FGO : Fluides Géophysiques et Océanographie

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ARSOUZE Thomas01 69 33 30 54Ingénieur de recherche / Research Engineer
BAUDET Nicolas01 69 31 97 75Technicien de laboratoire / Laboratory Technician
FOUBERT Caroline01 69 31 97 32Gestionnaire de Laboratoire / Laboratory management
STEGNER Alexandre01 44 32 22 66
01 69 31 98 42
Chargé de recherches CNRS

La recherche de l'équipe FGO porte sur l'étude de la méso et de la subméso échelle dans les fluides géophysiques, particulièrement dans les environnements océaniques à l'échelle des bassins régionaux et de leurs marges continentales. Les objectifs généraux sont la compréhension des mécanismes dynamiques (instabilités, upwelling, convection, interactions ondes-écoulement et topographie-écoulement, génération et trajectoire des structures cohérentes) qui influencent la circulation océanique à ces échelles. L'accent est mis sur l'étude des phénomènes océaniques locaux, en particulier les tourbillons de subméso-échelle et de méso-échelle et leur rôle dans le transport de propriétés dans l'océan, notamment dans les échanges côte-large. Ces études sont essentielles pour améliorer notre connaissance et la modélisation de la circulation générale des bassins océaniques, de leurs écosystèmes. L'amélioration des modèles fait partie en effet des grands enjeux actuels de l'océanographie opérationnelle et pour la prévision des évolutions régionales liées au changement climatique global. Ces études ont comme zone atelier principale la Mer Méditerranée et entrent dans le cadre des problématiques abordées par le « Chantier Méditerranée » soutenus par l'Institut National des Sciences de l'Univers du CNRS (INSU) et des grands programmes internationaux qui mettent l'accent sur le rôle des marges continentales, le monitoring in-situ du milieu marin dans un cadre opérationnel.

L'originalité de cette équipe est d'exploiter la complémentarité entre modèles théoriques, expériences en laboratoire, expérimentation en mer et modèles numériques pour l'étude de ces échelles. Le spectre des activités s'étend ainsi de la modélisation physique des écoulements océaniques en laboratoire sur plate-forme tournante, de la participation à des campagnes océanographiques, jusqu'au développement d'une plate-forme de modélisation pour l'étude de la circulation en Mer Méditerranée pour des applications au climat et à l'écosystème marin.

L'équipe de l'ENSTA (Karine Béranger, Thomas Arsouze) et du CNRS (Alexandre Stegner du LMD) travaille en étroite collaboration avec les laboratoires du plateau de Saclay et de l'IPSL, Mercator Ocean, le CNRM, le MIO, l'IFREMER, le LPO, et avec des laboratoires du pourtour de la Méditerranée.

Parmi les réalisations de l'équipe au service de la communauté océanographique, il faut citer le développement d'une plate-forme de modélisation de la Méditerranée avec un volet opérationnel et des applications en biogéochimie marine et écologie (SIMED, MORCE-MED, MEDICCBIO). D'autres actions concernent les études de processus : les sillages d'îles (TIRIS), les interactions courant-topographie (TOPIECC, SYNBIOS), les interactions air-mer-surfaces continentales (ASICS-MED, AGRIF-MED, REMEMBER).

 

 

SiMED (Simulation de la MEDiterranée)

La circulation générale de la Mer Méditerranée est étudiée par simulation numérique dans le projet national SiMED. Différents modèles sont développés s'appuyant sur le code numérique NEMO ( http://www.locean-ipsl.upmc.fr/NEMO ). Ces modèles sont eddy-permitting, c'est-à-dire qu'ils simulent de manière réaliste les tourbillons de méso-échelle qui sont de l'ordre de 100km (10 rayons de déformation) en Méditerranée (Figure 1). La Mer Méditerranée est le lieu d'une circulation thermohaline mise en route par des évènements de convection en hiver dans plusieurs sous-bassins (Figure 1). Les eaux plus denses, suite à une forte évaporation en automne et en hiver, plongent parfois jusqu'au fond de la mer où elles s'étalent à des profondeurs intermédiaires à profondes. Cette circulation thermohaline et le trajet des masses d'eaux sont difficiles à modéliser, en particulier car la Mer Méditerranée est une mer peu stratifiée et que les caractéristiques des différentes masses d'eau sont difficiles à simuler de manière correcte. Cette mer est également le lieu d'une circulation de bord cyclonique, mise en route par l'entrée des eaux atlantiques au Détroit de Gibraltar. Cet apport d'eau relativement peu salée et chaude compenserait la perte annuelle d'eau (0.7m/an) due à l'évaporation nette du bassin et la perte annuelle de chaleur (5 W/m²). Les eaux atlantiques circulent dans un courant fin (~50km) côtier le long de talus de forte pente. Ce courant est associé à des méandres, des séparations en différentes sous-veines et des lâchés de tourbillons méso-échelles. La simulation de telles structures permet donc d'étudier les échanges côtes-large, notamment le transport des caractéristiques de surface et profonde vers l'intérieur des sous-bassins.

 

Figure 1: Bathymétrie et zones géographiques de la Mer Méditerranée. Les zones de formation d'eau dense sont schématisées par des cercles (Béranger et al. 2010).

 

MORCE-MED (MOdélisation Régionale CoupléE en MEDitérrannée)

Le projet MORCE-MED vise à étudier le climat régional, l'ensemble des processus couplés (physique, bio-géo-chimie) et les interactions entre les différents compartiments du système Terre (océan, continent, atmosphère). Nous avons développé une plate-forme de modélisation à haute résolution couplée océan-atmosphère en collaboration avec le LMD/IPSL. Nos outils sont les codes numériques NEMO pour l'océan, WRF pour l'atmosphère (http://www.wrf-model.org), et OASIS pour le coupleur (http://pantar.cerfacs.fr/3-26568-OASIS.php). Ces études contribuent à l'étude du cycle de l'eau en Méditerranée dans le cadre du projet HyMex. Le couplage physique et biogéochimie marine est effectué avec le MIO et le LSCE dans le cadre de deux thèses en cours.

 

Figure 2: Schéma du couplage NEMO-OASIS-WRF réalisé pour la zone Europe-Méditerranée (Lebeaupin Brossier et al. 2013, http://www.gisclimat.fr/projet/morce-med).

 

  

TIRIS (Three dimensional Instabilities at high Reynolds number around Islands)

L'interaction d'un courant océanique avec des îles ou des archipels induit une forte activité tourbillonnaire dans leur sillage. Les structures ainsi crées ont une importance considérable sur le transport et le mélange des composants bio-géochimiques. Plusieurs processus dynamiques tels que la filamentation, les upwelling et les instabilités inertielles (Figure 3) peuvent augmenter très fortement le mélange vertical et horizontal dans des régions localisées. Le mélange vertical, qui met en contact les constituants géochimiques de l'océan profond avec le phyto et le zooplankton de la zone euphotique, intensifie le cycle biologique. Les îles ou archipels océaniques se comportent alors comme des «oasis biologique» au milieu de l'océan.

Afin de quantifier l'intensité et la localisation des zones de mélange dans le sillage des îles ce projet combine des études expérimentales (ENSTA, LMD et LEGI-Coriolis à Grenoble), numériques (ROMS) et des campagnes de mesure in-situ (Madère). Ce projet regroupe des mécaniciens des fluides, des océanographes et des spécialistes de la biologie marine.

 

 

Figure 3: Sillage en aval d'une île cylindrique dans une fine couche de fluide en rotation. Des perturbations instables de petite échelle (Teinturier et al. 2010) sont visibles dans les tourbillons anticycloniques (colorant noir).

 

 

 
 

TopIECC (Topographic Impact on Eddies and Coastal Current)

Le développement des modèles de circulation régionale à haute résolution devient une nécessité en océanographie afin de reproduire correctement les échanges entre la côte et le large. Ces échanges contrôlent le bilan de chaleur, de salinité, la dispersion des polluants et la répartition des nutriments et des espèces biologiques. De ce point de vue, les modèles de circulation régional sont encore imparfaits. L'interaction des courant côtier avec la bathymétrie du talus continental, les mécanismes de dissipation associés, le rôle d'une circulation profonde le long de celui-ci (même si elle est de faible amplitude) sont délicat à modéliser.

Le but de ce projet est d'améliorer la compréhension des processus et de proposer des évolutions des modèles (paramétrisation, discrétisation, forçages, ...). TOPIECC cherche notamment à identifier la transition entre les deux mécanismes dynamiques responsable de la formation de grandes structures tourbillonnaires : instabilités barocline et barotrope du courant côtier ou méandres non linéaires induit par la topographie du talus. Un aspect novateur de ce projet est de montrer que la modélisation physique peut fournir des données quantitatives permettant d'améliorer les modèles numériques pour un coût relativement réduit en comparaison avec l'obtention de données in-situ. Les données issues de la modélisation expérimentale seront utilisées pour effectuer des comparaisons systématiques avec des configurations idéalisées (Figure 4) du modèle NEMO aussi utilisé en océanographie opérationnelle. Ces configurations dynamiques seront confrontées aux données in-situ provenant des campagnes EGYPT-EGGITO (bassin Méditerranéen oriental) et COUPLING (détroit de Bransfield en Antarctique).

Figure 4: Evolution du champ de vorticité (rouge=cyclonique, bleu=anticyclonique) d'un courant côtier calculé par le modèle NEMO. Les conditions initiales sont identiques à celles des expériences de laboratoire. Les images du panel supérieur correspondent à une configuration sans bathymétrie tandis que pour le panel d'image inférieur un talus de forte pente a été ajouté sur une demi-circonférence.