Bilan du niveau moyen des mers

Le bilan du niveau moyen des mers (global mean sea level, GMSL) est un outil puissant pour évaluer la cohérence des systèmes d’observations utilisés pour estimer le niveau marin et ses contributions. Cette page présente un aperçu du bilan du niveau moyen des mers et son potentiel en tant que méthode de Cal/Val pour l’altimétrie. Des données de bilan marin sont accessibles via les liens fournis au bas de cette page.

Le bilan du niveau moyen des mers

Le bilan du niveau marin dit que les variations de GMSL sont égales à la somme de la composante barystatique due aux variations de masse de l’océan (apport d’eau douce des continents, incluant la fonte de glaces continentales) et de la composante stérique due aux variations de température et de salinité de l’océan (appelées composantes thermostérique et halostérique respectivement). La composante halostérique est négligeable en moyenne sur l’océan en raison de la conservation de la quantité de sel, de sorte que les variations du GMSL peuvent s’écrire comme la somme des composantes barystatique et thermostérique seules.

Les variations barystatiques du niveau marin résultent de la somme des variations de masses d’eau dues à la fonte de glaces du Groenland (ΔM_Greenland), de l’Antarctique (ΔM_Antarctic) et des glaciers (ΔM_glaciers), des variations de stocks d’eau continentales (ΔM_TWS) et des variations de contenu en vapeur d’eau dans l’atmosphère (ΔM_AWV), où les variations de masses sont exprimées en variations de niveau de la mer équivalent.

Dans les équations ci-dessus,ε_a et ε_b représentent les erreurs des composantes et les éventuelles contributions manquantes (comme la fonte du pergélisol). Les sources principales de variations du niveau marin sont illustrées par la Figure 1.

Figure 1 : Illustration des sources principales de changement du niveau marin, d’après Cazenave et Le Cozannet (2013).

Les variations du GMSL sont observées par altimétrie (habituellement corrigée de la charge atmosphérique et du rebond post-glaciaire). La composante barystatique est estimée à l’aide des données des satellites gravimétriques des missions GRACE et GRACE Follow-on depuis 2002. La composante stérique est estimée à partir de mesures in-situ de la température et de la salinité de l’eau de mer jusqu’à une profondeur donnée (2000 m de profondeur avec le réseau Core Argo depuis 2005).

Évaluer la fermeture du bilan du niveau moyen des mers permet de vérifier la cohérence des systèmes d’observation altimétrique, gravimétrique et in-situ. Quand les résidus (c’est-à-dire le GMSL moins la somme des composantes) sont significatifs par rapport à leurs incertitudes, cela signifie soit que les incertitudes sont sous-estimées, soit que des erreurs systématiques affectent un ou plusieurs systèmes d’observation (par exemple, des dérives instrumentales de systèmes embarqués comme l’altimètre de TOPEX-A ou la correction de troposphère humide du radiomètre de Jason-3), soit qu’il y a des contributions manquantes dans le bilan (par exemple, le réchauffement de l’océan profond au-delà de 2000 m mal échantillonné par Argo, la contribution halostérique négligée si les données ne couvrent pas parfaitement tous les océans du globe).

Figure 2 : Bilan du GMSL comparant les données altimétriques, GRACE et Argo, mis à jour d’après Barnoud et al. (2023). (a) Composantes du bilan. (b) Résidus du bilan. (c) Tendances des résidus du bilan en fonction de la date centrale et de la durée de la période. Les zones hachurées correspondent aux tendances inférieures à leur incertitude standard, c’est-à-dire aux tendances non significatives. Les zones non hachurées correspondent aux dates et périodes sur lesquelles le bilan du GMSL n’est pas fermé (en termes de tendance des résidus par rapport à leur incertitude standard).

Avant l’ère GRACE, ou en complément des données GRACE, les variations barystatiques du niveau marin peuvent être calculées à partir d’estimations basées sur des observations ou des modèles pour chaque contribution individuelle aux variations de masse (comme sur la Figure 3).
Au cours de l’ère altimétrique, l’approche du bilan du niveau marin a régulièrement permis d’identifier des problèmes de mesures, y compris dans les enregistrements altimétriques, comme illustré par l’exemple qui suit.

Le bilan du niveau marin comme méthode Cal/Val: exemple de la dérive de TOPEX-A

En estimant les composantes du bilan du GMSL sur l’ère altimétrique et en regardant les résidus, Dieng et al. (2017) ont découvert un fort écart pendant la période 1993-1998 entre le GMSL estimé à partir de l’altimétrie et la somme des composantes calculées individuellement, alors que le bilan du niveau marin fermait presque parfaitement au-delà de 1998. Ils ont attribué la non fermeture du début de la période à la dérive connue de l’altimètre de TOPEX-A et ils ont estimé que sa contribution au GMSL s’élevait à 1.5 +/- 0.5 mm/an pendant la période 1993-1998, en accord avec les valeurs publiées dans la littérature à partir de comparaisons avec les marégraphes (Watson et al., 2015; Ablain et al., 2017). La Figure 3 montre la non fermeture du bilan du GMSL budget pendant la période TOPEX-A en utilisant des données à jour.