle le site Brestois a beaucoup travaillé depuis 15 ans. Enfin, la variabilité couplée à échelle saisonnière à décennale. Néanmoins, les modèles couplés peinent à reproduire les caractéristiques de la variabilité observée, et leur analyse ne permet pas d'en identifier les mécanismes fondamentaux (Hodson et Sutton CD 2012 par exemple). En interprétant des résultats de modèles couplés réalistes avec des études plus ou moins idéalisées, on peut s'attendre à des progrès (Tulloch et Marshall 2012).

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Dans les 5 prochaines années, nous souhaitons explorer la variabilité basse fréquence océanique en terme de variabilité interne, forcée et couplée. Nous poursuivrons d’abord l’étude des mécanismes de variabilité océanique interne (projet TI AMMO), et forcée (projets OVIDE et DRAKKAR). Nous souhaitons également développer des configurations couplées océan-atmosphère simplifiées pour les études de processus. Il convient pour cela d’attirer des compétences en dynamique atmosphérique.

II.3.c Améliorer notre compréhension des processus et leur représentation dans les modèles d’océanInteractions courant-topographieB. Ferron, N. Daniault, P. Lherminier, H. Mercier, C. Talandier, V. Thierry, A.M. Treguier

Les structures topographiques telles que les bassins et les rides océaniques ont une influence majeure sur la circulation océanique. Une conséquence classique de la présence des continents est l’existence des courants de bords ouest alors que les rides océaniques sont connues pour bloquer la propagation des masses d’eaux profondes. A plus petites échelles, monts sous-marins, zones de fractures, seuils et rugosité du fond affectent la circulation et les masses d’eaux profondes à travers divers mécanismes dynamiques incluant le forçage de la vitesse verticale et du mélange turbulent vertical. Etudier les processus dynamiques pertinents impliqués dans les interactions entre une bathymétrie complexe et un système compliqué de courants forcés par le vent, les flux de flottabilité, le mélange, la marée et les tourbillons, tels que ceux observés en Atlantique Nord est un réel challenge aussi bien en termes d’observations que de modélisation car les processus ont lieu sur une large gamme d’échelles spatio-temporelles.

Figure II.1: Schéma de circulation en Atlantique Nord.

Cette thématique sera abordée dans le cadre du projet RREX (Reykjanes Ridge Experiment) dans lequel nous étudierons en détail les interactions entre les courants océaniques et la ride de Reykjanes, une structure topographique majeure de l’Océan Atlantique Nord (Figure II.1). Les trois objectifs du projet sont de :

documenter la circulation autour et au-dessus de la dorsale et identifier les processus dynamiques contrôlant la connexion entre les deux côtés de la dorsale

quantifier et comprendre la transformation des masses d'eau près de la dorsale

déterminer les paramètres clés des modèles de circulation générale permettant une représentation adéquate de la circulation et des transformations de masse d'eau près de la dorsale et fournir des recommandations pour l'amélioration de la composante océanique de la prochaine génération de modèle de climat.

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Pour atteindre ces objectifs, nous combinerons un jeu de données nouveau et ambitieux (Figure II.2) et des sorties de modèles réalistes avec des expériences en laboratoire et des simulations idéalisées (collaboration avec le LEGI). Le volet modélisation réaliste s'appuiera sur les simulations existantes ou programmées à court terme (modèle ORCA12) mais aussi sur le développement de configurations haute résolution communautaires de nouvelle génération, en collaboration avec le LGGE et en synergie avec MERCATOR-Ocean. La résolution visée est le 1/36° degré.

Figure II.2: Schéma de l’expérience RREX. (Points rouges) Position des stations CTD-O2/ADCP. Un profil VMP sera réalisé une station sur deux. (Points noirs) Position des mouillages courantométriques. (Points jaunes) Position des

lâchers de flotteurs Argo par un système automatique de larguage de flotteurs (ASFAR).

RREX est la contribution française au projet international OSNAP (US, UK, Canada, Pays-Bas, Allemagne, France, http://www.o-snap.org/ ), il est une des contributions au projet Européen AtlantOS et il contribuera au programme international Argo et à l’Equipex NAOS pour le déploiement de flotteurs profileurs.

Processus de mélange dans l’océanB. Ferron, H. Mercier

Le mélange diapycnal, la dissipation d'énergie cinétique et de traceurs sont des paramètres clés qui contribuent à la définition de la stratification des océans et à leur équilibre énergétique. A ce titre, et du fait d'une méconnaissance de la distribution spatio-temporelle de ces paramètres et des processus générateurs, l'état moyen mais aussi dans une certaine mesure la variabilité des modèles de circulation générale sont sensibles à la représentation de ces phénomènes non résolus car de très petite échelle.

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Figure II.3: Estimation du taux de dissipation d’énergie cinétique turbulente (log10, unité : W/kg) le long de la section Ovide en 2008 Ovide. Le taux de dissipation est plus fort au-dessus de la ride de Reykjanes.

Au cours des 5 prochaines années, nous souhaitons étudier les processus physiques conduisant à la dissipation d'énergie et au mélange (interactions océan-atmosphère, interactions courants-topographie, fronts, tourbillons …), quantifier l’hétérogénéité spatiale et temporelle du mélange (qui nécessite de nouvelles approches expérimentales) et déterminer son impact sur la circulation et le mélange des masses d’eau et évaluer sa représentation dans les modèles en testant différentes paramétrisations existantes ou en développant/améliorant de nouvelles paramétrisations.

Pour cela, nous mènerons des études de processus à partir d'observations basées sur la micro- et la finestructure océanique (du cm à la dizaine de mètres). Le LPO maîtrise déjà l’acquisition de telles mesures à partir d’instruments de microstructure (VMP) qui sont déployés depuis un navire et qui fournissent des profils instantanés. Mais de nouvelles approches expérimentales sont nécessaires pour avoir accès à la variabilité temporelle sur des périodes plus longues des termes de mélange diapycnal et de dissipation d’énergie et quantifier notamment l'injection d'énergie, sa dissipation et sa propagation en profondeur lors d’évènements forts tel que les tempêtes. Depuis peu, des solutions apparaissent permettant de quantifier la dissipation/mélange dans le temps : mesures de microstructure sur glider, sur mouillage profilant, sur Provor. Un des enjeux pour les 5 prochaines années est d'acquérir et de maîtriser ces nouvelles techniques pour répondre à nos objectifs.Ces processus seront étudiés dans un premier temps en Atlantique Nord (projet RREX) et en Méditerranée occidentale. La variété des processus générateurs de turbulence (forçage atmosphérique, marée, ondes internes, interactions courant-topographie, tourbillons...) peut permettre de trouver de nombreux sites d’intérêt et de justifier un investissement en moyens de mesures qui pourront être largement exploités.

Ventilation des océans et évolution de la stratificationO. Aumont, B. Blanke, G. Maze, H. Mercier, V. Thierry, A. Piron, C. Feucher

Les observations montrent une tendance climatique au réchauffement des couches de surface et des couches profondes de l'océan et les projections climatiques montrent que ces tendances se renforceront à l’avenir sous l’effet de la constante augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 d’origine anthropique. Le cycle global du carbone s’en trouvera profondément altéré (à cause des changements induits dans les flux air-mer, la solubilité, le mélange vertical) et avec lui le climat terrestre. Ces évolutions climatiques, passées et à venir, de la structure de l'océan traduisent une évolution de la stratification océanique et du processus de ventilation des masses d’eau. En effet, les signaux climatiques pénètrent dans l'océan à la faveur du processus de ventilation des masses d’eau. La ventilation est l’ensemble des mécanismes par lesquels l’information d’une interaction avec l'atmosphère est intégrée dans l'océan. Elle résulte d’un équilibre entre subduction d’une masse d’eau après formation dans la couche de mélange, circulation, mélange et ré-

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émergence. La variabilité du climat est en grande partie contrôlée par les échelles de temps liées à ce cycle. La dynamique grande échelle de l'océan fait que les signaux climatiques pénètrent lentement l'océan profond par les hautes latitudes et ne peuvent en re-émerger qu'après un laps de temps relativement long (>>20 ans). Par contre, les signaux climatiques pénètrent, circulent et re-émergent plus rapidement aux basses et moyennes latitudes (1-20 ans). Dans la gyre subtropicale, une zone de forte stratification appelée thermocline principale, délimite les masses d’eau de surface ventilées rapidement et localement et les masses d’eau profondes ventilées lentement et aux hautes latitudes. Elle pourrait donc participer au contrôle de la re-émergence des signaux climatiques profonds vers la surface. Il est donc nécessaire de mieux documenter et de comprendre les processus fondamentaux qui contrôlent la variabilité de ces éléments. Notre objectif pour les cinq années à venir est de mieux comprendre les mécanismes de formation de la couche de mélange par laquelle les signaux climatiques pénètrent l’océan intérieur, proposer de nouveaux diagnostics pour le suivi de la ventilation et de la stratification interne (thermocline) et la compréhension des transformations des masses d'eau participant à la ventilation de l'océan intérieur et la compréhension des équilibres dynamiques sous-jacent

Pour mener à bien ces études, nous nous appuierons sur les bases de données existantes et tout particulièrement sur l’incroyable jeu de données du réseau Argo. Il conviendra néanmoins de faire évoluer les systèmes d’observation vers la surveillance de l’océan profond et vers une mesure systématique de l’oxygène afin de mieux suivre les chemins de ventilation. Ces processus seront étudiés dans un premier temps en Atlantique Nord dans le cadre des projets NAOS (Equipex), E-AIMS (FP7) et AtlantOS (H2020). A plus long-terme, l’étude de la compréhension des équilibres dynamiques contrôlant la thermocline principale concernera les gyres subtropicales de l’océan global.

Les simulations numériques de l'océan global permettent une description honorable de l'organisation spatio-temporelle des traceurs physiques (température et salinité) ou géochimiques (carbone) caractérisant les masses d'eau. La description que l'on peut tirer de leur capture ou de leur restitution par l'océan intérieur fournit ainsi des indications précieuses sur le rôle de l'océan dans la stabilité et l'évolution de la circulation océanique aux échelles saisonnières, interannuelles et décennales. Le mélange turbulent et les courants océaniques jouent par ailleurs un rôle essentiel sur le devenir, par advection et diffusion, de ces traceurs. La quantification des deux processus, précieuse pour la compréhension fine du cycle de nombreux composés biogéochimiques, reste imprécise parce qu'il est compliqué de déconvoluer leurs effets respectifs dans un cadre simplement eulérien. En association étroite avec Keith Rodgers (GFDL, Princeton), Olivier Aumont (LPO et LOCEAN) et Daniele Iudicone (SZN, Naples), nous proposons d'unir une description eulérienne et une description lagrangienne de ces traceurs. Le diagnostic des termes de tendance d'un traceur océanique (et plus particulièrement les effets respectifs du mélange vertical et du mélange horizontal) le long de trajectoires effectivement suivies par des masses d'eau définit un cadre d'étude prometteur pour l'analyse de la circulation méridionale de renversement associée aux cellules subtropicales. Les constantes de temps advectives associées à ces cellules sont en effet compatibles avec la description explicite de la circulation par des flotteurs numériques, pour des simulations numériques plutôt bien ajustées au forçage de surface.

II.3.d Couplage physique-biogéochimie

B. Blanke, B. Chapron, F. Girard-Ardhuin, P. Lherminier, H. Mercier, Y. Quilfen , N. Reul

Dans les cinq prochaines années, nous poursuivrons les collaborations avec des biogéochimistes (F. Perez, IIM Vigo, LEMAR, etc..) afin d’étudier l’impact de la dynamique océanique sur le cycle du carbone et des

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éléments traces (paléoclimats) (campagnes OVIDE, projets GEOVIDE, BOCATS) et de progresser dans notre compréhension du stockage du carbone anthropique dans l’Atlantique Nord. Nous continuerons également notre collaboration avec Keith Rodgers (GFDL, Princeton), Olivier Aumont (LPO et LOCEAN) et Daniele Iudicone (SZN, Naples) pour étudier le rôle du mélange turbulent et des courants sur le devenir, par advection et diffusion, des traceurs physiques et biogéochimiques (carbone). La quantification de ces deux processus est en effet précieuse pour la compréhension fine du cycle de nombreux composés biogéochimiques.L’acidification des océans (projet Agence Spatiale Européenne Pathfinders Ocean Acidification) est une préoccupation majeure actuelle puisqu’elle menace directement la biodiversité marine. Le retrait de la banquise en Arctique ces dernières années tend à accélérer les échanges air-mer et notamment les échanges de CO2 (projet Agence Spatiale Européenne OceanFlux Greenhouse Gases), ce qui rend ce bassin particulièrement vulnérable. Il y a réel enjeu à la quantification de l’acidification des océans qui regroupe à la fois les composantes physique et chimie, impliquant également la biologie. C'est un exemple d'étude pertinente et interdisciplinaire difficile mais rendue sans doute possible par les progrès accomplis jusqu’ici dans les mesures aussi bien que dans la modélisation du milieu marin. Des projets récents ou en cours montrent la faisabilité d'estimations plus fines de ces paramètres en utilisant conjointement des mesures (satellites, in situ) et les sorties de modèles (projets Pathfinders Ocean Acidification et OceanFlux Greenhouse Gases), ces résultats doivent servir la communauté recherche et donnent un aperçu des nombreuses possibilités de combinaisons de données multi-capteurs mais également satellites-in situ-modèles.

II.4 Forces/faiblesses – opportunités/risques

Une force du site Brestois est son expertise sur la donnée in situ et satellitale utilisée pour ses analyses scientifiques. Il contribue significativement au développement, pérennisation et gestion de certains systèmes d'observation systématiques (Argo, SST, SSS, bouées fixes de type PIRATA, banquise, vent, icebergs, flux, ...) et il maîtrise l’acquisition de données in situ (T, S, O2, courant, dissipation) lors de campagnes océanographiques qui requiert une très grande technicité pour fournir des données dont la qualité satisfait aux standards internationaux. Cette capacité à mener des campagnes d’observation dans différents domaines simultanément est une des forces majeures du site Brestois. Elle repose sur plusieurs groupes techniques présents sur le site Brestois (DT INSU, US IMAGO de l’IRD, groupe techniqe TOIS du LPO) dont les compétences en mesures à la mer doivent être maintenues et consolidées et sur des équipes scientifiques capables de proposer et de mener de nouvelles expériences en mer.

Une autre expertise originale et reconnue est l’interprétation de mesures de télédétection spatiale, en particulier dans le domaine micro-onde au LOS, et en optique au CMS-Lannion. Cette capacité est déterminante pour affiner la précision et la continuité des séries entre différents capteurs, qui sont utiles pour répondre à des questions liées à la détection du changement global (indicateurs de qualité) aussi bien qu'à la connaissance des mécanismes et impacts (circulation océanique, échanges air-mer, étude de processus, etc…). Toutefois, la production des données spatiales a d’abord été tirée par les besoins du temps réel, et c’est encore largement le cas. Cette production, tout comme le retraitement systématique (comme c’est le cas actuellement avec les missions ERS) demande une organisation dédiée et d’importants moyens de stockage et traitements. Le positionnement de cette organisation et de ces moyens est un enjeu important. Intégrés aux laboratoires de recherche, ces moyens peuvent contribuer à transformer un idée en démonstration qui peut être un nouveau produit (par exemple la glace de mer issue des diffusiomètres ou bien les vents forts dérivés de la mission SMOS). S’ils sont trop éloignés, il y a un risque d’obsolescence, comme c’est le cas actuellement de la partie “CPDC” du Centre Aval de Traitement des Données SMOS, dont il semble qu’il n’y ait aucun utilisateur.

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L’expertise unique du site Brestois sur ces différents jeux de données lui donne l’opportunité unique de développer et pérenniser des jeux de données combinant des mesures in situ et satellite et de constituer des séries temporelles homogènes incluant des données d’origine diverses (eg Argo + ARVOR-C + PIRATA + Recopesca + CERSAT). Cela permettrait en outre de créer une synergie hauturier–côtier en instrumentation (profileurs, transmission temps réel) qui fait actuellement défaut. Une des difficultés concerne l’accès à ces données qui n’est pas centralisé. Le temps dédié à la récupération des données se fait au détriment des analyses scientifiques. La création du pôle de données océan est un opportunité à saisir pour augmenter la visibilité et l’accès aux données, via un ou plusieurs centres d’expertises (voir propositions au chapitre VI). Par ailleurs, les bases de données marines, alimentées par les mesures satellites et instruments autonomes comme les flotteurs du réseau Argo, sont de plus en plus grandes (plusieurs dizaines de gigaoctets et teraoctets) et changent d’heure en heure. Cette augmentation spectaculaire de la dimension et de la complexité des données engendre un risque de difficulté d'exploitation avec les outils standards. Or l’analyse de ces très grandes bases de données offre l'opportunité de réaliser de nouvelles découvertes scientifiques sur la dynamique des océans à grande et petite échelles, et de détecter/attribuer les changements climatiques régionaux et globaux. Nous avons initié une stratégie innovante basée sur l'usage des méthodes "d'intelligence artificielle" ou de "fouille de données" issues des technologies de l'information et de la télécommunication (TIC) et qui sont adaptées au problème. Dans les années à venir, nous continuerons donc d'oeuvrer pour lever ces verrous et améliorer notre compréhension du système couplé océan-atmosphère en collaborant avec les chercheurs d'autres disciplines (mathématiques, informatiques) et en développant de nouvelles méthodes statistiques d'analyse adaptées aux très grandes bases de données in-situ et satellites. Notre proximité avec le centre Coriolis et le CERSAT constituera un atout majeur dans cette perspective.Le risque principal dans l’observation de la variabilité climatique concerne l’arrêt des séries temporelles existantes et surtout des produits à forte valeur ajoutée scientifique qui en sont issus (analyses ISAS, Atlas ANDRO sur les trajectoires, base de données flux au CERSAT) par manque de moyens dont les moyens humains (départ en retraite et changement d’activité des personnels portants ces projets). Ce risque doit être mis en regard de l’opportunité de développer de nouveaux produits ou des séries temporelles longues pour de nouvelles variables dans le domaine (oxygène, toutes variables dans l’océan profond, couche de mélange, dissipation) dont on maîtrise la technique d’acquisition, pour lesquelles nous avons une reconnaissance internationale et qui sont fondamentales pour nos études.

Un des enjeux pour les équipes de recherche impliquées dans ces activités est de trouver le point d’équilibre entre les efforts consentis pour générer des jeux de données et produits pour toute la communauté scientifique, et leur exploitation. Il s’agit aussi de garder la motivation des personnels impliqués dans la durée. Ces deux aspects sont communs à toutes les activités de service et sera développé au paragraphe VI (propositions).

En terme de modélisation numérique, une des forces du site Brestois réside dans son implication dans le GDRI Drakkar ce qui lui permet de contribuer au développement des simulations communautaires globales et de participer aux choix stratégiques associés. Un des objectifs est de réaliser et/ou de contribuer à des simulations numériques longues (global 1/12°; régional 1/36°) remis à jour tous les 2 ans, ce qui soulève un problème lié à la continuité et à l’homogénéité des forçages. Le travail nécessaire sur les forçages sera donc l’opportunité de renforcer encore en peu plus les collaborations entre le LOS et le LPO. Par ailleurs, le développement de configurations haute résolution communautaires de nouvelle génération (1/36° degré) bénéficiera au projet RREX et sera aussi une opportunité pour d'autres projets scientifiques du site brestois, en cours ou en gestation, de se fédérer autour de ces configurations “haute résolution”. Dans le domaine de la modélisation réaliste une autre opportunité du site Brestois est de s’orienter vers la modélisation couplée (validation des modèles d’océan utilisés pour les scénarios du GIEC) ou en "couplé guidé", une nouvelle méthode de forçage de l'océan par l'atmosphère qui permettrait de représenter les flux air-mer de manière plus réaliste qu'actuellement. Ce volet s'inscrirait dans un contexte national en contribuant à la mise au point de la composante océanique commune aux deux modèles couplés de l'IPSL et du CNRM-Cerfacs dans le

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cadre du projet MISSTERRE (modèles du système terre) auquel DRAKKAR participe avec la réalisation de simulations numériques du global ORCA 1/4°. Dans cette perspective, l'expertise du LPO sur la variabilité inter-annuelle dans l'Atlantique Nord pourrait permettre d'initier, de renforcer des interactions scientifiques entre le LPO et le CNRM-Cerfacs et l'IPSL; par exemple dans le cadre de l'évaluation du climat passé dans l'Atlantique Nord simulé en couplé. Au delà de DRAKKAR, la force du site Brestois réside dans sa maîtrise des outils d’analyse des sorties de modèles tels que l’outil Lagrangien ARIANE (développé au LPO) et la boite à outils ROMSTOOLS.

III. océan à très haute résolution (OTHR)Contributeurs: P. Klein, S. Le Gentil, C. Menesguen, R. Schopp, A. Ponte, X. Carton, G. Roullet, P. Penven, S. Herbette

III.1 ContexteDepuis 10 ans notre vision de la circulation océanique a profondément changé. Les simulations numériques récentes ont clairement mis en évidence l'impact des fines échelles (1-10km) sur les très grandes échelles (≥6000km). Le projet OTHR, à l'aide des simulations réalisées sur le Earth Simulator (MOU Ifremer-Jamstec), a été l’un des deux-trois leaders internationaux dans ces avancées (Klein et al., 2008; Hua et al., 2013; Sasaki et al., 2014). Par ailleurs, des progrès sont en cours dans l'analyse de données haute résolution et leur interprétation, qu'il s’agisse de sismique pour la colonne d'eau (projet ANR SIMILA), ou d'analyse conjointe d'imagerie satellite multi-capteurs (SAR, température, couleur de l'eau et glitter). Ce dernier point rejoint la modélisation numérique dans le cadre de la mission spatiale SWOT (NASA – CNES – CSA) dont le lancement en 2019 va demander des développements méthodologiques important, qui permettront de valider les résultats de la modélisation numérique et certainement découvrir de nouveaux phénomènes. Pour la sismique, les campagnes prévues avec Total dans le canal du Mozambique offrent des perspectives très intéressantes et complémentaires des études avec des moyens océanographiques plus classiques sur le débouché du Golfe Persique (SHOM-LPO).

Les années qui viennent sont donc placées sous le signe de la convergence entre observations et modélisation numérique. Le pôle brestois s'y distingue par des simulations et aussi méthodes d'observations à la limite de la résolution possible et un cadre théorique pour l'analyse conjointe des toutes ces données.

Le volet “simulation numérique” du projet OTHR va évoluer dès 2014 en utilisant les machines européennes du consortium PRACE qui sont devenues parmi les plus puissantes du monde. Le volet observation se fera dans un cadre national (Brest, Paris et Toulouse) et dans un cadre international (France-US-Japon) et nécessitera des innovations méthodologiques. La réflexion actuellement en cours au niveau national devrait se concrétiser en 2015 par des projets nationaux et une participation à un grand projet international à l’horizon 2021. Le LPO et le LOS pourraient affirmer leur leadership en ce qui concerne le développement de méthodologies expérimentales originales. La participation du SHOM et de l’équipe technique du LPO est un élément important pour le succès de ce type d’expérimentation. Enfin, l'implication de la physique à petite échelle sur la biogéochimie fait l'objet de travaux en partenariat entre Paris et Brest.

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III.2. Enjeux et objectifs scientifiquesLes petites échelles (appelées aussi sous-mésoéchelles), qui résultent de divers types d’instabilités, expliquent la moitié du champ de vitesse verticale dans les océans et elles constituent par ailleurs, pour la majorité d’entre elles, une source d’énergie cinétique, une part importante de cette énergie cinétique étant ensuite transférée vers les grandes échelles à travers les interactions nonlinéaires, l’autre partie étant dissipée en chaleur (Klein et Lapeyre 2009). Les conséquences sont bien sûr importantes sur la circulation océanique de grande échelle (effet de diffusion à contre-gradient), et remettent en question certaines idées sur la compréhension du cycle énergétique global. Ces petites échelles ont par ailleurs un impact important sur la dispersion 3D de traceurs (ou polluants). Ce qui explique les études de très haute résolution lancées ces deux dernières années par BP pour estimer, à l’aide de simulations numériques de très haute résolution, l’effets de ces petites échelles sur la dispersion de polluants (pétrole) dans le Golfe du Mexique. Les conséquences sur les interactions physiques-biologiques et en particulier sur la biodiversité phytoplanctonique ainsi que sur les niveaux trophiques supérieures (par exemple les poissons et éléphants de mer) commencent seulement à être quantifiées.

Les résultats de ces deux dernières années de la communauté internationale ont clairement mis en évidence une forte variabilité régionale et saisonnière de ces petites échelles et des interactions nonlinéaires associées, un type d’instabilités dominant dans une région ou à une saison plutôt qu’une autre. Cette variété de régimes d’interactions est encore mal cernée et ce sont certaines des questions scientifiques associées (détaillées ci-après) que notre projet veut examiner dans les cinq prochaines années. Au-delà de la diversité des sujets, l'unité du projet est la méthodologie d’approche : analyser le maximum de données possibles à l'aide de méthodes de Dynamique des Fluides Géophysiques qui ont largement montré leur puissance.

L'approche originale est d'analyser de grands jeux de données, soit existants soit originaux (nouvelles simulations, nouvelles observations satellites), à l'aide de méthodes de Dynamique des Fluides. L'avenir concerne non seulement la poursuite de ces simulations numériques OTHR mais également l'observation de ces mécanismes d'interactions. Les avancées mentionnées ci-dessous ont été un des arguments majeurs pour le développement de la mission satellite SWOT qui pourra faire progresser encore plus nos connaissances sur local peut apparaître ridicule au premier abord. Toutefois c'est parce que la recherche scientifique se nourrit des relations entre personnes que cela a un sens, sans même parler du rôle croissant des collectivités locales, et des différentes initiatives d'excellence. Nous avons donc spécifiquement réfléchi à ce qui faisait l'originalité des moyens et compétences actuels de la place brestoise aujourd'hui, et de sa possible évolution dans les années à venir, dans le cadre d'une communauté mondiale où chacun a un réseau propre de par la politique de son organisme de rattachement et des relations particulières tissées par les uns et les autres. La région brestoise rassemble un grand nombre de spécialistes de la physique océanique, et des champs scientifiques voisins, qui, avec un animation appropriée au travers des structures actuelles (Ifremer, UBO, CNRS/INSU, SHOM, Météo-France, IRD, CEREMA, ENSTA-Bretagne, Telecom Bretagne ...) peut être un écosystème scientifique de premier plan.

Parmi les différentes spécialités de la « physique des océans », nous avons retenu 4 pôles principaux, qui ne sont ni exclusifs ni représentatifs de toute l'activité scientifique à la pointe bretonne :

océan et climats : de l'observation à l’analyse des mécanismes sous-jacents

océan à très haute résolution 

océan côtier

interface air-mer

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Ces pôles ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils se complètent en abordant des problématiques communes (le climat notamment) sous des angles différents. D'autres pôles auraient pu être constitués, autour de techniques de mesure, par exemple l'acoustique sous-marine.

Le descriptif des 4 pôles présentés ci-dessous synthétise les réflexions des chercheurs qui se sont mobilisés pour contribuer à cette prospective. Les chapitres II à V, présentent les contextes, enjeux, problématiques et positionnements des quatre pôles. Le chapitre VI esquisse quelques propositions et le chapitre VII liste les projets en cours impliquant des acteurs brestois. Ce texte sera ensuite amendé après plusieurs étapes :

diffusion pour amendements à l'ensemble des contributeurs et organismes de recherche (juillet 2014)

rédaction d'un document de synthèse de l'ensemble (aout 2014)

consultation du secteur privé pour échanger sur les besoins en recherche, opportunités, et débouchés des formations (septembre 2014)

Le document définitif sera proposé aux directions scientifiques des organismes concernés en octobre 2014, pour une finalisation en décembre 2014.

L’impact des fines échelles (1 km à 10 km) sur les très grandes échelles, à condition que l'analyse de ces mesures exploite l'altimétrie et la diffusiométrie et se fassent conjointement avec d'autres données, en utilisant un cadre dynamique adéquat. L’utilisation nouvelle de la sismique dans la colonne d’eau, associée à d’autres données in-situ permettra de comprendre l’impact des échelles encore plus fines (de l’ordre de 100 m) sur la dissipation de l’énergie cinétique dans l’océan intérieur.

III.2.a De la sous-meso à la grande échelle: variabilité régionale, saisonnière et interannuelle dans le Pacifique Nord.

Cet objectif implique Patrice Klein, Aurélien Ponte et Sylvie Le Gentil.

Les résultats des trois dernières années, relatifs à une simulation réaliste de haute résolution réalisée avec nos collègues japonais du Earth Simulator, ont révélé une richesse de régimes de structures de sous-mésoéchelles totalement occultée dans les simulations idéalisées. On peut citer l’impact très important des instabilités de couche de mélange en hiver, celui des instabilités dues à la topographie dans certaines régions, l’interaction importante, dans les deux sens, entre structures de sous-mésoéchelles et circulation de grande échelle totalement inattendue, ainsi que l’apparition de nouvelles instabilités mal résolues mais dont l’effet semble déterminant en hiver. Ces résultats, dont certains ont été récemment confirmés par d’autres groupes de recherche aux Etats Unis, indiquent clairement que l’impact dynamique de cette richesse de régimes ne peut être quantifié qu’en utilisant des résolutions plus élevées. Dans le cadre de la collaboration Ifremer-Jamstec, il est prévu de réaliser une simulation numérique réaliste du Pacifique Nord sur vingt ans avec une résolution horizontale de 1 km et 400 niveaux verticaux. L’objectif est de cerner l’impact des régimes hivernaux, plus énergétiques qu’attendus, sur la circulation océanique et sur la dispersion de traceurs. Cette simulation, qui devrait être unique au monde, tournera sur la machine « K » au Japon et devrait débuter en avril 2015. Notre projet sera très fortement impliqué dans l’analyse des résultats. Ces résultats devraient également permettre de concevoir de nouvelles méthodes d’interprétation des futures missions altimétriques SWOT (NASA-CNES) et COMPIRA (JAXA). Cette thématique est réalisée dans le cadre du Groupe Scientifique International autour de SWOT et COMPIRA qui est animé par le projet OTHR.

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Fig III.1: Seasonality of submesoscale characteristics and their impact on larger scales in the North Pacific Ocean (Sasaki et al. Nature Com. in revision)

III.2.b Méthodes stochastiques d’interpolation de la dynamique 3D à haute résolution à partir de capteurs (embarqués sur satellites) existants et futursCet objectif implique Patrice Klein, Aurélien Ponte, Sylvie Le Gentil, Bertrand Chapron, Emmanuelle Autret, Jean Tournadre, Alexis Mouche …

Le problème des données satellites existantes et futures est que certaines ont des résolutions spatiales très élevées et temporelles faibles et d’autres au contraire des résolutions spatiales faibles et temporelles très élevées. D’où la nécessité de développer de nouvelles méthodes d’interpolation dynamique permettant de résoudre ce problème. Ces méthodes devraient être élaborées dans un cadre dynamique basé sur des concepts classiques de conservation de la vorticité potentielle en surface. Cette étude sera réalisée dans le cadre d’une collaboration internationale de 3 ans finalisée dans un projet de recherche financé par l’Australian Research Council piloté par Shane Keating (Université de Sydney), le groupe OTHR du LPO (PK) et Shafer Smith du Courant Institute de New-York. Ce projet devrait débuter en janvier 2015 . La collaboration déjà existante avec le Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, USA) se prolongera dans le cadre de ce projet et une autre collaboration avec le LEGOS débutera en 2015. Cette thématique est réalisée dans le cadre du Science Definition Team de SWOT et aussi du Groupe Scientifique International autour de SWOT et COMPIRA qui est animé par le projet OTHR. Les résultats de cette thématique devraient constituer un des volets originaux importants de la contribution française à la future expérience intensive internationale in-situ qui devrait avoir lieu en 2021.

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III.2.c - Rôle des structures de très fine échelle dans le bilan énergétique de l'océan. Cet objectif implique Claire Menesguen, Richard Schopp, Sylvie Le Gentil, Pierrick Penven, Xavier Carton, Louis Marié et et l’équipe du LGG (Bruno Marsset, Stéphane Kerr, …)

Les observations basées sur la sismique dans la colonne d’eau mettent tout particulièrement en évidence le fait que les structures énergétiques océaniques de méso-échelles - telles que les fronts et tourbillons cohérents - sont entourées de façon générique de structures de fine échelle (peu épaisses: de 10m à 80m, mais très longues: ~50km). La question posée est : ces structures de fine échelle sont-elles le relais d'une route intérieure vers les échelles du mélange et de la dissipation? Ces fines échelles sont observées partout et sont intensifiées dans les gradients forts de densité : non seulement autour des tourbillons mésoéchelles mais aussi dans la pycnocline principale grande échelle. Ces couches semblent avoir un caractère universel. Leur étude permettra de renforcer la compréhension des mélanges, de la dissipation énergétique et leur répercussion pour comprendre la circulation océanique à échelle planétaire.

La simulation numérique de ces phénomènes nécessite de représenter explicitement les interactions d ‘échelles sur une gamme d’échelles spatiales très grande: des échelles géostrophiques (50-100km à nos latitudes) aux très fines échelles (quelques mètres sur la verticale). La dynamique de ces échelles nécessite une configuration de très haute résolution (~1000^3). Ces résolutions sont accessibles grâce à des machines massivement parallèles de pointe (PRACE) et des codes optimisés pour ces calculs. Un projet de recherche dans le cadre de cette thématique pour accéder aux ressources des supercalculateurs européens (PRACE) a été accepté en août 2014.

Figure III.2: Iso-contour du gradient vertical de température au-dessus d’un tourbillon type ‘Meddy’. Création de ‘layering’ ou empilement de fines couches sur la verticale. La formation de petites échelles au pourtour d’un tourbillon de moyenne échelle peut expliquer une cascade directe d’énergie vers les échelles de la dissipation

La décision définitive devrait être prise d’ici fin juillet. Cette thématique bénéficie par ailleurs de deux projets ANR (SIMILA et OLA) en cours. Le projet SIMILA implique le LGG de l’Ifremer et le projet OLA implique les équipes de théoriciens et d’expérimentateurs du LADHYX (Palaiseau), de l’IRPHE (Marseille) et du LEGI (Grenoble). Un nouveau projet ANR devrait être soumis début 2015.

L'utilisation récente de la technique de sismique réflexion marine a permis des avancées majeures dans l'observation des fines structures : cette technique permet en effet d'imager la structure intérieure de l'océan le long de sections de plusieurs centaines de kilomètres, sur la totalité de la colonne d'eau, avec des résolutions inégalées sur l'horizontale (de l'ordre de la longueur d'onde de la source acoustique, soit quelques dizaines de mètres). Le gain par rapport aux techniques d'observation traditionnelles est considérable. La méthode de sismique réflexion marine doit être adaptée aux spécificités de l'observation de la colonne d'eau (collaboration avec le Laboratoire de Géodynamique et Géophysique - LGG) et on organisera des mesures

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plus classiques simultanées à la sismique. Dans ce contexte les projets de campagnes en mer (dans le cadre de PAMELA-TOTAL/Ifremer) devraient conduire à de nouvelles expériences de sismique marine dans le Canal du Mozambique à une échéance encore à décider et devraient aussi susciter de nouvelles collaborations au sein du LPO (Pierrick Penven, Louis Marié, Xavier Carton).

III.2.d - Interactions entre les ondes de marées internes et la turbulence méso et submésoéchelle.

Cet objectif implique Aurélien Ponte, Patrice Klein et Sylvie Le Gentil

Les ondes de marées internes et la turbulence méso et submésoéchelle sont deux classes de mouvement qui jusqu’à présent ont été étudiées de manière indépendante. Les études d’interactions entre ces deux classes sont récentes et reposent souvent sur des hypothèses de séparation d’échelles temporelles, leurs échelles spatiales étant maintenant connues pour être similaires. Ces études connaissent un fort regain d’intérêt dans le cadre des futures missions altimétriques de haute résolution, l’énergie cinétique de ces deux classes de mouvement étant proches dans les parties Est des bassins océaniques. La question est quel est l’impact de ces interactions sur la topographie de la surface de la mer (SSH). Ces interactions sont encore très mal connues. Par ailleurs le fait que les structures de submésoéchelles ont des échelles temporelles comparables à celle de la marée interne invalide les hypothèses de séparation d’échelles. De nouvelles études d’interactions nonlinéaires sont nécessaires, ce qui l’objet de cette thématique. Dans un premier temps des simulations idéalisées de très haute résolution dans des grands domaines seront réalisées. Un projet de recherche, dédié spécifiquement à cette thématique, pour accéder aux ressources des supercalculateurs européens (PRACE) a été accepté en août 2014.

Cette thématique va permettre au-delà de l'aspect purement fondamental d'améliorer notre capacité à estimer la circulation océanique que ce soit à partir de mesures in situ ou satellite. Les outils développés permettront de perpétuer l'effort récemment produit au sein du LPO visant à mieux valoriser les données expérimentales en s'appuyant sur des concepts fondamentaux de mécanique des fluides pour développer par exemple des méthodes permettant une meilleure estimation de la circulation océanique 3D à partir de données satellites (pertinent dans le contexte SWOT/COMPIRA) ou in situ. Ce contexte permettra également de promouvoir l'utilisation des données ARGO (système d'observation pour lequel l'Ifremer est moteur) afin de mesurer les fluctuations de l'océan à fine échelle (Guillaume R. et Aurélien P.). Cette thématique bénéficie d’une collaboration étroite avec le LOS (notamment à travers l’axe 1 du LabexMer). Elle est par ailleurs réalisée dans le cadre du Science Definition Team de SWOT et aussi du Groupe Scientifique International autour de SWOT et COMPIRA qui est animé par le projet OTHR. Un projet ANR sur cette thématique devrait être soumis début 2015.

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Figure III.3: Résultat d’une simulation numérique à haute résolution de l’interaction entre une onde marée interne et un champ de turbulence mésoéchelle. De telles simulations sont en cours de production sur le supercalculateur

FERMI grâce à une bourse de calcul européenne PRACE.

III.2.e Compréhension de la dynamique des outflows : applications à la mer Méditerranée, au golfe Persique et à la mer Rouge.Cet objectif implique Xavier Carton, Stéphanie Louazel, Guillaume Roullet, Claire Menesguen, …

Ces régimes d’outflow, qui ont un fort impact sur la dynamique océanique à l’échelle des bassins, ont surtout été étudiés en prenant en compte les moyennes et grandes échelles. Des études récentes indiquent que les plus petites échelles (sous-mésoéchelles) peuvent modifier l’intensité de ces régimes et donc leur impact. La communauté internationale se pose donc actuellement un certain nombre de questions : (1) origine des perturbations de moyenne échelle affectant les courants de surface et les courants d'outflow comme en mer d'Arabie et en proche Atlantique Nord Est ; (2) origine et dynamique des structures de sous moyenne échelle dans ces régions; interaction des structures de moyenne et sous moyenne échelles et influence de la topographie ; (3) apparition de régimes de sous-mésoéchelles au niveau de la thermocline du fait de fortes variations de stratification ; (4) bilan global des transferts d'énergie vers les très petites échelles et rétro-action de ces échelles vers la grande échelle ;

Le projet OTHR (XC) prévoit d'étudier uniquement les trois premières questions selon le plan et les méthodes suivantes:

1. Réalisation et analyse de campagnes en mer à haute ou très haute résolution en mer d'Arabie et golfe Persique (SHOM - Physindien 2014; coll. S. Louazel et F. Gouillon), et si possible une campagne de sismique océanographique dans le golfe d'Aden d'ici 5 ans (TOTAL). Analyse des structures de sous moyenne échelle et de leur lien avec la moyenne échelle (formation, interactions).

2. Analyse similaire dans un modèle à très haute résolution du golfe d'Oman (HYCOM du SHOM au 1/60 de degré; coll. R. Baraille et S. Correard). Sous réserve de CDD.

3. Etudes de processus dans un modèle QG-SQG (avec couche SQG en profondeur intermédiaire) pour comprendre le couplage vertical entre la dynamique de surface et a la profondeur de l'outflow, à méso et sous méso échelles. Etudes de processus dans un modèle Boussinesq NH, pour des interactions de tourbillons ou filaments de petite taille (Coll. J Reinaud U St Andrews et P Billant

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LADHYX). Ces études visent a comprendre si les structures à ces Échelles peuvent se renforcer ou se fragmenter et comment elles peuvent induire du layering.

Un PICS CNRS-RFBR France-Russie a été proposé pour la période 2014-2016 sur le sujet des études de processus Une collaboration est en cours avec l'Institut d'Océanographie de Lisbonne pour la partie Atlantique Nord est. D'autre part une ANR (Synbios) est en cours sur ce sujet jusqu'en 2015. Enfin, une convention SHOM-UBO est en cours de finalisation pour la réalisation des campagnes et l'analyse des données de campagnes.

III.2.f Turbulence méso et submésoéchelle dans l’océan intérieur et l’océan profond. Cet objectif implique Guillaume Roullet, Steven Herbette et Xavier Carton.

Il s’agit dans cette thématique d’étudier des mécanismes intenses de conversion d’énergie mécanique encore peu connus qui généralement sont pris en compte de manière grossière en termes de dissipation alors, qu’en réalité il apparaît que c’est bien une conversion vers toute sorte de processus de plus petites échelle (ondes internes, sous-mésoéchelle) qui se produit. L’accent est mis sur l’énergie potentielle qui est l’énergie mécanique dominante en profondeur mais dont l’évolution impacte l’énergie cinétique en surface. Deux questions scientifiques majeures seront adressées : 1) mieux connaître la turbulence à l'intérieur de l'océan et son couplage avec la circulation générale. Qu'est-ce qui détermine le niveau d’énergie cinétique et d’énergie potentielle dans l'intérieur ? 2) étudier le rôle des couches limites de fond dans l'équilibration de l'océan global. Les transferts d'énergie par interaction avec le fond sont-ils réductibles à un force de trainée pour la circulation générale ?

L’originalité de l'approche et de la méthode repose sur l’utilisation intensive des données ARGO. Ces données contiennent l' « état moyen » mais aussi l'empreinte de la turbulence. L'océan étant opaque, les données Argo sont capables de donner de l’information là où les satellites ne le peuvent. Par ailleurs dans le cadre d’une collaboration entre les Axes 1 et 3 (géobiologie des environnements profonds) du LabexMer, il s’agira de mieux comprendre la dynamique par grands fonds au voisinage des cheminées thermales. Ce type d’études nécessitera aussi de réaliser des simulations numériques avec des résolutions verticales très élevées près du fond, une approche orthogonale aux approches utilisées jusqu’à présent. Il est également envisagé de réaliser des simulations idéalisées de couplage circulation générale-turbulence mésoéchelle via de la turbulence forcée en canal périodique ainsi que via l'utilisation d'une hiérarchie de modèles simplifiés (QG, 2D etc). Tous les résultats numériques seront analysés en utilisant un cadre dynamique basé sur des idées de Dynamique des Fluides Géophysiques.

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Figure III.4: Climatologie annuelle de EAPE (eddy available potential energy) à 500m de profondeur estimée à partir d'une analyse statistique de l'ensemble de la base de données Argo (2000-2013). L'EAPE est l'analogue de l'EKE mais

pour la partie potentielle de l'énergie. Cette carte révèle l'intensité de la turbulence de mésoéchelle dans l'océan intérieur (Roullet et al. 2013).

Cette thématique bénéficie d’un projet ANR en cours (Synbios) et d’un autre projet ANR soumis. Elle est réalisé en collaboration avec GM du LPO (données ARGO), le LMD (Synbios) et UCLA.

III.2.g Dynamique des courants de bordCet objectif implique P. Penven et C. Menesguen.

Dans ces zones proches des côtes, la topographie joue un rôle essentiel. Les pentes associées induisent un gradient de vorticité potentielle qui contraint la circulation océanique. La dynamique des courants de bord Est est généralement associée aux vents locaux conduisant à des phénomènes d’upwellings et des jets méridiens instables le long de la topographie. La turbulence résultante influe sur les transports de propriétés entre la côte et le large. Situés en aval des ondes de Rossby, les bords Ouest sont caractérisés par la présence de courants intenses forcés de manière non-locale et qui s'ajustent à la rupture de pente en haut du talus. Les processus assurant leur équilibre sur la pente sont mal connus. Les courants de bord Ouest sont hautement non-linéaires. Ils peuvent suivre étroitement la topographie, être instables, rétroflecter, ou n'être qu'une succession de tourbillons. Leurs influences sur les plateaux adjacents sont mal connues. Ils assurent de plus une zone privilégiée pour la dissipation des tourbillons océaniques. Compte-tenu des études de ces dernières années sur les structures de sous-mésoéchelles, la question est : ces structures modifient-elles de manière importante la turbulence mésoéchelle associée aux courants de bord et, par voie de conséquence, la circulation générale.

Un laboratoire naturel de ces processus est le pourtour du continent Africain où un courant de bord Ouest majeur (le courant des Aiguilles) rétroflecte à proximité d'un des systèmes d'upwelling côtier de bord Est le plus productif au monde (le courant du Benguela). En amont du Courant des Aiguilles, dans le canal du Mozambique, le transport méridien est essentiellement tourbillonnaire. Les anneaux du Mozambique, tourbillons parmi les plus énergétiques de la planète, structurent directement les écosystèmes marins de la région. Ils perturbent en aval le comportement du Courant des Aiguilles, qui peut alors générer de larges méandres (les Natal Pulses). Les Anneaux des Aiguilles, grands tourbillons issus de la rétroflexion du Courant des Aiguilles, ont un rôle reconnu pour la cellule de retournement méridienne de l'Atlantique. Les effets du Courant des Aiguilles sur les cycles climatiques ont été démontrés. Dans le contexte de la dynamique océanique autour du continent africain, plusieurs questions sont identifiées :

Comment s'équilibre les fronts d'upwelling côtiers? Quel est le rôle de la topographie et de celui de la turbulence méso et sous-mésoéchelle? Quels sont les conséquences pour les écosystèmes marins?

Quels sont les contrôles de la rétroflexion du Courant des Aiguilles? Pourquoi les modèles ont-ils des difficultés dans cette région? Comment s'effectue la dissipation de l'énergie tourbillonnaire entre le Canal du Mozambique et le Courant des Aiguilles? Quels sont les effets de la dynamique du Canal du Mozambique et du Courant des Aiguilles sur les plateaux adjacent et leurs conséquences pour les écosystèmes marins?

La méthode utilisée sera essentiellement la modélisation numérique régionale dans le cadre d'expériences numériques réalistes et idéalisées à haute résolution. La modélisation régionale réaliste se base sur un outil performant (ROMS_AGRIF) développé en collaboration entre l'IRD, l'INRIA et UCLA. Un volet

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expérimental pourrait émerger dans le cadre du projet PAMELA. Une force de cette démarche est la représentation précise de la dynamique de côtière tout en prenant en compte la circulation grande échelle. Cette thématique s'inscrit dans le contexte international du LMI ICEMASA, du groupe de travail SCOR/WCRP/IAPSO 136 sur l'importance climatique du système du Courant des Aiguilles, de la Jeune équipe associée a l'IRD (JEAI) MOCA (Mozambique OCean Atmosphère).

En parallèle, un travail sur le courant de Guinée (et l’upwelling côtier du Golfe de Guinée) s'inscrit dans le contexte des programmes FP7 PREFACE et PIRATA, dans la continuité des actions initiées dans le cadre du programme régional d'océanographie physique en Afrique de l'Ouest (PROPAO, 2007-2010), et de la JEAI ALOC-GG (2011-2014).

III.3. MéthodesLa méthodologie d’approche est toujours de réaliser des simulations numériques de très haute résolution dans des grands domaines. Ceci permet d’étudier les interactions d’échelles sur une bande spectrale de plusieurs décades, ce qui le seul moyen d’étudier l’impact des fines échelles sur les très grandes. Dans ce contexte nous évoluons cette année en passant du Earth Simulator (JAMSTEC) sur les supercalculateurs Européens regroupés dans le consortium PRACE qui depuis cette année sont parmi les plus puissants du monde. Deux projets de recherches PRACE soumis par notre projet OTHR ont été acceptés en août 2014. Par ailleurs les avancées mentionnées ci-dessous ont été un des arguments majeurs pour le développement de la mission satellite SWOT (CNES-NASA)qui pourra faire progresser encore plus nos connaissances sur l’impact des fines échelles (1 km à 10 km) sur les très grandes échelles, à condition que l'analyse de ces mesures exploite l'altimétrie et la diffusiométrie et se fassent conjointement avec d'autres données, en utilisant un cadre dynamique adéquat. L’analyse de ces nouvelles données associées à celles déjà existantes permettra de mieux comprendre ces interactions d’échelles. La mission altimétrique japonaise, COMPIRA (JAXA), utilisant la même technologie que SWOT fournira des données complémentaires à celles de SWOT. Notre forte participation dans les Science Definition Teams de SWOT et COMPIRA facilitera l’accès privilégié à ces données.

Enfin nous comptons développer l’utilisation de la sismique dans la colonne d’eau, associée à d’autres données in-situ permettra de comprendre l’impact des échelles encore plus fines (de l’ordre de 100 m) sur la dissipation de l’énergie cinétique dans l’océan intérieur. Ceci devrait se faire dans le cadre du projet PAMELA (partenariat Ifremer-Total).

De nouveau, l'approche originale de notre groupe est d'analyser ces grands jeux de données, existants et nouveaux (nouvelles simulations, nouvelles observations satellites), à l'aide de méthodes de Dynamique des Fluides.

III.4. Opportunités, Forces et faiblesses du pôle brestois

Un des principaux atouts de la place de Brest, unique en Europe, est de bénéficier de la présence de chercheurs théoriciens et numériciens, de chercheurs spécialisés dans le développement de nouvelles méthodes d'observation, de la télédétection spatiale à l'imagerie sismique, tous ayant acquis une forte compétence sur cette thématique OTHR. Ces recherches s'appuient aussi sur une bonne maîtrise des techniques plus classiques d'observation in-situ. Cette complémentarité de compétences est regroupées au sein de l'axe 1 du Labex Mer qui associe des équipes du LPO, du LOS et du LGG, une structure qui favorise le développement d’ une forte synergie. Favoriser le lien entre observation, modélisation et théorie peut

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conduire Brest à devenir rapidement un leader mondial incontournable dans les avancées futures. C'est en particulier pour cela que la chaire internationale du Labex a été ouverte et devrait se concrétiser rapidement. Ainsi, sur la question des observations, la collaboration active et fructueuse entre le LPO avec le département HOM du SHOM est un autre point essentiel qui permet l'étude de la fine échelle via la réalisation d'un programme pluri-annuel de campagnes océanographiques. Un autre atout concerne les collaborations nationales et internationales développées à travers des accords et projets, collaborations détaillées dans les paragraphes ci-dessus. Le cadre institutionnel et l'accompagnement financier fourni par la mission satellite SWOT est certainement une des opportunités qu'il faut continuer à exploiter.

Les missions spatiales Sentinel 1A/B présentent déjà une opportunité considérable par leur cycle d’acquisition et revisite. Les 130 Go de données radar Sentinel 1A déjà ingérés chaque jour, ne demandent qu’à être mieux utilisés en synergie avec les 200 Go de données de température archivés chaque jour au CERSAT, en particulier en provenance du CMS Lannion.

Les quelques faiblesses dont il faut avoir conscience, et pour lesquelles des solutions doivent être trouvées pour se maintenir parmi les principaux leaders dans la compétition internationale qui se profile, sont essentiellement de 3 ordres. La première se situe en termes de formation des étudiants. Il convient d'être vigilant sur les réformes en cours (COMUE et autres) et de continuer à rendre plus attractif les multiples défis associés à l'étude des interactions d'échelles. Cette faiblesse est détaillée dans l’introduction générale de la prospective. La seconde est la structuration et d’organisation de la thématique OTHR à Brest, qui repose beaucoup sur un projet qui est déjà à mi-parcours, le labex Mer, et dont la souplesse administrative a beaucoup contribué à la dynamique insufflée dans ce projet OTHR et donc sa position internationale. Le renouvellement ou l'évolution du Labex Mer, au-delà du projet actuel, est donc un enjeu important.

Enfin, le troisième point est le manque crucial d'observation à la mer qui permette de mettre en évidence les interactions d'échelle. Cette faiblesse sera peut-être en partie comblée par le lancement de SWOT, la chaire du Labex Mer, les projets dans le canal du Mozambique et d'autres collaborations internationales. Il y a aussi certainement des efforts à poursuivre sur l'interprétation quantitative de différents signaux d'opportunités, ce qui fait l'objet de techniques déjà en maturation (télédétection, exploitation novatrice des profils ARGO … ).

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IV. océan côtierContributions rassemblées par G. Charria et L. Marié.

Contributeurs: F. Ardhuin, A. Bentamy, B. Blanke, M.-N. Bouin, P. Brehmer, X. Capet, X. Carton, F. Cayocca, B. Chapron, G. Charria, C. Delacourt, A. Deschamps, F. Dumas, B. Ferron, F. Floch, P. Garreau, V. Garnier, S. Herbette, C. Lathuilière, P. Lazure, P. Le Borgne, B. Le Cann, N. Le Dantec, P. Le Hir, S. Louazel, E. Machu, L. Marié, P. Penven, A. Pichon, L. Pineau-Guillou, J.-L. Redelsperger, H. Roquet, C. Roy, A. Serpette, M. Sourisseau, S. Theetten, F. Vandermeirsch, R. Verney.

IV.1 ContexteSept pour cent de la surface de l'océan mondial sont situés par des profondeurs inférieures à 200m, entre la côte et le talus continental qui marque la transition vers les abysses. Du fait de sa faible profondeur et de forçages spécifiques tels que notamment les panaches fluviaux, une marée comparativement plus intense, et les flux de quantité de mouvement et l'agitation dus aux vagues ou leur déferlement, l'océan côtier héberge une dynamique physique distincte de celle qui se développe dans l'océan hauturier. Cette zone tampon concentre environ 15% de la production primaire océanique totale, 80% de l'enfouissement de matière organique, plus de 80% du stockage des apports fluviaux de matières en suspension, 90% des captures de poisson, une part importante de la biodiversité et plus de la moitié de la valeur des services écosystémiques de l'océan (Costanza et al. 1997).C'est donc autant pour l'importance géophysique et écologique de la zone côtière que parce qu'elle concentre l'essentiel des activités marines humaines que l'étude et la compréhension de sa dynamique spécifique, et de ses couplages avec la dynamique de l'océan hauturier et des bassins versants, constituent un enjeu de première importance.Du fait de la faible extension horizontale des structures qui s'y développent, les caractéristiques de l'océan côtier et des écosystèmes qu’il abrite sont très affectées par les particularités locales des zones étudiées, avec des poids relatifs très variables des différents forçages auxquels il est soumis : marées, échanges air-mer, panaches fluviaux, vagues, nature du substrat sédimentaire... Ces particularités locales sont souvent associées à des enjeux d'usage (pêche, aquaculture, aménagement littoral, énergies marines ...), ce qui implique une grande diversité des angles d’étude. La multiplicité des acteurs institutionnels (organismes de recherche, services de l'Etat, collectivités locales, entreprises publiques ou privées …) est aussi le reflet de la diversité des enjeux, et impose un travail associant un grand nombre de parties prenantes. La présente prospective vise donc à faire ressortir de cette diversité des enjeux et des approches scientifiques, des thématiques et des zones d'intérêt, dans le souci de l'excellence scientifique, et pour favoriser l'émergence de méthodes généralement applicables.

IV.2. Objectifs scientifiques - processus ciblésLa vitalité de la recherche en océanographie physique côtière sur le pôle brestois, et le potentiel humain que ce pôle recèle, transparaissent dans la liste des processus dont l'étude y est envisagée à court terme, ou menée dans le cadre des chantiers et des projets actuellement en cours. Certains processus font l'objet de déclinaisons spécifiques, soit parce qu'il est pertinent de les étudier sur plusieurs gammes d'échelles de temps (allant pour certains des échelles horaires ou des évènements extrêmes aux échelles climatiques), soit du fait d'impacts particulièrement prononcés sur des disciplines connexes (biologie, halieutique, sédimentologie).IV.2.a Dynamique de méso-échelle de plateau.Cette catégorie regroupe les phénomènes lents (de périodes supérieures à la période d'inertie), "ajustés" ou presque au sens de l'équilibre géostrophique, qui se développent sur les plateaux continentaux sous l'effet de

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gradients de densité ou de forçage par le vent, hors de l'influence directe du talus continental. D'une manière générale, l'étude des équilibres dynamiques régissant ces structures sur les plateaux continentaux et leurs instabilités est à ce jour encore difficile du fait des limitations en termes de résolution et de synopticité des mesures in situ, ainsi que des limitations en termes de résolution des modèles numériques. Cet état de fait est amené à évoluer dans les années à venir avec l'amélioration des performances des techniques expérimentales (télédétection par radars HF ou aéroportée, méthodes sismiques, poissons remorqués pour hydrologie à haute résolution, capteurs de température à bas coût permettant le déploiement de réseaux de grande emprise) et des moyens de calcul.

Fronts: les fronts présents sur les plateaux continentaux doivent leur existence à une variété de forçages, allant de l'existence d'une zone de mélange intensifié (fronts de marée de la façade Atlantique métropolitaine) à la présence d'un gradient de propriétés à grande échelle le long de la côte (filament du Cap-Blanc en Afrique du Nord-Ouest, intensification du front d’upwelling par le courant des Aiguilles dans le Benguela). Ces structures morphologiques, régies par différents équilibres dynamiques, séparent des masses d'eaux aux propriétés contrastées. Leur perméabilité aux échanges entre masses d'eau repose essentiellement sur les instabilités qui peuvent se développer. Ils jouent un rôle structurant sur l'écosystème océanique à leur abord.

Panaches fluviaux: au voisinage des estuaires, les eaux fluviales, ayant des propriétés très distinctes des eaux océaniques environnantes, prennent la forme de panaches concentrés, bordés par des fronts marqués. Ces structures présentent donc une double complexité, étant d'une part dotées d'une dynamique propre (étant dans l'hémisphère nord plaquée sur la côte située à la droite de l'embouchure), et d'autre part affectées par la dynamique des fronts qui les bordent, qui influe sur la dispersion de leurs eaux. Les panaches de la Loire et de la Gironde jouent un rôle important sur la structure hydrologique et sur la circulation au voisinage de la côte sur le plateau du Golfe de Gascogne.

Structures tourbillonnaires: de telles structures sont fréquemment visibles sur les images satellites des plateaux continentaux. Les instabilités des fronts présents au voisinage sont bien sûr un mécanisme de génération privilégié, mais d'autres phénomènes peuvent parfois être rencontrés (sillages d'îles, notamment). La dynamique de ces structures sur le plateau continental est différente (e.g. rôle du frottement sur le fond, contrainte topographique) de celle des tourbillons rencontrés dans l'océan hauturier, mais leur rôle en tant que structures cohérentes permettant la rétention et le transport de propriétés est tout aussi fondamental. Là encore, l'étude de ces structures se heurte aux limitations des techniques expérimentales et numériques, mais devrait devenir possible dans un futur proche.

Courants jets côtiers: de telles structures transitoires ont été observées en réponse à des épisodes spécifiques de forçage par le vent dans le Golfe de Gascogne dans le cadre des campagnes ASPEX menées de 2009 à 2011 en collaboration entre le LPO et DYNECO. Du fait de leur intensité, ces structures jouent un rôle important sur le transport de propriétés (température, acteurs chimiques et biologiques) à l'échelle du plateau et leur dynamique est actuellement en cours d'investigation.

"Bourrelets froids": sur les plateaux continentaux des moyennes latitudes soumis à des forçages éoliens modérés, il est fréquent que la mise en place d'une stratification hivernale piège en subsurface de telles structures hydrologiques, marquées par des températures lentement variables et demeurant proches des valeurs de fin d'hiver. Ces structures sont parfois bordées de fronts de densité assez marqués, associés à des circulations de surface/subsurface cycloniques.

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IV.2.b Influence du talus continental/ Courants de penteCette catégorie regroupe les phénomènes subinertiels ajustés au sens de l'équilibre géostrophique qui se développent en bordure des plateaux continentaux, cette fois sous l'influence directe des contours de f/h du talus. Les enjeux portent sur l'interaction de ces courants avec la bathymétrie du talus, ses indentations, et les structures présentes dans l'océan hauturier.

Courants de bord Ouest: La circulation sur les plateaux des bords ouest des bassins océaniques est très affectée par ces courants intenses, forcés à l'échelle des bassins par le vent et les flux de chaleurs, mais plaqués contre les bords ouest par la variation en fonction de la latitude du paramètre de Coriolis. En retour, l'influence de la morphologie du talus sur ces structures, qui peuvent être d'impact climatique majeur (courant des Aiguilles sur la côte est de l'Afrique), est encore mal comprise, mais constitue un enjeu scientifique d'extrême importance. Des chantiers d'intérêt plus local sont le courant nord Liguro-Provençal de la mer Méditerranée et le système de courant de pente dans le Golfe de Gascogne (« Iberian-Armorican-Celtic Slope Currents », Navidad, ...).

Courants de bord Est: a contrario, les bords Est des bassins sont marqués par une dynamique hauturière plus diffuse. L'interaction du talus continental avec les gradients de densité présents à l'échelle du bassin peut cependant être à l'origine de courants dans le sens de la pente observables et susceptibles de permettre des transports de propriétés notables. Les lignes bathymétriques du talus servent de plus de guide d'onde de type topographique à des phénomènes plus rapides, pouvant être forcés à distance (courant de "Navidad" longeant le talus cantabrique certains hivers, et guidé jusqu'à la latitude d'Arcachon lors de l'hiver 2006/2007, par exemple). Ces courants peuvent de plus être instables, et libérer des tourbillons de méso-échelle hauturière, induisant un transport important de la pente vers le large. Les équilibres qui régissent la dynamique de ces évènements doivent être compris pour que leur variabilité, de l'échelle saisonnière à climatique, puisse être évaluée. Cette étude est actuellement menée sur la base des données collectées dans le cadre des programmes expérimentaux CONGAS, MOUTON/PROTEVS et ASPEX menés par le SHOM et l’Ifremer.

Interaction tourbillons / talus: l'interaction des tourbillons hauturiers avec le talus continental est un autre sujet d'étude, d'intérêt double puisqu'il implique d'une part l'influence du talus sur la dynamique (trajectoire, évolution, longévité) des tourbillons, d'autre part l'influence des tourbillons sur la circulation du plateau adjacent. Les chantiers d'étude actuels de ces phénomènes sont la veine d'eau méditerranéenne sur la façade ibérique, la veine d'eau du Golfe Persique en Mer d'Arabie, le courant Nord en Méditerranée Nord-Occidentale et le courant de pente dans le Golfe de Gascogne.

IV.2.c Couche limite de fondL'étude de la couche limite frictionnelle de fond est menée sur la place brestoise selon deux axes principaux, l'un étant focalisé sur son impact sur la circulation de plateau et de pente, en tant que puits de quantité de mouvement et en tant que phénomène agéostrophique permettant des transports cross-isobares via le transport d'Ekman associé, et l'autre étant focalisé sur son étude en tant que lieu de la remise en suspension de sédiment.

IV.2.d Couplage Océan / Atmosphère:Ce thème recoupe en partie le chapitre V de cette prospective. La question de la compréhension des influences réciproques de l'océan et de l'atmosphère est particulièrement prégnante sur les plateaux continentaux, du fait de la proximité de la côte, qui peut collecter le transport d'Ekman et le convertir en

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courants jets côtiers intenses, comme cela a été évoqué plus haut, et de la fraction importante de la colonne d'eau qui est soumise à l'influence directe de l'atmosphère (au moins le tiers, par opposition aux quelques pourcents caractéristiques de l'océan hauturier):

La structure hydrologique saisonnière sur les plateaux des moyennes latitudes dépend de façon sensible de l'équilibre entre les flux thermiques, radiatifs comme turbulents, qui tendent à construire une stratification thermique superficielle, et du flux de quantité de mouvement de surface, qui tend, via l'injection d'énergie cinétique turbulente, à favoriser le mélange vertical et son approfondissement. Les déplacements de cet équilibre au cours du cycle annuel conduisent sur certains des plateaux à la mise en place et à la destruction d'une stratification saisonnière. Dans le cas du Golfe de Gascogne, l'influence des panaches de fleuves en tant qu'éléments pré-conditionnant de la mise en place de la stratification thermique est sensible et mérite d'être mieux comprise.

En retour, les variations de température de surface à petite échelle présentes sur les plateaux continentaux, au voisinage notamment des fronts d'upwelling ou de marée, induisent une modulation de la stabilité des basses couches de l'atmosphère, et des flux turbulents de quantité de mouvement ou chaleur.

Comme mentionné plus haut, la faible hauteur de la colonne d'eau sur les plateaux continentaux fait qu'elle répond de façon plus sensible et plus immédiate à l'injection de quantité de mouvement par le forçage éolien, de façon directe (dérive d'Ekman, oscillations d'inertie de la couche superficielle) ou indirecte (réponse géostrophique aux gradients de hauteur d'eau se mettant en place au voisinage de la côte du fait de son effet de collecte du transport d'Ekman).

Enfin, cette faible inertie de la colonne d'eau rend la circulation côtière plus sensible à l'injection de quantité de mouvement par l'interaction entre les vagues de surface et les courants. Les gradients de courants induisent en effet une réfraction du champ de vagues, et de ce fait des hétérogénéités et des effets de focalisation parfois notables. Les hétérogénéités du champ de vagues sont en retour associées à des variations des flux de quantité de mouvement qu'elles transportent, et donc à un forçage de la circulation, qui peut être sensible dans les zones où de forts gradients de courant coexistent avec un état de mer énergétique (mer d'Iroise, notamment).

IV.2.e Echanges côte/largeCette catégorie regroupe les phénomènes qui permettent aux eaux océaniques de traverser, dans un sens comme dans l'autre, les contours f/h du talus continental. En plus des processus liés à l'interaction de tourbillons hauturiers avec le talus continental ou de déstabilisation des courants de pente évoqués plus haut, deux autres phénomènes font l'objet d'un effort soutenu sur la place brestoise.

Upwelling: ce phénomène se produit lorsqu'un vent longe la côte en la laissant à sa gauche dans l'hémisphère nord, à sa droite dans l'hémisphère sud. La dérive d'Ekman tend alors à chasser les eaux de surface vers le large, et une circulation induite entraîne leur remplacement via des remontées d'eaux de fond. Les eaux de fond ainsi importées dans la zone euphotique sont riches en nutriments, et les zones où ce phénomène se produit sont connues pour leur productivité primaire importante. Ce phénomène peut être observé dans plusieurs zones d'intérêt pour des équipes brestoises, à des niveaux d'intensité variables. De faibles signatures du phénomène sont observées épisodiquement dans le Golfe de Gascogne et le Golfe du Lion, mais les chantiers les plus adaptés à son étude in-situ sont situés sur des zones d'intérêt historique de l'IRD telles que le Sénégal ou le Benguela, où il représente de loin l'influence dominante sur la structure hydrologique des plateaux, lors de sa saison de développement maximal. La zone d'upwelling située à l'ouest de la péninsule ibérique a été étudiée par des chercheurs brestois au cours des années 90 et 2000, mais ne fait pas actuellement l'objet d'un effort de recherche. Bien que moins

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étudiés, les downwellings (plongées d'eaux côtières de surface) ont aussi leur importance, par exemple pour l'enfouissement de composants, ou le renouvellement de masses d'eaux.

Cascading: ce terme désigne les plongées d'eaux denses produites par refroidissement hivernal sur les plateaux, qui peuvent être exportées vers l'océan profond au niveau du talus continental. Ces phénomènes étant par nature agéostrophiques, ils ne peuvent se produire que de façon intermittente, et sous l'effet de gradients de densité forts. De tels phénomènes font l'objet d'études dans le Golfe du Lion. Leur existence dans le Golfe de Gascogne, si elle est évoquée dans la littérature, n'a pas été documentée récemment. Leur importance en matière de transport de substances (sédiments, carbone, …) est mal connue.

Circulation du plateau interne : la dernière décennie a révélé l'importance de la circulation forcée par les vagues et sa particularité. La transition entre forçage par le vent et forçage par les vagues est encore mal connue, et a surtout été documentée sur les bords ouest (Lentz et Fewings 2012), où les états de mer sont plus faibles. Le développement des outils numériques couplés vagues-circulation (Rascle 2007, Uchiyama et al. 2010, Bennis et al. 2011) est certainement un premier pas important, en particulier pour des questions de transport et de qualité des eaux par très petits fonds (Delpey et al. 2014).

IV.2.f Marées interne et externe, surcotesLa marée et les surcotes sont des phénomènes rapides, au sens où ils évoluent trop rapidement pour être en équilibre géostrophique. Si les prévisions numériques de ces phénomènes sont parvenues à un niveau élevé de qualité, leur fort impact sociétal et géophysique, justifie la recherche d'améliorations.

Marée barotrope: Les plateaux de la Manche et du Golfe de Gascogne sont des zones où l'impact de la marée barotrope est particulièrement fort. Cette influence est d'une part directe, sous la forme de courants intenses et de déplacements lagrangiens de grande amplitude, et d'autre part indirecte, en tant que source d'énergie pour des courants moyens (rectification) ou pour la production de marée interne et de turbulence de micro-échelle disponible pour effectuer du mélange vertical. L'amélioration des prédictions de marée est aussi nécessaire pour les besoins de l’hydrographie et de la télédétection satellitale (altimétrie nadir et à fauchée).

Marée barocline ou interne: La marée interne est produite par l'interaction de la marée barotrope avec les accidents bathymétriques du fond, et lui emprunte une part de son énergie, qu'elle dissipe sous forme de mélange vertical, soit progressivement au cours de sa propagation sur le plateau, soit brutalement par déferlement au voisinage de la côte. La marée interne peut par endroit représenter une part significative, voire dominante, du signal de courant de marée, en particulier en surface ou au fond. La sensibilité de la marée interne à de nombreux facteurs (stratification, courants externes et subinertiels, …) la rend très intermittente dans le temps et variable dans l'espace, et fait de sa prédiction un défi. La quantification de l'injection de nutriments dans la zone euphotique qui lui est associée reste une question ouverte.

Les surcotes et fluctuations rapides du niveau moyen sont une part importante de l’aléa de submersion marine. Les tempêtes récentes telles que Johanna en mars 2008, Xynthia en février 2010 ou encore Ulla en janvier 2014 ont rappelé l'importance sociétale de ce phénomène. L'estimation de la tension du vent sur la surface de l'océan ainsi que de la tension sur le fond demeurent insuffisamment précises. Les jeux de données acquis par le pôle brestois sur le long terme (par l'intermédiaire du réseau de marégraphes RONIM/Refmar) ou sur le court terme sur des zones particulièrement exposées (campagnes PROTEVS du SHOM) sont très utiles et complémentaires d’approches géologiques et géaographiques portées par le LDO (en particulier dans le cadre du Service National d’Observation sur le tait de côte) et le LETG. Les mesures sur

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les falaises ont en particulier révéler des phénomènes hydrodynamiques rapides d’ampleur inconnue (Sheremet et al. 2014).

IV.2.g Hydrodynamique et morphodynamique littorale

Les questions associées à la dynamique littorale ne sont pas nouvelles mais elles ont fortement évolué au cours des dix dernières années, tant par l’evolution des moyens techniques de mesure (vidéo …) et de modélisation numérique, que par le contexte disciplinaire, avec l’émergence d’études interdisciplinaires “de la source au puits” (source tou sink) sur les transferts de matière des montagnes aux abysses. L’étude du littoral reste toutefois en partie compartimentée par grands types de côtes:

- estuaires et régions peu battues par les houles, pour lesquelles l’influence des bassins versants et la nature cohésive des sédiments (avec une forte interaction avec les espèces vivantes) est très importante, avec de forts enjeux dans des zones où l’homme est très présent (par exemple l’estuaire de la Seine et son évolution avec Port 2000).

- les zones sableuses, plus ou moins insérées dans des cellules littorales de grande échelle. Sur les plages, les efforts ont beaucoup porté sur l’hydrodynamique forcée par les vagues, en particulier les ondes infragravitaires, et la formulation du transport de sédiments non-cohésifs (dont les effets d’asymétrie de la houle, c.f. Hoefel et Elgar 2003). Les mouvements de dunes sous-marines constituent un autre aspect important, qui ont fait l’objet de nombreuses études au SHOM, pour la sécurité de la navigation dans le Pas de Calais, et au LDO.

- les zones rocheuses et falaises, qui ont été surtout étudié par les géomorpholoques (e.g. Fichaut et Suanez 2010) mais qui présentent des particularités hydrodynamiques encore peu connues (voir par exemple les fortes ondes infragravitaires mesurées à Banneg, Sheremet et al. 2014).

Pour tous ces environnements, les échelles de temps intéressantes vont de la crue ou de la tempête à l’échelle historique (impact d'évènements extrêmes et résilience des environnements sédimentaires suite à ces événements, migration des lignes de rivages, pérennité des structures et stocks sédimentaires). La prédiction des flux sédimentaires et de l’évolution des fonds en zone littorale reste un défi car la diversité des régimes et des processus qui y interagissent (écoulement mixte courant-houle et non-établi, effet de marée, contexte de côte, disponibilité de stocks hétérogènes …) provoque une forte variabilité spatio-temporelle.L’enjeu réside dans le suivi simultané et à haute fréquence temporelle (i) de l’évolution des structures sédimentaires en appliquant une démarche visant à une caractérisation 3D et multitemporelle de leur déplacement/déformation, (ii) des flux de matières transportées en suspension et par charriage et (iii) des forçages hydrodynamiques exercés sur le substrat sédimentaire permettant d’apprécier les seuils et contraintes de mise en mouvement des sédiments.

Les questions sociétales sont liées à la vulnérabilité des territoires côtiers et à la compréhension des risques d'érosion et de submersion, intégrant l'impact des usages et des perturbations d’origine anthropique qui se superposent à la réponse du système naturel (exploitation de granulats, pêche, pose de structures lourdes tels que les dispositifs EMR, ouvrages de défense des côtes et des infrastructures maritimes et portuaires).

IV.3. MéthodesLa diversité de la communauté brestoise de l'océanographie physique côtière se reflète dans la grande variété des outils qu'elle maîtrise, met en œuvre, et développe.Son expertise reconnue au niveau national pour la mise en place et la réalisation de programmes d'observation in situ lui permet d'appréhender de façon privilégiée la complexité des phénomènes interagissant sur ses chantiers d'étude, d'en produire les premières descriptions, et de collecter les jeux de

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données de référence pour le travail de rationalisation ultérieur. Sa capacité à mener à bien des développements technologiques légers, et sa proximité avec les équipes de recherche technologique de l'Ifremer, lui permettent de développer une instrumentation spécifique, là où les appareils hérités de l'océanographie hauturière sont inadaptés, ou là où des spécificités de l'environnement côtiers (faible profondeur, proximité de la terre) permettent des observations plus riches ou plus directes. La proximité des laboratoires de métrologie de l'Ifremer et du SHOM est enfin un élément de contexte important.En complément, les méthodes de télédétection viennent supporter l'approche in situ par des observations, limitées à la couche de surface, mais qui offrent une vision spatialement et temporellement synoptiques de l'océan.

L'élément intégrateur dans la rationalisation de ces observations est l'approche numérique, visant à développer des aspects théoriques ou à reproduire et prédire des états réalistes. Sur différents aspects, le pôle brestois a largement contribué à des outils diffusés et reconnus internationalement (modèles ROMS, HYCOM et WAVEWATCH III), ce qui a permis de mieux comprendre les liens entre différents chantiers d'application, ou nationalement (MARS) avec une large diffusion dans les bureaux d'étude et les instituts nationaux (BRGM, IRD, Universités).

IV.3.a In situObservation in situ de la colonne d'eau (CTD/Scanfish/Seasoar/MVP/sismique/VM-ADCP)

L'observation in situ opérée par la communauté brestoise s'appuie pour une large part sur la mise en oeuvre lors de campagnes scientifiques ponctuelles de l'ensemble des systèmes de mesure classiques, comme les mesures de températures/conductivité sur bathysonde, XBT ou thermosalinographe. Ces dernières années ont par ailleurs vu l’émergence de systèmes profilants automatisés, qui permettent l’observation aux résolutions très fines (sub-kilométriques) caractéristiques de l’océan côtier, et pour lesquelles les équipes brestoises sont leader au niveau national. Ainsi, le Scanfish et le Seasoar ont été largement utilisés dans le Golfe de Gascogne, la Méditerranée Nord-Occidentale, les plateaux de l'Afrique du Nord-Est et le Golfe Persique. Plus récemment, le MVP a été expérimenté lors de campagnes en Méditerranée Nord-Occidentale.Au-delà des mesures directes des propriétés des masses d'eau (température, salinité, fluorimétrie, turbidité), les mesures acoustiques par ADCP monté sur la coque d'un navire sont employées pour caractériser les profils de vitesse, voire de turbidité (e.g. campagnes ASPEX, MOUTON/PROTEVS, IMEDIA). Enfin, l’étude de la stratification de la colonne d'eau par mesures sismiques est une technique en développement (Piete et al. 2013).

Mouillages de courte à moyenne durée (chassis/filaires, ADCP, MASTODON)

L'observation in situ se décline aussi par l'usage, sur des durées allant du cycle de marée au pluri-annuel, d'instrumentation sur mouillages. Les équipes brestoises ont développé différents systèmes répondant aux contraintes de l'environnement côtier (e.g. pressions liées au chalutage). Les campagnes ASPEX, avec le déploiement de 12 mouillages ADCP sur 2 années ont démontré la capacité des équipes brestoises à mettre en oeuvre ce type d'instruments dans le cadre de dispositifs de grande ampleur, à même de permettre la collecte de jeux de données de référence sur la dynamique de plateau, incluant les parties externes du plateau ainsi que le talus (observation de la circulation de plateau et des courants de pente).Plus récemment, des développements ont aussi porté vers des capteurs à bas coût (de fabrication et d'utilisation) pour la mesure de la température de fond (projet MASTODON). L'objectif du développement de ces instruments est de permettre le déploiement de dispositifs denses (plusieurs dizaines de capteurs) et de très grande emprise géographique (couvrant l'ensemble d'un plateau continental), afin de permettre l'étude des variations à l'échelle annuelle de la distribution de température de fond (observation synoptique des "bourrelets froids").

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Instrumentation pérenne (réseau de bouées, ferrybox, profileurs ARVOR-C)

Une composante clé dans l'observation in situ côtière réside dans les réseaux d'observation haute fréquence côtiers. Ces réseaux opérés en partie par les équipes brestoises et rassemblés dans le cadre de la convention Coriolis apportent une observation continue et à long terme de l'océan côtier. Ils sont constitués de bouées ancrées (à Brest: bouées MAREL, réseau des îles, bouées métérologiques, houlographes du réseau CANDHIS) qui permettent la mesure de nombreux paramètres pour la physique, la biologie et la sédimentologie. Ces plateformes offre un large panel d'évolution et d'expérimentation (e.g. la bouée MAREL Iroise à Brest ou MAREL MOLIT en Baie de Vilaine). A ces systèmes se rajoutent les mesures d'opportunité (e.g. FerryBox sur ferries ou programme RECOPESCA sur navires de pêche) qui offrent un suivi des masses d'eau sur une large partie du plateau continental. En complément, les profileurs côtiers (ARVOR-C / Cm) assurent un suivi de référence d'une partie des plateaux continentaux.

Robots instrumentés

Depuis le milieu des années 2000, le panel des véhicules robotisés susceptibles de servir de vecteurs à des instruments de mesure en milieu côtier s'est progressivement élargi, avec l'apparition des gliders, puis wavegliders, et plus récemment du voilier robot instrumenté VAIMOS développé à Brest en collaboration entre le LPO, l'Ifremer/RDT et l'ENSTA Bretagne. Si l'exploitation de réseaux de tels instruments pour des objectifs de surveillance pérenne implique actuellement des coûts de fonctionnement et une charge en personnel prohibitifs, leur potentiel dans le suivi des zones côtières est important à terme. A ce titre, la capacité à les mettre en oeuvre dans le cadre de projets de recherche ponctuels devra être maintenue et développée.

IV.3.b TélédétectionLa généralisation, sur les années récentes, de l'accès aux données de télédétection satellite font que celles-ci font désormais partie intégrante de tout programme d'observation de l'océan. L'océan côtier est cependant spécifique, d'une part de par les problématiques particulières qui s'y rencontrent (télédétection des concentrations en chlorophylle et en matières en suspension hors des gammes rencontrées dans l'océan hauturier, spécificité de la mesure des vents diffusiométriques au voisinage des côtes), d'autre part parce que la proximité de la terre le rend accessible à d'autres méthodes plus souples et plus riches, telles que l'observation des courants de surface par radars (HF ou micro-ondes), ou la télédétection aéroportée.

Satellites

La télédétection satellitale est la technique la plus établie d'observation à distance du milieu côtier. Si le développement et la validation de produits est plus spécifiquement du ressort des chercheurs impliqués dans le chapitre V de cette prospective, certains chercheurs travaillant sur le domaine côtier sont impliqués dans la définition d'algorithmes de restitution de paramètres bio-géochimiques (concentration en chlorophylle, matières en suspension) spécifiques aux conditions estuariennes ou de proche plateau.

Les autres chercheurs brestois en océanographie physique côtière se positionnent pour l'essentiel comme des utilisateurs de produits (de hauteur d'eau, vent, température de surface, température de surface et flux radiatifs à haute fréquence issus de satellites géostationnaires, ou "couleur de l'eau"). Des collaborations étroites existent cependant dans certains cas spécifiques, avec pour but de proposer des produits spécifiques aux zones côtières en termes de diffusiométrie ou de radiométrie micro-ondes.

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La plupart des mesures spatiales se fait encore avec un temps de revisite long par rapport aux fines échelles spatiales qui sont résolues. L'exception est la mesure de température de surface de la mer par les satellites géostationnaires, mais la couverture nuageuse en limite sévèrement la répétitivité effective. Les projets de géostationnaire en couleur de l'eau (Okapi) constituent une avancée majeure sur laquelle la communauté brestoise devrait se positionner. Par ailleurs, l'arrivée de constellations de capteurs (diffusiomètres ASCAT sur Metop et SAR avec Sentinel 1A et 1B) ouvre de nouvelles perspectives.

Radars HF, radars micro-ondes

Le processus physique fondamental exploité par les radars HF est la rétrodiffusion par les vagues de surface d'ondes électromagnétiques décamétriques. Leur avantage principal est la propagation au-delà de l'horizon, avec des portées effectives de l'ordre de 100 km pour une fréquence radar de 12 MHz et 250 km vers 5 MHz. Le rôle de pionnier du SHOM dans la mise en place d'un réseau pérenne a permis de nombreuses expérimentations sur les méthodes de traitement et d'analyse qui ont bénéficié aussi bien au secteur de la recherche publique (SHOM, Ifremer/LPO, Supélec, Université de Hawaii, MIO, Université de la côte d’Opale) qu'au secteur privé (Actimar). La maîtrise complète de la mise en oeuvre de ces instruments et du traitement par les équipes brestoises est un atout important pour des chantiers de recherche des années à venir.

Les radars micro-ondes offrent une plus grande flexibilité, au prix d'une portée moindre (limitée par l'horizon). La résolution décamétrique des images élémentaires en fait une technique utile pour des applications proches de la côte, à l'échelle d'une baie ou d'un estuaire. Le passage à des informations quantitatives en termes de hauteur significative, de courant de surface, de bathymétrie, ou de vitesse du vent, a été démontré mais reste un sujet de recherche actif.

Aéroportée

Une autre opportunité offerte par la proximité de la côte est la relative facilité avec laquelle une télédétection aéroportée (avion, ULM, drone) peut être mise en œuvre, en appui aux campagnes in-situ. Les techniques de mesure pertinentes sont bien sûr la radiométrie infrarouge ou hyper-spectrale et les mesures de grandeurs atmosphériques (vent, humidité, température), mais aussi les mesures micro-ondes actives (diffusiométrie, SAR, altimétrie nadir) ou optique active (lidar). Cette approche offre sur la télédétection satellite classique l'avantage d'une plus grande adaptabilité aux conditions synoptiques (océaniques comme atmosphériques), d’une plus grande souplesse en termes de jeu de capteurs embarqués sur une même plateforme, de choix de plan de vol, de possibilité de s'affranchir des obstructions nuageuses, de fréquence de revisite d'une zone donnée. La proximité du capteur à la surface permet d'accéder à des résolutions plus fines que celles observables depuis l'espace, et donc d'étudier, en lien avec les chercheurs brestois en télédétection, les fluctuations"sous-maille" qui affecte les mesures satellites, ou de réaliser des travaux de physique de la mesure (cas de la diffusiométrie micro-ondes, par exemple).

Le développement sur le pôle brestois de la capacité (déjà existante au Pôle Image de l’IUEM, mais avec un rayon d’action limité à la frange littorale) de mise en œuvre de l'outil aéroporté est un enjeu majeur des années à venir, et conditionne par exemple les progrès à venir dans la compréhension de la dynamique des fronts thermiques de plateau dans les mers à marée: ces structures sont en effet géométriquement complexes et très dynamiques. En l'absence d'une information synoptique à très haute résolution temporelle (et donc exempte des problèmes associés à la couverture nuageuse), le repositionnement dans un repère lié à la structure des observations in situ, même à haute résolution spatiale, acquises au moyen des engins tractés, reste très hasardeux, et l'interprétation demeure difficile.

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IV.3.b Modélisation Numérique Les modèles numériques constituent un outil de choix pour les océanographes physiciens depuis de nombreuses années :

parce qu'ils complètent les observations en donnant l'accès aux paramètres observés, mais aussi à des grandeurs non triviales, sur une large gammes d'échelles spatiales et temporelles,

parce que leur malléabilité permet de vérifier les hypothèses et résultats obtenus dans un contexte théorique,

parce qu'ils permettent d'explorer des régimes dynamiques pas directement ou pas complètement accessibles à l'observation ou l'expérimentation (cf leur rôle dans la mise en évidence de la sous-méso-échelle).

L'élaboration de modèles numériques complexes pour la circulation (au minimum résolvant les équations primitives) ou l'état de mer se base sur des concepts (mode splitting, décomposition RANS, conservation de la densité d'action…) pour la plupart assez anciens ; les voies de leur amélioration suivent deux directions principales :

la première concerne les méthodes numériques et leur intégration pour résoudre un système d'équations complexe. C'est particulièrement vrai pour les modèles de circulation pour lesquels il s'agit d'apporter un soin particulier aux schémas numériques employés (maîtrise des erreurs de dissipation et de dispersion pour améliorer la résolution effective), aux interactions entre ces schémas, à la cohérence des modes résolus (couplage barotrope-barocline, filtrage sélectif des modes numériques),… Cette première voie nécessite désormais ou bien d'avoir les compétences numériques nécessaires (ce qui n'est pas le cas du site brestois) ou bien de travailler au niveau national en collaboration avec les équipes compétentes (un point d'entrée naturel au niveau français est l'équipe MOISE du laboratoire Jean Kunzman à Grenoble).

la seconde voie d'amélioration est l'enrichissement des processus pris en compte soit par la physique explicitement résolue (e.g. approximation Non Hydrostatique, voire Non Boussinesq pour les modèles de circulation) ou paramétrisée (e.g. formulation unifiée de la dissipation de l'énergie des vagues liés au déferlement)

Ces voies d'amélioration sont rendues plus accessible grâce aux performances sans cesse grandissantes des capacités de calcul à la disposition des chercheurs, qui leur permettent outre d'employer des schémas numériques plus performants mais plus coûteux, d'intégrer davantage de processus physiques, d'améliorer sans cesse la résolution spatiale (globalement ou localement à l'aide de méthode de nesting multigrille two-ways) et/ou d'augmenter les durées d'intégration des modèles. Il reste que l'exploitation pleine et entière de ces calculateurs requiert une capacité d'adaptation à l'évolution des architectures et une maîtrise du calcul numérique à haute performance en partie disponible au sein du Pôle Intensif de Calcul pour la Mer (PCIM) brestois.

Une ultime voie d'amélioration pour la description de l'océan côtier est bien entendu l'utilisation couplée des différents modèles à disposition (circulation, vagues, atmosphère pour ce qui concerne la physique). A ce titre le pôle brestois bénéficie d'atouts considérables pour l'élaboration de systèmes numériques couplés de façon plus ou moins élaborée puisqu'il concentre (sur certains thèmes au sein du seul LPO) les savoir-faire nécessaires : on peut citer dans ce registre un formalisme en phase moyenné des vagues établi par Ardhuin et al. (2008) pour introduire dans les modèles de circulation l'effet des vagues, qui a été ensuite appliqué (Bennis et al. 2011, Michaud et al 2012, Delpey et al 2014). Beaucoup reste encore à faire sur ce formalisme conceptuel (cf chapitre V) comme sur d'autres sujets touchant au couplage cohérent des compartiments physiques.

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IV.4 Stratégie à moyen terme

IV.4.a Stratégie scientifiqueDe façon plus synthétique, les travaux de recherche sur l’océan côtier envisagés à moyen terme sur la pointe Bretonne participent de 3 grands thèmes:

Un premier thème rassemble les travaux portant sur l’étude de la dynamique intrinsèque de l’océan sur ses marges, vue notamment sous les angles de la dynamique de méso-échelle, de marée, ou de la circulation de talus. Il est prévu qu’au cours des années à venir ces processus soient abordés de façon numérique sur les zones Gascogne, Méditerranée, Sénégal, Afrique du Sud et Golfe Persique et de façon conjointe observationnelle et numérique dans le cadre des chantiers Iroise/Mer Celtique et Sénégal/Mauritanie détaillés ci-dessous, dans le cadre de l’exploitation des données des campagnes réalisées dans le cadre du projet inter-organismes EPIGRAM, ou via des collaborations individuelles dans des chantiers réalisés sous maîtrise d’ouvrage non-brestoise, comme notamment en Méditerranée. D’autres pistes possibles viennent des sollicitations récentes de Total auprès de l’Ifremer pour le développement d’un chantier sur le plateau continental de la South Brazilian Bight.

Un second thème, qui regroupe les travaux portant sur l’étude des interactions entre l’océan côtier et les systèmes qui lui sont connexes: fond, atmosphère, océan du large, surfaces continentales. Si l’étude de l’interaction eau/sédiment a atteint sur Brest un haut niveau de maturité scientifique, le thème de l’étude des interactions océan/atmosphère est actuellement en cours de construction, en lien notamment avec les chercheurs impliqués dans le chapitre V de cette prospective. L’étude de l’interaction avec l’océan du large, si elle constitue un enjeu scientifique majeur des années à venir, n’a pu commencer à être caractérisée sur une base observationnelle solide que dans le cas archétype des systèmes d’upwelling, ou dans celui des phénomènes de cascading de Méditerranée. Les processus d’échanges moins violents, tels que ceux dus à l’influence de tourbillons de méso-échelle hauturière, présentent des difficultés observationnelles qui nécessiteront le développement d’instrumentation ou de stratégies expérimentales très spécifiques, ou le choix de chantiers observationnels particulièrement adaptés. Enfin, le développement d’une thématique de recherche sur les interactions avec les surfaces continentales, s’il est souhaitable, devra faire l’objet d’une réflexion dans les années à venir quant à ses modalités.

Un troisième thème, qui est encore sur Brest à ses débuts, mais qui justifie un effort important du fait de ses implications sociétales majeures, est l’étude des mécanismes par lesquels un changement climatique global se décline aux échelles régionales à locales. Du fait de son importance particulière, ce thème est lui aussi détaillé plus bas sous forme d’un “chantier”. Cette thématique implique des interactions étroites avec les équipes brestoises du volet Océan et Climat de cette prospective.

IV.4.b ChantiersIl est difficile de fournir une vision exhaustive de la multitude de chantiers individuels (numériques, expérimentaux, purement physiques comme interdisciplinaires) qui bénéficient d'une implication de chercheurs physiciens côtiers brestois. Ces chantiers se rencontrent sur toutes les façades métropolitaines (Atlantique, Manche, Méditerranée), outre-mer (Saint Pierre et Miquelon, la Réunion), autour du continent africain (Maroc, Sénégal, Golfe de Guinée, Benguela, courant des Aiguilles, Mozambique), et en Mer d'Arabie et dans les golfes adjacents. S'il est prévisible que cette diversité se maintiendra dans les années à

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venir, certains chantiers fédérateurs en cours ou à venir, impliquant un effort observationnel et de développement numérique particulier, sont cependant discutés plus en détail dans les sections suivantes.

Iroise / Mer Celtique

Une réflexion est actuellement en cours, en lien avec les chercheurs impliqués dans l'axe "Interface Air-Mer" de cette prospective, pour mettre en place, à l'horizon 2016-2017, un programme de recherche intégré sur la zone Iroise-Mer Celtique. Ce projet, qui pourra être phasé avec les campagnes aéroportées de calibration/validation des missions SWOT (CNES/NASA) et CFOSAT (CNES/CNSA), comprend une observation systématique par les SAR à bord de Sentinel 1-A et 1-B, et une modélisation réaliste couplée (océan-vagues-atmosphère), soutenue par le projet AMICO, et un volet expérimental assez lourd, axé sur la mesure des flux atmosphériques à l'interface océan/atmosphère, de leur impact sur l'état de mer et la dynamique océanique de méso-échelle, de l'impact atmosphérique du fort gradient thermique de surface associé au front, et des signatures de ces effets sur les grandeurs accessibles à la télédétection satellite (infrarouge et micro-ondes actives). Une autre thématique qui sera abordée est l'étude de la dynamique des ondes internes se propageant sur la thermocline saisonnière et l'étude du mélange vertical qu'elles induisent. Un volet bio-géochimique pourra être mis en place, en lien avec la Zone Atelier Brest-Iroise (ZABRI) de l'INEE.

Upwelling de Mauritanie/Sénégal

Plusieurs chercheurs côtiers brestois sont actuellement impliqués dans le projet européen AWA d'étude pluridisciplinaire du fonctionnement de l'écosystème pélagique du système d'upwelling d'Afrique Occidentale. Le but de cet implication est double: il s'agit d'une part de contribuer à l'étude de cet écosystème en tant que tel, d'autre part de bénéficier de la logistique mise en place dans le cadre de cette campagne par les partenaires majoritaires pour avoir accès au laboratoire naturel que constitue ce système d'upwelling, qui couvre une façade longue de plusieurs milliers de kilomètres, et possède un panel varié de conditions bathymétriques (morphologie du talus, largeur du plateau, accidents du trait de côte tels que le Cap Vert, structure spécifique du Banc d'Arguin), exposées à un contexte hauturier lui aussi variable. A ce titre, les moyens expérimentaux du LPO (Scanfish) ont été mis en oeuvre au cours de la campagne AWA de février 2014, où ils ont permis la collecte d'un très important jeu de données hydrologiques couvrant les plateaux continentaux allant de la Mauritanie jusqu'à la Casamance. Ce jeu de données, homogène du point de vue de l'instrumentation utilisée, et quasi-synoptique dans sa durée de collecte, constitue un jeu de données de référence pour les partenaires du projet, et une base solide pour un effort de compréhension du phénomène d'upwelling qui pourra être valorisé sur d'autres chantiers, plus prioritaires pour d'autres instituts, et couvrant des zones à la phénoménologie similaire.

Impact régional du changement climatiqueDans un contexte de changement global (climatique et anthropique), les régions océaniques côtières telles que le golfe de Gascogne, la Manche ou la Méditerranée Nord Occidentale constituent des domaines clés dans la redistribution de ces évolutions (e.g. en terme de température ou de niveau de la mer) sur les côtes et plus largement dans les zones économiques exclusives. En effet, les domaines côtier (plateau continental) et régional (talus et plaine abyssale) sont sensibles aux évolutions à long terme provenant de l’océan du large, de l’atmosphère et des bassins versants. Ces évolutions peuvent avoir des impacts sur l’ensemble de l’écosystème (de la physique aux habitats benthiques ou pélagiques). Afin de pouvoir comprendre et par extension prédire les évolutions de ces écosystèmes, il reste indispensable d’aller plus avant dans la description et l’analyse de la variabilité interannuelle passée et future sur des périodes décennales à pluri-décennales.

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La communauté brestoise de recherche en océanographie physique participe et se positionne comme un acteur pilote sur ces problématiques. Ce chantier se décline au travers de différents projets (actuels et futurs) au regard des zones géographiques concernées (e.g. projet ENIGME en Manche/Gascogne, CLIMCARES en Méditerranée, C3E2 pour l'évolution des estuaires) et de la diversité de interactions à considérer. En effet, l'étude des évolutions à long terme implique une bonne connaissance des interactions de l'océan côtier avec le large se traduisant par des collaboration étroites avec d'autres équipes du LPO (cf. volet Océan et Climat) mais aussi des interactions avec les autres interfaces (atmosphère, bassins versants), ainsi qu'une connaissance de l'impact des processus à petite échelle et/ou intermittents sur le long terme. Les enjeux résident dans l'identification et la compréhension de ces mécanismes sur des périodes passées pour pouvoir aller vers des projections, à minima, évaluables de la dynamique de l'océan côtier sur des périodes futures.

IV.4.c Des moyens communs à consoliderLa recherche en océanographie physique côtière à Brest doit s'appuyer sur un ensemble d'infrastructures numériques et d'observation. Ces dernières, en partie structurées au travers de projets liés à l'Océanographie Côtière Opérationnelle et du projet PREVIMER soutenu par la région Bretagne, doivent évoluer en adéquation avec le besoin de la communauté de recherche et l'organisation de ces infrastructures au niveau national.

Observationnels

Les réseaux d'observation côtiers constituent un des supports à la recherche qui doit être consolidé. Ces derniers s'organisent autour de différents moyens d'observation (bouées fixes, mesures d'opportunités, profileurs côtiers, radars HF). Ils sont une source d'observations couvrant un large spectre de processus allant de la haute fréquence (inférieure à l'heure) aux échelles décennales à centennales (13 ans d'observation haute fréquence à la bouée MAREL Iroise, près de 200 ans de série continue d'observations de la marée à Brest). La diversité des paramètres mesurés permet aussi de répondre à différents problématiques. Par exemple, la bouée MAREL Molit et les mesures d'oxygène dissous est un observatoire clé dans le suivi de la dynamique lié aux effets de l'eutrophisation. Dans un autre cadre, les profileurs côtiers déployés sur le plateau Armoricain depuis quelques années montrent une variabilité jamais observée jusqu'à présent des masses d'eau froide de fond isolées des eaux de surfaces.Ces réseaux opérés et maintenus de manière optimisée en terme de stratégie d'observation mais aussi de coûts associés s'appuient sur l'expérience de la communauté brestoise et doivent être consolidés pour conserver cette capacité d'observation et de suivi de la dynamique de l'océan côtier.Dans un cadre plus générique, la communauté de l'océanographie côtière brestoise accorde un effort conscient, concerté et important au maintien du parc d'instrumentation utilisé lors de ses campagnes ponctuelles, avec le souci constant de développer l'entraide et les prêts d'équipements entre les structures. Il est important que cet effort soit reconnu et soutenu.

Numériques

L'approche numérique des problématiques évoquées précédemment dans ce document se construit sur des outils (modéles numériques et outils périphériques) qui sont en perpétuelle évolution. Au fur et à mesure que les moyens de calculs se développent, les limites des modèles numériques sont repoussées (e.g. rafinement des échelles spatiales résolues, approximation nécessaires pouvant être levées). Dans ce contexte, le pôle brestois a ainsi été impliqué ces dernières années via ses chercheurs, ingénieurs et techniciens dans des projets (ANR COMODO, ERC IOWAGA, CPER PREVIMER ou PCIM) qui ont contribué à améliorer les modèles eux-mêmes, les pratiques de modélisation (construction d'outil de pré et post processing) et conséquemment les résultats produits en mode recherche et opérationnel.

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Le groupe COMODO rassemblant les principaux acteurs de la modélisation océanique régionale côtière française, élaborée patiemment depuis 2008, a trouvé une dynamique (projet ANR 2011-2014) qui lui permet d'envisager une convergence de certains modèles et une réduction de l'émiettement de la communauté en terme d'outils à court terme. Cette dynamique dépasse le pôle brestois mais celui-ci a un rôle à jouer (nombre des chercheurs brestois sont impliqués dans ce groupe) et un intérêt majeur à participer à cette initiative pour fédérer les acteurs des équipes brestoises et aider à poursuivre la structuration de la communauté nationale.

L'outil duquel les volontaires du groupe COMODO ont déjà tracé les contours a été nommé CROCO. Cet outil national qui pourra occuper à côté de NEMO le segment régional côtier jusqu'au littoral dépassera les capacités actuellement disponibles au sein des différentes équipes. Sur la base d'une grille structurée de type C, il pourra notamment, intégrer le meilleur coeur numérique conçu à ce jour (optimisation de la résolution effective), une capacité non Boussinesq (pour l'appréhension des toutes petites échelles frontales ou ondes solitaire ou modes internes aigus, une fonctionnalité réellement multigrilles two-way ; cette approche est une solution alternative aux modèles en grilles non structurés qui sont déjà utilisés au sein de la communauté nationale avec succès pour certains types de processus (Bertin et al., 2012) ; ces approches souffrent encore d’un certain nombre d’inconvénients (e.g. complexité de l’introduction de schéma d’ordre élevé, coût calcul par noeud - voir Danilov et al., 2008) mais surtout la communauté française en terme de capacité de développement est moins structurée que ce que l’on peut organiser à brève échéance dans le groupe COMODO/CROCO.

IV.4.d Positionnement national, européen et internationalSes atouts permettent à la communauté brestoise de s'impliquer dans de nombreux projets structurants à l'échelle internationale, européenne et nationale.

Par exemple, au niveau international, nous pouvons citer la contribution brestoise au projet GODAE OceanView via sa composante COSS-TT (Coastal Ocean and Shelf Seas - Task Team). Au niveau européen, les projets tels que JERICO (et potentiellement les futurs projets JERICO-Next et AtlantOS) jouent un rôle dans la structuration des infrastructures d'observation. Au niveau national, l'ANR EPIGRAM a su fédérer une large partie de la communauté en océanographie physique (et de la communauté brestoise) autour du Golfe de Gascogne. Actuellement, l'ANR COMODO appuie les développements numériques autour des modèles côtiers et l'ANR AMORAD, dans un contexte pluridisciplinaire implique la communauté physique pour la compréhension de la dynamique en lien avec les traceurs radioactifs. Les programmes tels que LEFE/GMMC ou EC2CO contribuent à des actions de recherche autour des évolutions pluri-décadales (PPR ENIGME), de la dynamique des ondes internes (PAC GERONIMO).

Au-delà de ces activités, en lien avec l'océanographie côtière opérationnelle, la communauté brestoise contribue ou a contribué à des projets tels que PREVIMER visant à démontrer notre capacité prédictive en milieu côtier ou AMICO visant à mener des actions de recherche en amont des futurs systèmes d'océanographie côtière opérationnelle. Plus largement, le pôle brestois est représenté au travers d'associations pour l'océanographie opérationnelle telles qu'EuroGOOS, et ses systèmes régionaux IBIROOS, MOON ou NOOS.

Dans les années à venir, d'autres projets vont certainement se développer en lien avec la montée en puissance des filières industrielles dédiées aux Energies Marines Renouvelables et pouvant constituer une source de financement pour des développements de systèmes instrumentaux permettant l'observation de l'océan côtier aux échelles pertinentes pour la recherche scientifique et de nouvelles applications. Il s’agit par exemple une

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instrumentation acoustique utilisant une formation de voies pour une cartographie des courants et de la turbulence, de portée hectométrique et résolution métriques.

IV.5 Forces et faiblesses - opportunités et risques du pôle brestoisLa présente analyse et les discussions associées permettent de mettre en perspective certaines des forces et faiblesses du pôle brestois d’océanographie côtière dans sa structuration actuelle:

Tout d'abord, le pôle brestois bénéficie de la présence et de l'implication d'une multiplicité d'organismes aux attributions et zones d'intérêts largement distribués. Cette distribution facilite la mise en place de projets multidisciplinaires (e.g. FroMVar, chantier Sénégal de l'IRD). De plus, les instituts représentés (e.g. CNRS, Ifremer, IRD, SHOM) possèdent des capacité logistiques qui rendent possible la mise en place de projets sur des zones géographiques lointaines (e.g. chantiers IRD au Sénégal, projets dans le Golfe Persique, études autour de Saint Pierre et Miquelon).

Parmi les forces identifiées, nous pouvons aussi noter le potentiel humain important pour le développement d'infrastructures d'observation et de modélisation numériques.

A contrario, il doit être relevé une fragmentation actuelle des capacités entre les différentes entités de recherche, une faible visibilité internationale, un désengagement relatif des instituts dont elles dépendent, en retrait par rapport aux début des années 2000 et le lancement de l’initative REDEO. Ces aspects contribuent à une difficulté à faire émerger des chantiers fédérateurs à la hauteur des capacités de recherche prises dans leur ensemble.

Au-delà des moyens, ces constats invitent à étudier la question de l’organisation de la recherche côtière et de son animation. Sans préjuger des résultats de la discussion prospective actuellement en cours au sein de l’Ifremer/DYNECO, il a été demandé aux rédacteurs de ce chapitre de prospective de mener une analyse des forces, faiblesses, opportunités et handicaps que constituerait l’organisation au sein de l’Ifremer d’un pole unique de physique côtière sous la forme d’une équipe d’océanographie physique côtière dans le cadre du renouvellement de l’UMR aujourd’hui intitulée “LPO”.

IV.5.a ForcesLes atouts principaux d'une telle organisation sont les suivants:

Cette organisation a l’avantage de favoriser les échanges sur le plan scientifique entre experts thématiques sur les différents volets de la dynamiques côtière. De tels échanges favorisent la construction de projets mutualisés et cohérents entre les différents acteurs de la recherche locale.

Concernant les outils numériques le contexte national, dans la dynamique COMODO, est actuellement favorable à l'organisation depuis longtemps réclamée par les tutelles de la communauté des modélisateurs de l'océan côtier. Il se profile au travers du groupe CROCO une possibilité de fédération de pratiquement tous les laboratoires français travaillant à l'échelle des mers régionales (LEGOS, LOCEAN, LPO, DYNECO, LA) et de numériciens spécialistes (INRIA-LJK). Le pôle brestois dispose de nombreux atouts pour avoir un rôle moteur dans cette dynamique :

o un potentiel humain important,

o des compétences dans pratiquement tous les compartiments en jeu dans la dynamique côtière et littorale (circulation, vagues, atmosphère), avec des capacités de mise en oeuvre mais aussi de

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développements avérées (concernant plus particulièrement les codes WWIII, meso-NH, ROMS, MARS, HYCOM),

o une infrastructure de calcul de type mésocentre avec un ingénieur d'exploitation pratiquement dédié au calcul scientifique et à sa mise en oeuvre en contexte massivement parallèle et en mode couplé.

Le regroupement des forces concernées au sein de l’Ifremer pourrait permettre de contribuer au lancement d’un projet CROCO avec une implication partagée et équilibrée des ingénieurs et chercheurs.

Au niveau national, les équipes de recherche brestoises constituent une masse critique importante. En effet, l'évolution historique des différents laboratoires intervenant sur l’océan côtier thématique (l'unité DYNECO de l'Ifremer, le SHOM, l'UMR LPO, ...) a favorisé la concentration de nombreux acteurs de l'océanographie physique côtière dans ces instituts. Les études passées menées illustrent le large panel d'expertise développé au sein des équipes brestoises.

De la même manière, l'observation in situ en milieu côtier a été développée dans les différents groupes et des moyens d'observation pourront être partagés (e.g. Scanfish, Radar HF pour le LPO; capteurs low cost - MASTODON -, ADCP, ALTUS pour DYNECO/PHYSED).

Les instituts représentés (e.g. CNRS, Ifremer, IRD, SHOM) possèdent des capacités logistiques qui rendent possible la mise en place de projets sur des zones géographiques lointaines (e.g. chantiers IRD au Sénégal, projets dans le Golfe Persique, études autour de Saint Pierre et Miquelon).

Les équipes de recherche brestoises bénéficient de la présence et de l'implication d'une multiplicité d'organismes aux attributions et zones d'intérêts largement distribuées. Cette distribution facilite la mise en place de projets multidisciplinaires (e.g. FroMVar, chantier Sénégal de l'IRD).

IV.5.b FaiblessesLes faiblesses d'une telle organisation résident dans les points suivants:

Cette structuration peut laisser craindre un éloignement des autres laboratoires dédiés à d'autres disciplines (e.g. biologie benthique ou pélagique), actuellement rassemblés au sein de l'unité DYNECO de l'Ifremer; cet éloignement pourrait être contre-balancé par une tâche de service identifiée au sein de l'UMR LPO ou par la mise en place de Groupes de Recherche.

Pour les plateformes de modélisation, la difficulté majeure demeure à ce jour dans l'appartenance de ces personnels à des unités propres à plusieurs organismes (Ifremer, SHOM) et à des unités mixtes (LPO) suivant chacun des objectifs différents et des stratégies qui ne sont pas forcément compatibles.

Le positionnement de la dynamique sédimentaire actuellement dans DYNECO/PHYSED est délicat, alors que c’est un axe d’excellence mondialement reconnu qui se retrouve naturellement au coeur de l’unité actuelle DYNECO, contribuant au lien avec les écosystèmes, en particuliers benthiques. Cette question reflète aussi la coupure entre “côtier” et “littoral” qui ne se rejoignent que sur les aspect marée, surcotes et vagues. On peut imaginer une équipe à part entière sur ces questions (dynamique sédimentaire, marée, surcotes).

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IV.5.c OpportunitésAu regard de ces forces et ces faiblesses, un certain nombre d'opportunités découlent de cette proposition:

L'opportunité de développer des chantiers communs en s'appuyant sur l'étendue de l'expertise associée à ce groupe d'océanographie physique côtière.

Cette organisation favoriserait le renforcement des interfaces et des échanges avec la communautés de l'océanographie physique hauturière.

Une éventuelle création d'un pôle modélisation numérique offrirait l'opportunité de fédérer les efforts autour d'un nombre restreint de codes numériques permettant une mutualisation des efforts, des développements, des outils à disposition.

IV.5.c RisquesEn contrepartie, il convient de mesurer les risques associés à une telle organisation:

Ce rapprochement disciplinaire ne doit pas se faire au détriment du lien avec les applications même si les appels à projets tendent à entretenir ces liens. En interne Ifremer, il conviendrait de définir et organiser la part de soutien et/ou service devant être maintenue envers les Laboratoires Environnement Ressources ou les équipes d'autres disciplines (e.g. biologie benthique et pélagique, halieutique).

Le déploiement d'un pôle d'océanographie physique côtière au sein d'une UMR telle que le LPO peut avoir un impact sur la gouvernance souhaitée par les différents instituts. Un soin particulier devrait être accordé à ce que les attentes des différentes tutelles soient traitées avec équité.

Concernant le pôle de modélisation numérique, le principal obstacle à surmonter est de constituer un groupe en s'appuyant sur des personnes appartenant actuellement à des entités différentes (LPO, Ifremer-DYNECO, Ifremer-IDM) et qui ont déjà largement contribué à des tâches de service au sein de leurs équipes respectives dans un passé plus ou moins récent. L'autre difficulté d'une telle organisation par rapport à l'existant, et concernant plus particulièrement l'Ifremer, est la spécialisation de ce groupe autour de la physique rompant avec une vision intégrée élaborée au cours des années pour servir les besoins d'autres thématiciens au sein de DYNECO et de l'unité Littorale.

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V. interface air-mer

Détail de l’image sentinel 1A du 1er septembre 2014, autour d’Ouessant: vent, vagues & courants. Vents et vagues sur la “queue du champignon du Fromveur” ont été échantillonées par un réseau de 10 bouées dérivantes afin de

mieux comprendre les relations entre cisaillement de courant, convergence et signature radar.

V.1 ContexteL'interface est considérée ici comme la réunion des couches limites atmosphérique (couche de surface et couche de limite libre) et océanique (couche de surface et couche mélangée).

Historiquement, les travaux réalisés à la pointe bretonne ont été largement motivés par les besoins de Marine Nationale sur la couche de mélange océanique pour la détection sous-marine, de l'industrie pétrolière pour les vagues. Le développement télédétection spatiale pour le compte de l'EUMETSAT et de Météo-France (CMS Lannion) et de l'Agence Spatiale Européenne (CERSAT) a aussi tiré profit de la position géographique et des compétences apportées par les établissements d'enseignement supérieur, en particulier Télécom Bretagne. Certains domaines ont atteint un haut niveau de maturité. C'est le cas de la télédétection pour la mesure de la température de surface de la mer, du vent ou de la concentration en glace de mer, ou de la prévision des vagues en mer. L'expertise brestoise est largement reconnue sur ces questions.

Ce haut niveau rend possible de nouvelles applications. On peut citer

l'étude des évènements extrêmes : fortes tempêtes et ouragans, pour lesquels peu de mesures directes sont disponibles

l'estimation des paramètres « de second ordre » dans les mesures de télédétection : c'est le cas de la salinité de surface et des courants marins

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la modélisation directe de signaux influencés par la surface marine et leur inversion en terme de vent, vagues ou autres paramètres : réflexions GNSS, microséismes

Des difficultés de compréhension des signaux mesurés subsistent tout de même pour estimer des tendances à long terme, c'est particulièrement le cas pour la vitesse du vent (e.g. Grodsky et al. 2012).

Les études de processus de mélange sont en partie à relier à celles à très haute résolution de l'océan et de la dynamique de l'océan côtier (cf. chapitre III), où les récents progrès ont mis en évidence l'importance de la dynamique des couches limites tant en zone côtière que hauturière.

V.2 Enjeux et objectifs scientifiques

Depuis ces cinq dernières années, l'urgence de mieux comprendre, observer et simuler cette interface est devenue évidente, constituant un verrou pour progresser tant dans les prévisions océaniques que climatiques (cf les récents ateliers nationaux et internationaux, ) mais aussi en prévision numérique du temps (PNT) et prévision saisonnière (cf plan de recherche à 10 ans de Météo-France ou du Centre Européen de Prévision à Moyen Terme).

Les enjeux scientifiques de compréhension, suivi et capacité de prévision de la dynamique de l'interface sont associés

à l'interaction des vents, vagues, courants et glace de mer : sécurité de la navigation, exploitation des ressources énergétiques en mer, interprétation de la télédétection spatiale, risques côtiers …

aux échanges de quantité de mouvement et chaleur entre océan et atmosphère : prévision météorologique et océanique des échelles courtes (prévision du temps journalière) aux échelles longues (prévision climatique)

aux échanges de gaz à effet de serre et la production d'aérosols : prévision climatique

Le pôle brestois est un leader mondial sur le premier point. Le second est en partie lié au premier et est le débouché naturel des recherches sur l'interface. Un partenariat avec le MIO ou d'autres centres internationaux pourrait permettre d'avancer sur la mesure et le paramétrage des flux turbulent, et de faire le lien avec une activité de modélisation numérique qui est en gestation. Enfin le troisième point est au coeur du programme international « Surface Ocean - Lower Atmosphere Study (SOLAS) ». Quelques contributions ont pu être apportées de façon ponctuelle, mais cela reste encore anecdotique.

La difficulté essentielle dans l'étude de l'interface air-mer est la grande gamme d'échelles qu'il faut prendre en compte, du centimètre à plusieurs kilomètres. Cela est particulièrement vrai pour déterminer les flux air-mer ou l'évolution du champ de vagues et l'ajustement du vent : il n'existe pas encore d'observations ou de modèle numérique capable de résoudre à la fois les vagues dominantes et les vagues de gravité-capillarité qui déterminent la tension de vent et une bonne partie de la signature dans le domaine micro-ondes. De même la simulation l'atmosphère ou de l'océan échappe encore à une vraie modélisation de type « large eddy simulation », et le mouvement des vagues qui est le plus énergétique est encore paramétré.

Voici quelques objectifs possibles pour les années à venir, et sur lesquels la communauté brestoise peut se positionner.

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V.2.a Modélisation réaliste couplée vent-vagues-courant aux échelles inférieures au kilomètre:La dynamique océanique à petite échelle est très sensible au forçage par le vent, qui s'ajuste de façon dynamique au champ de température de surface. L'état de mer est au minimum un excellent traceur de cette interaction, comme le révèlent l'imagerie SAR et la rugosité observée en optique dans le reflet du soleil. Or le couplage océan-vagues-atmosphère à la sous-méso échelle reste peu compris et étudié. De nombreux exemples existent, montrant la nécessité d'engager des recherches sur ce thème qui sont maintenant possibles avec les moyens existants d'observations et de modélisation.

Plusieurs jeux de données semblent indiquer par exemple que des boucles de rétroactions aux échelles inférieures à 50 km sont actives (p.e. dans les régions de fronts océaniques ou sur les méso-vortex océaniques) mais nous n'avons pas de compréhension quantitative des interactions à ces échelles. Quels sont les phénomènes de rétroaction pertinents ? Comment peut-on les représenter dans des modèles côtiers et hauturiers aux résolutions insuffisantes? Peut-on simuler les réponses observées en rugosité autour d'un front océanique, des tourbillons ou des filaments? De nombreux outils numériques ont été développés aux échelles régionales et globales. Leurs résultats posent cependant question, notamment du fait de la difficulté de représenter correctement le couplage de processus océan-vague-atmosphère s'effectuant à des échelles sous-maille horizontales (du mètre à la centaine de mètres) et verticale. Les échelles pertinentes d'étude des processus en jeu sont de l'ordre de 1-100 mètres, atteignables avec des LES océan et/ou des LES couplés océan-atmosphère incluant une représentation réaliste de l'état de surface (modèle de vagues). A l'instar des progrès importants obtenus grâce aux LES pour l'atmosphère sur les 20 dernières années, l'approche LES combinée à des observations aux résolutions similaires permettra des avancées majeures dans la compréhension physique de l'interface dont ses boucles de rétroactions. Elle permettra de facto d'explorer des domaines quasi-vierges de connaissance. Ces développements demandent une revisite importante du concept de LES : tant que les échelles les plus énergétiques (les vagues) ne sont pas résolues explicitement, il faut s'attacher à vérifier le réalisme de leur paramétrage. En ce sens, la LES en milieu océanique actuelle est différente d'une LES atmosphérique au-dessus d'une surface continentale.

V.2.b Compréhension quantitative du bilan énergétique des vagues à toutes les échelles (de 0.1 à 300 s de période) F. Ardhuin, F. Leckler, B. Chapron, P. Queffeulou

A l'exception de leur répartition angulaire, ce qui pose problème pour le génie océanique, les vagues dominantes forcées par le vent local (périodes 4 à 18 s) soient assez bien observées et modélisées – quand le forçage par le vent et les courants sont bien connus. Sur l'aspect directionnel on peut attendre une réelle avancée de la mission CFOSAT, et des missions Sentinel 1A/1B. Beaucoup plus problématique est la houle qui, bien que très bien observée via les SAR (ERS, Envisat et maintenant Sentinel 1A/1B) et les microséismes, a un bilan énergétique auquel on ne comprend encore rien. La question de la quantification et de l'identification des mécanismes de dissipation de l'énergie de la houle fait l'objet de travaux dans le cadre du Labex Mer (post-doc de J. Stopa, modélisation numérique à l'Ecole Centrale de Nantes).

A plus grande période, le bilan énergétique des ondes infragravitaires est lui aussi un mystère. Ce bilan est nul en océan ouvert mais il est mal compris en zone littorale, là où les ondes IG dominent les fluctuations rapide du niveau d'eau pendant les tempêtes avec un impact considérable sur les aléas de submersion. Enfin, à l'autre extrémité du spectre des vagues, pour les longueurs d'ondes inférieures à 10 mètres, nous n'avons pas encore d'explication quantitative du bilan d'énergie qui aboutit aux formes spectrales observées et au statistiques des pentes. Une difficulté essentielle est le caractère multi-échelle du champ de vagues : comment les vagues longues influencent les plus courtes, soit directement soit par la modification des courants de surface, de l'écoulement d'air … Cette difficulté est aussi associée à la compréhension encore

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très limitée des phénomènes de déferlement (avec formation d'écume) et de micro-déferlement. L'essor des méthodes numériques et des observations (vidéo, polarimétrie) sera certainement un moyen de progresser. La prévision des propriétés statistiques du déferlement est un des enjeux important de l'amélioration des modèles d'état de mer, qui peut ouvrir à des applications importantes sur les flux de gaz ou la production d'aérosols.

V.2.c cycle diurne en température, vent et couche de surface océaniqueH. Roquet, S. Saux Picart, A. Bentamy, J.L. Redelsperger, L. Marié, F. Orain, M.N Bouin

Le cycle diurne de la température de surface est associé à la variation de l'éclairement solaire au cours de la journée. Les premiers mètres de l'océan sont réchauffés par le rayonnement courte longueur d'onde. Ce réchauffement est contre-balancé par un refroidissement dû au rayonnement grande longueur d'onde émis par la surface et aux flux de chaleur latente et sensible qui eux même vont dépendre fortement du vent et des états de mer.

L'amplitude du cycle diurne de la température de surface de mer est en général assez faible (<0,5°C) mais peut atteindre plusieurs degrés dans certaines régions et conditions de vent faible (Gentemann et al., 2008 ; Merchant et al, 2008). Une conséquence importante et directe concerne la mesure de la température de surface par télédétection : la difficulté étant de savoir le domaine de validité de cette mesure qui est représentative des premiers micro-mètres (température de peau) de surface et sera donc fortement affectée par la présence ou non d'un cycle diurne. Les problèmes que cela pose concernent en particulier la comparaison/validation de produits satellitaires avec des mesures in situ (souvent prises à 1m ou plus de profondeur) et la détermination de la « foundation temperature » définie comme étant la température de surface de la mer affranchie des effets diurnes (Donlon et al., 2007), et qui est la variable assimilée par les modèles. Il est donc important de bien comprendre les mécanismes qui provoquent l’apparition d'un cycle diurne afin de pouvoir quantifier entre autre son amplitude et la profondeur impactée.Un autre aspect directement concerné par la présence de cycle diurne de la température est l'estimation des échanges de gaz et d'énergie à l'interface océan-atmosphère et la fermeture du bilan de chaleur. Le cycle diurne de la température peut être observé par des mesures in-situ et par télédétection et en particulier par le satellite géostationnaire MSG dont la fréquence s'acquisition est de 15 minutes (Le Borgne et al., 2012) et qui permet également l’estimation des flux radiatifs. Des études sont en cours au CMS afin de mieux comprendre ce phénomène. En particulier des exercices de modélisation 1D dans le cadre de collaborations avec le CNRM-Météo-France (projet ANR-REMEMBER), avec le Norwegian Meteorological Institute (Norvège) et avec le Plymouth Marine Laboratory (UK) sont en cours. Les objectifs de ces études sont (i) de cerner les conditions qui conduisent à l'apparition d'un cycle diurne, (ii) d'étudier l'impact de la présence de matière en suspension dans l'eau sur l'accumulation de chaleur dans les couches superficielles de l'océan, (iii) de pouvoir convertir une température de peau en « foundation temperature ».

V.2.d Amélioration de la paramétrisation des flux turbulents atmosphériquesM.N. Bouin, L. Marié, J.L. Redelsperger, A. Bentamy, F. Ardhuin

Les flux turbulents jouent un rôle important dans les échanges de chaleur et de quantité de mouvement à l'interface océan-atmosphère. Sous conditions de vent fort et d'air froid et sec en basses couches, ils représentent la partie dominante des échanges de chaleur (plus de 1000 W/m2) et affichent une variabilité temporelle très rapide car calquée sur celle du vent et du déplacement des masses d'air. Ils jouent donc un rôle clef à la fois dans des processus atmosphériques intenses sur des périodes courtes (cyclones, tempêtes de moyenne latitude, événements précipitants intenses) et à l'échelle climatique. Du fait de la complexité et du

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coût des mesures opérationnelles, leur prise en compte dans les modèles atmosphériques (PNT, climat) et dans des analyses utilisables en forçage de modèles océaniques est effectuée sous forme de paramétrisation – fonction du vent à 10m, des températures et de l'humidité. Ces paramétrisations sont calées sur des mesures représentatives de situations moyennes, et donc insatisfaisantes dans différentes situations météorologiques. L'imprécision actuelle des paramétrisations est de l'ordre de 15 à 20 %, mais dépasse 50 % par vent fort par exemple. En particulier, on sait depuis une vingtaine d'années que la tension de vent dépend de manière importante de l'état de mer, via le coefficient de transfert qui permet de la calculer en fonction du vent (Drennan et al., 2003 ; Oost et al., 2002 ; Geernaert et al . 1986). Or, il s'agit d'un paramètre dimensionnant pas uniquement pour le flux de quantité de mouvement (et donc par effet rétroactif, pour le vent en basses couches et les courants de surface) puisque les flux de chaleur y sont aussi directement proportionnels.

Les paramétrisations existantes permettant de prendre en compte l'effet des vagues s'appuient sur des campagnes de mesures mais restent approximatives surtout dans les situations extrêmes pour lesquelles ces mesures sont rares ou de précision douteuse. La liste ci-après rassemble les domaines atmosphériques donnant lieu aux blocages actuels les plus importants. Dans tous les cas, il est nécessaire d'obtenir des jeux de données observées et simulées permettant de 1) mieux comprendre la physique du couplage vent-vague et des basses couches atmosphériques ; 2) mettre en place des paramétrisations basée sur une compréhension des processus en jeu et en accord avec les mesures (versus des ajustements ad-hoc de paramètres). Les situations à étudier en priorité pour la PNT comprennent :

Vents violents (25 m/s et plus, en particulier cyclones tropicaux) : il est nécessaire de confirmer la décroissance de la rugosité de surface avec l'augmentation de la vitesse du vent; de quantifier le rôle respectifs des embruns et des vagues sur les transferts de quantité de mouvement et de chaleur; de vérifier expérimentalement les mécanismes physiques proposés

Vents modérés (10 à 20 m/s) : déjà assez bien documentés par les mesures mais le rôle des états de mer est toujours controversé (Edson et al., 2013), la variabilité des flux mesurés reste importante, peu expliquée et mal représentée dans les paramétrisations.

Vent faible (<= 5 m/s ) et houle marquée (cas typique des océans tropicaux): la forte variabilité des flux n'est pas totalement comprise et pas encore modélisée (par vent très faible, on s'attend à un flux de quantité de mouvement de l'océan vers l'atmosphère qu n’est paramétré dans aucun modèle); .

Domaine côtier : la prise en compte des états de mer (en lien avec la bathymétrie) est importante pour définir les risques de submersion, en particulier pour les tempête et surcotes.

V.2.e Interprétation des signatures Doppler et emissivité dans le domaine micro-ondes

Alexis Mouche, B. Chapron, N. Reul, Y. QuilfenExemple de mosaique de rugosité (en haut) et Doppler (en bas) mesurée par Envisat sur le Gulf Stream, superposée aux courants déduits de l’altimétrie.

La cartographie des vents et courants côtiers va bénéficier d’une imagerie radar de meilleure qualité, avec une exploitation de SENTINEL 1A/1B qui fournira un net progrès sur les mesures de rugosité et vitesse Doppler, préfigurant une partie des capacités d'une possible mission SWORD ou WaveMill. In fine c'est la combinaison de toutes les mesures spatiales (SST, couleur, rugosité, altimétrie) qui permettra de mieux caractériser les transports et le propriétés des masses d'eau.

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V.2.f Vents extrêmes ...

V.3. Méthodes synergie d'observations : différents paramètres (par exemple rugosité et SST, SST et SSS),

satellite / in situ , multi - paramètres, satellite / bruit sismique pour les vagues

modélisation LES : quels cas de mesures de référence? Equivalent océanique du programme GABLS pour les couches limites atmosphériques?

Observations à fine échelle vent-flux-vagues

Modélisation couplée : mise en place d'un couplage atmosphère-vagues pour une meilleure prise en compte de l'impact des vagues sur les flux turbulents. De manière plus générale : utilisation de l'outil modélisation atmosphérique en lien avec les vagues (modéle, observations) sur des études de cas pour l'amélioration de la paramétrisation des flux turbulents.

Nouvelles observations in situ : structures turbulentes dans l'eau (réseau phasé acoustique), télédétection aéroportée, stéréo-vidéo, bouées dérivantes …

V.4. Opportunités, forces et faiblesses du pôle brestois

Brest rassemble une expertise de niveau mondial sur la mesure des propriétés de la surface océanique et l'analyse des processus physiques. Le pôle breton occidental est un leader mondial sur les interactions vents, vagues, courants et glace de mer. Plus récemment, une expertise s'est développée autour de la modélisation atmosphérique à petite échelle (modèle Meso-NH) qui a été couplé avec le modèle de vagues WW3 et est en train d'être couplé avec des modèles océaniques (MARS3D, Meso-NH-Océan). Personnels pôle brestois avec compétences selon les domaines (probablement non exhaustif) – liste des modèles utilisésAtmosphère : JL Redelsperger, J. Pianezze, MN Bouin, L. Marié, F. Ardhuin, B. Chapron, A. Bentamy, H. Roquet.... - MesoNHVagues : F. Ardhuin, B. Chapron, autres (SHOM) - WW3Océan : L. Marié, JL Redelsperger, V. Garnier, F. Orain, H. Roquet... (+ SHOM) - Mars3D, HYCOM, MesoNH.

Groupe au final assez nombreux mais dispersé en appartenance et localisation : LPO, CMM, LOS, CMS ; en thématiques : compréhension des processus de couplage très fine échelle, amélioration de la modélisation atmosphérique (études de cas), physique de la surface via vagues, méthodo de télédétection (flux turbulents et SST; échelle globale), phénomènes thermiques ou dynamiques (local); en méthodes : modélisation OA très fine échelle, couplée ou non, amélioration des modèles A, études de cas à partir de données + modèles, amélioration des modèles vagues à partir observations, observations fine échelle (O, A, V), télédétection flux, vagues, SST.

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Forces : beaucoup et variées, compétences à la fois en observation in situ (monter des chantiers, développer des instruments, analyser des données...), observation télédétectée (plusieurs pôles, plusieurs vecteurs, plusieurs paramètres), traitement de données, stockage et analyse statistique, développement/amélioration de modèles (océan, atmosphère, vagues, couplage), utilisation de modèles à plusieurs échelles mais plutôt locale (dont couplés)... bon réservoir de compréhension de la physique atmosphère-océan-vagues. Lien avec opérationnel (produits satellites) fort, groupe très proche de la méthodologie (traitement de données, développement instrumental, montage de campagnes, développement de modèles...) tout en ayant une bonne base physique.

Faiblesses : manque d'unité et morcellement, manque de collaboration et vision d'ensemble. Les gens se connaissent et travaillent ensemble mais par petits groupes ( 2 ou 3), les chantiers sont divers et parfois pilotés par des laboratoires extérieurs. Probablement plus de collaborations avec l’extérieur qu’au niveau local. La proximité avec les méthodes peut aussi constituer une faiblesse si elle masque les thématiques scientifiques ou est trop chronophage. + faiblesses classiques des groupes « interface » où le langage des gens qui sont plus « océan » ou plus « atmosphère » n'est pas le même, ce qui peut nuire à la synergie. Majorité de chercheurs expérimentés dans cette communauté IAM (ou chercheurs tenus par des obligations thématiques ou opérationnelles, type SHOM-MF) ce qui ne facilite pas la liberté de collaborer (les thématiques de chacun sont bien définies et peu modulables). Ce morcellement est en partie entretenu par un découpage par variable (SST, vent, SSS, vagues, courant …) des programmes spatiaux.

Opportunités : essayer de développer des synergies, à travers des chantiers plutôt locaux (Iroise, Gascogne ? Arctique? Chantiers fédérateurs de groupes > 3 personnes); montage de financements régionaux ; créer des intégrations entre les méthodes (rassembler sur une même thématique/un même chantier obs in situ- télédétection- modèles incluant développement) ce qui devrait être assez facile au vu des compétences fortes de chacun. Reste à trouver les chantiers rassembleurs. Par ailleurs l’ESA est assez sensible à la synergie de données et certaines missions spatiales comme Sentinel 3 (altimétrie + SST + couleur de l’eau) peuvent être l’occasion de rassembler les chercheurs dans des projets communs.

MétéorologieLes compétences en modélisation atmosphérique (WRF et MesoNH) et en mesure des flux turbulents, et le besoins croissants pour la recherche océanographique, en particulier à haute résolution, militent pour un approfondissement de ces compétences sur des niches originales et à fort potentiel. C'est le cas de la modélisation atmosphérique à très haute résolution et de son couplage avec l'océan, qui peut contribuer très utilement à une meilleure compréhension de la télédétection à haute résolution (en particulier dans le contexte SWOT et Sentinel 1), ou de l'analyse et du paramétrage des flux turbulents. Les besoins connexes de la Marine Nationale (portées infrarouge et radar) ont fait l'objet de nombreux développements au SHOM et on peut certainement trouver de nouvelles synergies, et un soutien dans le cadre de projet duaux (ANR ASTRID, PEA DGA...) pour prendre le relais du soutien obtenu dans le cadre du projet AMICO. Ce positionnement « haute résolution » n'exclut pas, au contraire, un soutien (encadrement, expertise …) à une activité de modélisation couplée océan-atmosphère à plus grande échelle.

VaguesL'expertise brestoise sur le sujet découle d'une longue histoire (travaux de Gelci, Cavanié …) et répond à de multiples besoins qui vont de la télédétection au génie océanique en passant par la géophysique et la dynamique littorale. La structuration d'un « pôle vagues » pourra s'appuyer sur le prochain recrutement d'un ingénieur à l'Ifremer et le maintien des collaborations très étroites entre le SHOM (F. Leckler) , l'Ifremer (LOS, DYNECO, RDT/HO, LPO), le CETMEF et le CNRS. Les points d'excellence en sont la mesure par télédétection (avec l'arrivée de Sentinel-1 A et bientôt 1-B, les missions altimétriques, CFOSAT, SWOT …), la modélisation numérique spectrale, et l'observation in situ.

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Les efforts réalisés au LOS dans le cadre de l'ANR SIMODE et du projet IOWAGA sur la mesure des propriétés de petite échelle des vagues par vidéo et stéreo-vidéo apparaît comme une composante importante pour avancer vers une description plus physique de l'état de mer et arriver à faire le lien entre télédétection et modélisation numérique à grande échelle, avec, par exemple, des débouchés important sur l'estimation des flux d'aérosols marins. Le développement de flotteurs de faible côut mesurant les vagues, est une autre piste amorcée qui peut permettre de faciliter ce lien entre télédétection et modélisation, et contribuer à une meilleure compréhension des images de rugosité.

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VI. propositions (DOCUMENT PROVISOIRE … )

Le positionnement actuel du pôle brestois a beaucoup évolué depuis sa création il y maintenant 40 ans. L'émergence de nouvelles structures (IUEM, CEREMA) a fait évoluer le paysage et les projets autour de l'océanographie opérationnelle (SOAP, Coriolis, Argo, MERSEA puis MyOcean, PREVIMER, …) ont révolutionné la demande et l'offre de données et services.

Ainsi l'observation à la mer, après la télédétection, a découvert l'intérêt des mesures de routine, mais aussi leur poids en terme de temps humain (organisation, déploiements, traitements …). Les missions d'observation sont effectivement une composante essentielle des sciences de l'environnement et leur intégration dans des réseaux nationaux et mondiaux est essentielle. Cette intégration est délicate, en particulier dans les organismes de recherche, car l'effort consacré aux réseaux actuels mobilise des moyens qui pourraient être consacrés à l'analyse scientifique des observations et au développement de nouvelles techniques. Or l'analyse ne peut se faire sans le maintien de certains réseaux.

Cette tension est réelle au sein de l'Ifremer, tant sur l'in situ que sur le satellite. Dans l'organisation Ifremer actuelle, la dispersion des actions reliées à ARGO entre deux départements (REM et ODE) et trois unités (RDT, LOS et LPO) introduit une certaine complexité, qui se rajoute à la complexité inhérente a la gestiond’un projet multi-organismes. De même, la production de séries de données satellites au LOS (vents, salinité, glace de mer, vagues, température de surface, flux…) est héritée de plusieurs projets avec une articulation avec le département IMN qui est parfois conflictuelle et compliquée. Pour chacune des séries il convient de se poser la question de leur continuation au regard de leur utilisation en interne et à l'extérieur, de la charge de travail, du potentiel pour la recherche future, en distinguant bien ce qui relève de la recherche et d'une production de routine. Cette analyse devrait permettre de clarifier les moyens et les objectifs et dégager des marges de manoeuvres. Il s’agit enfin de favoriser les complémentarités entre satellite, in situ, et modélisation numérique.

VI. 1. Structuration scientifiques Le découpage en 4 grands thèmes:

- océan et climats- océan très haute résolution- océan côtier (et littoral)- interface air-mer

regroupe une grande partie de la communauté scientifique, avec un recouvrement partiel pour ceux qui sont à la frontière avec d’autres disciplines. Chacun de ces thèmes poursuit des objectifs propres qui se recoupent partiellement et qui ont été listés dans les chapitres II à V.

VI. 2. Moyens techniques et développements spécifiquesAtteindre les objectifs scientifiques développés ci-dessus demande une

- maitrise de l’instrumentation à la mer et des moyens de développement - des moyens d’archivage et traitement de grands volumes de données, en particulier pour la

télédétection spatiale, et le développement de méthodes orginales d’analyse. - une ou plusieurs plateformes numériques performantes, que ce soit pour des calculs

académiques indispensable pour comprendre les processus, ou des modélisation réalistes pouvant combiner à la fois des aspects physique et écosystème.

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Ces moyens sont actuellement distribués dans les différents organismes, et partiellement mis en commun par des projets inter-organismes (par exemple Coriolis, ou PREVIMER, qui se finit), ou dans le cadre de structures mixtes comme l’UMS IUEM et l’UMR LPO.

VI. 3. Organisation et aspects institutionnels La mise en commun des compétences et des moyens est aujourd’hui largement tributaire de projets et de la politique scientifique des organismes. Le présent document donne des pistes sur l’évolution des thématiques de recherche et d’enseignement de l’océanographie physique à Brest, et devrait permettre aux organismes impliqués dans cette discipline de se positionner sur sa contribution propre et ses relations. Les projets et structures actuels communes peuvent être des moyens pour concrétiser une évolution scientifique.

En particulier, on peut imaginer une évolutions du périmètre de l’UMR LPO, qui sans être une solution à tous les problèmes, peut faire correspondre les structures des unités aux thématiques scientifiques et aurait le mérite de faciliter l’animation scientifique, et de créer la masse critique en terme de recherche sur des thématiques qui font partie de l’enseignement en master SML, comme l’océanographie côtière. Le renouvellement de cette UMR en 2015 peut être l’occasion d’y réorganiser les équipes en suivant les 4 thématiques listées ci-dessus: océan et climats, océan très haute résolution, océan côtier (et littoral), interface air-mer. L’appartenance à 2 equipes serait certainement possible (côtier et climats, interface et haute résolution, interface et côtier… ). Cette unité pourrait regrouper des chercheurs, personnels techniques et administratifs des quatres tutelles actuelles, voire intégrer avec un statut à définir (association ou autre) d’autres personnes. Vu de l’Ifremer on peut imaginer un regroupement de tous les physiciens actuellement dans le département ODE.

Les effets de bords d’une telle ré-organisation étant les plus forts pour l’Ifremer, c’est du point de vue de cet institut que la question est d’abord posée.

Dans une telle organisation, il convient d’identifier des activités d’expertises scientifiques et techniques spécifiques dont certaines pourraient faire l’objet d’une structure bien définie au sein de l’UMR, regroupant des agents des différentes tutelles :

un groupe mesure à la mer qui contribue la forte implication brestoise dans les mesures in situ et permette l’émergence de nouveaux moyens.

un centre d’expertise en télédétection (héritage du CERSAT et CATDS actuel… autres contributions ?): développement d’algorithmes, de produits “recherche” qui font l’objet de mises à jour fréquentes, gestion de gros volumes de données: de la visualisation au “data mining” … Ce centre d’expertise serait un des interlocuteurs du pôle océan, et combinerait une contribution d’ingénieurs et de chercheurs (à temps complet ou partiel) avec une rationalisation et un suivi des jeux de données et des outils, afin de les rendre visibles et utilisables à l’extérieur du LOS actuel.

un centre d’expertise en modélisation numérique qui soit un relais brestois pour le projet CROCO (circulation océanique), le développement de modèles et/ou configurations atmosphériques et de leur couplage (MesoNH, WRF) le développement de modèles de vagues (aujourd’hui WAVEWATCH III, et peut-être une contribution au transfert vers les codes WAM de Météo-France et du CEPMMT). Ce centre d’expertise pourrait par ailleurs se positionner :

o en amont de l’opérateur national d’un système d’océanographie côtière opérationnel dans le schéma envisagé à la suite de Previmer en contribuant à l’amélioration des configurations et des

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systèmes (cf prospective scientifique sur l’océanographie opérationnel par Barnier et al., 2013), en lien aussi avec les activités opérationnelles de Météo-France et du SHOM.

o en appuie à d’autres unités (LER, Dyneco, LEMAR) par la mise à disposition de configuration modèles physiques ou la génération de rejeux de références.

Il est probablement souhaitable qu’un tel centre permette aux chercheurs et ingénieurs impliqués de n’y être rattaché qu’à temps partiel pour permettre une bonne “aération” de ces activités par une implication significative dans des aspects autres que purement numérique ou de production.

L’activité d’expertise scientifique et technique sur la mesure in situ (données hydrologiques profondes, Argo, ADCP, SSS, réseaux de mesures haute fréquence côtiers), qui est et sera une spécificité du LPO quelque soit son périmètre, est déjà organisée via des structures existantes ou à venir (pôle de données Océan, CORIOLIS/SOERE CTDO2, SO Argo, GOSHIP, etc). Elle ne nécessite donc pas nécessairement la création d’une structure spécifique. Néanmoins, le positionnement de Coriolis par rapport à cette nouvelle UMR reste à préciser.

Les moyens de calcul et traitement

L’autonomie apportée aux chercheurs brestois par le PCIM a été un atout majeur qui leur a aussi permis d’aller ensuite vers des moyens nationaux et européens (PRACE). Le PCIM a aussi jouée un rôle dans le transfert de compétences vers les PME du secteur privé en permetant la prise en main facile de développements issus de la recherche. Le PCIM a toutefois montré des limites avec une architecture peu propice au traitement massif de données, qui a abouti à la mise en place d’une machine de stockage et traitement de plusieurs Peta-octets au LOS. Le devenir de ces machines est un enjeu important pour les physiciens brestois qui sont très impliqués dans le projet DATARMOR.

Océanographie côtière et littorale : comment animer un ou plusieurs pôles de recherche ?Le littoral (estuaires, plages & falaises) est clairement séparé de l'océanographie hauturière (enjeux distincts, outils d'observation et modélisation très différents …) et fait l'objet d'important développements sur le site brestois. La relation avec le CEREMA est compliquée par certaines personnalités qui limitent un effet de masse critique qui pourrait être encore plus important.

Le côtier est relativement peu attiré vers le littoral et est historiquement tourné vers le plateau et les marges. Cela ne facilite pas les études vraiment transversales depuis les bassins versants aux abysses, mais cette autonomie s'est construite autour de l'étude de processus important pour représenter la dynamique des masses d'eau et des courants. L'intégration se fait tout de même au sein de DYNECO via des projets liés à la dynamique sédimentaire et les écosystèmes ou bien au SHOM sur des questions de surcotes (PEA PROTEVS) et hydrodynamique littorale (PEA ECORS). La complémentarité avec la géologie (Ifremer/GM et LDO) et la géographie physique et humaine (LETG) se rencontre en partie dans le cadre du Labex Mer, sans axe littoral proprement dit. Ce thème pourra faire l’objet d’un axe plus dédié dans le cadre de la phase 2 du labex, ou pourrait trouver une structuration sous la forme d’un GDR.

Vagues : émergence d’un groupe de recherche SHOM-Ifremer-IUEM-FEM-... En lien étroit avec les problématiques littorales et les questions de télédétection spatiale ou d'énergies marines renouvelables, les recherches sur les états de mer méritent un groupe de recherche bien identifié afin de mieux capitaliser les observations in situ, les méthodes de traitement, les bases de données, et les développements numériques. Actuellement cela se fait dans le cadre du Labex Mer avec un axe 7 qui s’étend jusqu’à Nantes (Ifremer/RDT/HO + Ifremer/ODE/LOS+LPO), et, avec le SHOM de façon formelle (contrats

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de recherche avec le LETG) et informelle (réunions d’information avec l’Ifremer/LOS+LPO et FEM). Cela se traduit par des campagnes à la mer communes, un enseignement commun en Master 2, et le partage d’outils (traitement de données, modélisation numérique). Faut-il formaliser ce groupe ? Sous quelle forme ?

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VII. Projets en cours ou en gestation en 2014

Projets en cours (il en manque encore beaucoup dans cette liste)

Acronyme (partenaires locaux : sujet, source de financement et montant, dates début et fin)

Altiberg2 (LOS : estimation des volumes des petits icebergs, CNES, 2014-2015)

AMORAD (Ifremer: Étude des transferts de radionucléides dans les sédiments et les chaînes trophiques ainsi que de la vulnérabilité des littoraux à une situation accidentelle, ANR )

AMICO (LPO-DYNECO : modélisation couplée océan-atmos, financement MEDDE-COPERNICUS 130 k€, 2013-2015)

C3ED

CARBOCEAN

CFOSAT (partie Ifremer, Oceandalab est aussi impliqué par ailleurs): expertise et support aux activités du groupe mission scientifique CFOSAT et accompagnement scientifique des thèmes vent et vagues du projet CFOSAT montant : 44 000 € jusqu'au 24/11/16 (fin accord cadre CNES/IFREMER)

Eurucas (LOS : développement de collaborations franco-russes sur le thème de l'Arctique, FP7 180 kE, 2011-2014)

GlobCurrent (LOS : estimation de données courants par satellites et mélange de données, ESA, 2013-2016)

GEOVIDE (LEMAR-LPO : ANR + INSU... )

GLOSCAL

Oceanflux Greenhouse gases (LOS : estimation de paramètres de gaz à effet de serre par mélange de données, ESA, 2011-2014)

Pathfinders Ocean Acidification (LOS: estimation de paramètres liés à l'acidification des océans par mélange de données, ESA , 60 kE, 2014-2015)

NAOS (LOS-LPO : …)

Ocean Acidification (LOS : ESA …)

GlobCurrent (LOS : ESA …)

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HYMOSED

IGALTI (LOS-LPO : ondes infragravitaires pour SWOT, CNES 400k€, 2012-2015)

MIMOSA (vagues et bruit sismique, ANR, part Ifremer 176 k€, 2015-2018)

MPC SENTINEL 1 (Partie Ifremer, CLS est aussi impliqué par ailleurs): Preparation and operations of the Mission Performance Centre (MPC) for the GMES sentinel (Validation des produits vents, vagues dopler du satellite Sentinel. Expert Support Laboratory (ESL)) montant total : 447 007 €, phases 1et 2 : 117 501 €, phase 3 : prévisionnel 329 506 € sur 5 ans

RREX

PIRATA (IRD US IMAGO… ; observatoire Atlantique tropical ; depuis 1997 ; financement IRD, Météo-France, INSU, OMP).

PREFACE (FP7-ENV ; depuis novembre 2013, jusqu’en 2017 ; financement EU, LEMAR, IRD…).

PROTEVS (SHOM : océanographie côtière, financement DGA 10 M€, 2010-2016)

SWARP (LOS : obs+modélisation vagues et banquise, FP7 360 k€, 2014-2017)

SMOS

Wave-DB (LOS : modélisation des vagues, ONR 770 kUSD, 2010-2014)

Projets en gestation (soumis, envisagés … )ATLANTOS (H2020, soumis)

Climate Change Initiative Sea Ice Phase2 (LOS : création de bases concentration, épaisseur et dérives + incertitudes, ESA, 100 kE, 2015-2017)

JERICO

Oceanflux Greenhouse gases Evolution (LOS : estimation de paramètres de gaz à effet de serre par mélange de données, ESA, 2014-2017)

SPICES (LOS : estimation de la surface de la banquise pérenne Arctique, H2020, 160 kE, 2015-2017)

PPR Blanc (LOS : génération de bases de données pour production de ré-analyses bassin Arctique à Mercator-Océan, GMMC, 2015-2018)Waves in the Arctic (DRI de l’ONR)

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