Bruno Voituriez
I - Naissance de l’océanographie opérationnelle
L’océanographie opérationnelle se propose d’établir un système d’observations et de simulations numériques pour suivre et prévoir en continu le devenir de l’océan, comme la météorologie le fait quotidiennement pour la prévision du temps à l’attention du grand public et des professionnels. L’observation et la simulation de l’océan en temps réel rendent possible la livraison régulière de bulletins océaniques comparables aux bulletins météorologiques mais à des échéances plus longues, de l’ordre de quelques jours à quelques semaines.
L’océanographie opérationnelle repose sur trois piliers :
- Des mesures in situ de l’océan dans ses trois dimensions, réalisées par des navires ou des systèmes autonomes fixes ou dérivants,
- Des mesures, à partir de plates-formes spatiales, de la topographie dynamique de la surface, mais aussi de la température de cette surface, du vent, de la concentration en chlorophylle et d’autres paramètres qui doivent être observés en continu dans l’espace et le temps,
- Des simulations de l’océan par des modèles numériques capables d’assimiler ces données pour obtenir l’image la plus réaliste possible de l’état de l’océan et prévoir son évolution.
Pour mettre en œuvre un tel projet il fallait donc que l’on disposât en continu des moyens de mesure de la totalité de l’océan dans ses trois dimensions. Ce sont les moyens spatiaux qui l’ont rendu possible.
Les systèmes de localisation et de transmission des données depuis l’espace, comme Argos, ont permis de déployer dans l’océan des systèmes d’observations fixes ou dérivants munis de capteurs mesurant température et salinité.
Ainsi, dans le cadre du programme ARGO, un réseau de près de 4 000 flotteurs dérivants mesurent température et salinité jusqu’à 2 000 mètres dans tout l’ océan et transmettent par satellite les données recueillies.
La création en 2014 d'une structure légale européenne (European Research Infrastructure Consortium, ERIC) pour l'observation in situ des océans incluant ARGO est une première. C'est une étape majeure pour optimiser, pérenniser et renforcer les contributions européennes au réseau Argo. C’est l’Ifremer à Brest qui accueille cette structure pour une durée d’au moins cinq ans. Ces flotteurs ne sont pas encore dotés de capteurs biogéochimiques opérationnels mais des expérimentations sont en cours (en 2016) notamment à travers le projet français NAOS.
Les satellites permettent les mesures de paramètres directement depuis l’espace (température, salinité, chlorophylle) et particulièrement la topographie de surface (altimétrie) qui donne accès aux courants. C’est le lancement du satellite altimétrique Topex/Poseidon en 1992 qui a donné le signal du départ de l’océanographie opérationnelle.
En France l’aventure commence avec la création du groupe Mercator–Océan en 1995 qui publiera son premier bulletin de prévision sur l’Atlantique nord le 17 janvier 2001 et sur la totalité de l’océan le 14 octobre 2005.
De leur côté l’Union Européenne et l’Agence Spatiale Européenne ont mis en place le programme GMES ( Global Monitoring for Environment and Security) destiné à rationaliser les mesures spatiales et in situ relatives à l'environnement et à la sécurité, afin de disposer d'informations et de services fiables chaque fois que cela est nécessaire. La Commission Européenne confiera à Mercator-Océan en 2009 le soin de coordonner, via le projet expérimental MyOcean, le volet maritime de GMES : «Marine Core Service» . Le programme GMES deviendra COPERNICUS en 2013 pour passer en phase véritablement opérationnelle.
Le 11 novembre 2014 la Commission Européenne et Mercator-Océan ont signé un accord qui délègue à Mercator-Océan la mise en place du service européen Copernicus de surveillance des océans qui devient «Copernicus Marine Environnement Monitoring Service». Ce service opérationnel est officiellement en place depuis avril 2015.
L’océanographie opérationnelle est ainsi lancée à l’échelle européenne. Le contrat de délégation à Mercator-Ocean court jusqu’en 2021.
2 - Produits et applications
Le Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS) a pour vocation de fournir régulièrement et gratuitement des informations sur l’état, la variabilité et la dynamique de l’océan et des écosystèmes marins pour l’océan global et les mers régionales européennes (Baltique, Arctique, Méditerranée, Mer Noire, Mer du Nord, Golfe de Gascogne, Mer d’Irlande etc).
Cela inclut les observations in situ et spatiales, les analyses, les ré-analyses et la prévision quand c’est possible.
Quatre domaines sont privilégiés :
- la sécurité en mer (navigation, plateformes d’exploitation….),
- l’environnement marin et côtier,
- les ressources marines et la pêche,
- la météorologie et la prévision climatique
Le catalogue de produits océaniques du service englobe :
- des produits dérivés d’observation spatiale et in situ,
- des prévisions et analyses en temps réel
- et des séries temporelles sur plusieurs dizaines d’années dans le passé pour les ré-analyses.
Les paramètres pris en compte sont les suivants :
- paramètres physiques (température, salinité, courants, glaces de mer, niveau de la mer, vent) ;
- les paramètres chimiques (fer, nitrates, phosphates, silicates , oxygène) ;
- les paramètres biologiques, concentration en chlorophylle et phytoplankton, production primaire.
Mercator Ocean alimente CMEMS avec les systèmes numériques et les modèles globaux (sur tous les océans du globe) qu’il a développés et qui sont capables de décrire l’état physique et biogéochimique de l’océan à tout instant, en surface comme en profondeur, à l’échelle du globe ou d’une région du globe.
On considère d’une part les paramètres physiques qui aboutissent à une modélisation et une prévision de la dynamique des océans :
- température,
- salinité,
- courants,
- topographie dynamique de la surface des océans.
avec deux échelles 1/12ème de degré pour l’océan global et 1/36ème de degré pour les mers européennes de Gibraltar à la mer d’Irlande et au nord de la Grande Bretagne.
D’autre part les paramètres biogéochimiques qui conditionnent la production biologique dont la prévision s’appuie sur la modélisation physique en y ajoutant un degré de complexité supplémentaire : les processus biologiques qui gèrent la chaîne alimentaire. Il s’agit en l’état des concentrations en nitrate , oxygène et chlorophylle sur l’océan global avec une résolution au 1/4 de degré.
Ce service est destiné à de nombreux usages, qu’ils soient de nature commerciale, scientifique, pour des missions de service public ou tout simplement pour les citoyens curieux de l’état de leurs océans.
On citera par exemple :
- les politiques et règlements de l’Union européenne comme la directive cadre «stratégie pour le milieu marin»,
- la lutte contre la pollution marine,
- la protection de la biodiversité,
- la sécurité et le routage maritimes,
- l’exploitation durable de l’environnement côtier et des ressources marines,
- les énergies marines,
- la surveillance du climat,
- la prévision des cyclones…
Le Copernicus Marine Service propose une large gamme de produits océanographiques : des produits d’observation (satellite et in situ) et des produits issus de modélisation numérique. Ces différents produits, répertoriés dans un catalogue unique, couvrent l’océan global et les 6 bassins européens : Arctique, Baltique, Atlantique Nord-Est partie nord et partie sud, Méditerranée et Mer Noire. Ces produits informent sur l’état physique et biogéochimique des océans. Ils couvrent de longues périodes temporelles remontant au début des années 1990 (parfois avant), le temps réel pour les produits d’observation : analyse et prévision à quelques jours pour les produits issus de modèles.
Ces produits sont conçus par différents producteurs européens et distribués par le Copernicus Marine Service via un catalogue en ligne. Mercator Océan fournit les produits de modélisation numérique de l’océan global qui figurent dans ce catalogue. Le Copernicus Marine Service est ouvert et gratuit dans le respect des conditions d’usage.
III - Exemples
Voici des exemples de prévision pour l’ Atlantique nord et la méditerranée produits par Mercator Océan et CMEMS
1 - Physique : prévision à 9 jours dans l’Atlantique nord de la température, de la topographie et du courant
Figure 1 : Prévision à 9 jours de la température de surface de l’Atlantique Nord le 30 novembre 2016 . Prévision effectuée le 21 novembre 2016 (Mercator-Ocean/CMEMS 1/12ème de degré)
Figure 2 : Prévision à 9 jours de la topographie de surface de l’ Atlantique Nord le 30 novembre 2016. Prévision effectuée le 21 novembre 2016 (Mercator-Ocean/CMEMS 1/12ème de degré)
Figure 3 : Prévision à 9 jours des courants de surface dans l’ Atlantique Nord le 30 novembre 2016. Prévision effectuée le 21 novembre 2016 (Mercator-Ocean/CMEMS 1/12ème de degré)
2 - Bogéochimie : analyse et prévision à 8 jours de la chlorophylle , et du phosphate en médierrannée
Figure 4 : Concentration en chlorophylle de la surface en méditerranée le 30 novembre 2016 (CMEMS)
Figure 5 : Prévision faite à 8 jours de la concentration en chlorophylle de surface (8 décembre 2016) à partir de la situation du 30 novembre (figure 4) (CMEMS)
Figure 6 : Concentration en phosphate de le surface de la méditerranée le 30 novembre 2016 (CMEMS)
Figure 7 : Prévision faite à 8 jours de la concentration en phosphate (8 décembre 2016) à partir de la situation du 30 novembre (fig 6) (CMEMS)
Autres sites à consulter :
ETOOFS (Expert Team on Operational Ocean Forecasting Systems) , rédigé sous la houlette de GOOS (The Global Ocean Ovbserving
System - OMM et IOC/UNESCO). Guide technique intéressant accessible à tout public.
Voir aussi : Vidéo ESA/CNES/Ariane Espace sur l'Observation des Océans
Mises à jour Décembre 2016 et Septembre 2022