Modélisation inverse de la circulation en Atlantique Nord

Cet effort est motivé par le rôle clé joué par les océans dans l'équilibre climatique de la planète et l'espoir d'apprendre suffisamment sur l'océan et les équilibres dynamiques qui le régissent pour valider les modèles numériques réalistes et définir une stratégie d'observation de routine de l'océan capable de mettre en évidence tout changement climatique.

Atteindre ces buts va nécessiter un effort de digestion et de synthèse des données mettant en oeuvre des outils d'analyse sophistiqués. Une des premières tâches à accomplir va être de rassembler toutes les données dans des modèles dits inverses permettant de diagnostiquer l'état de la circulation, d'inférer les équilibres dynamiques advection/diffusion et de quantifier les quantités d'importance telles que les flux méridiens de chaleur.
Le diagnostic de la circulation ainsi obtenu servira d'état initial pour les modèles prognostiques globaux.

Un modèle inverse a été développé, pour atteindre ces buts, au laboratoire de Physique des Océans, et est actuellement appliqué à l'étude de la circulation générale de l'Atlantique Nord entre 20 et 50° N. Dans un premier temps, la circulation a été estimée en utilisant comme données des stations historiques d'hydrologie, des trajectoires de flotteurs dérivants de surface et profond, une estimation de la tension du vent à l'interface air-mer, le tout combiné à une dynamique géostrophique stationnaire (Mercier et al., 1993). Cette étude a démontré que les mesures hydrologiques qui ne donnent accès qu'au cisaillement vertical du courant géostrophique sont utilement complétées par les mesures directes du courant absolu par flotteurs lagrangiens en particulier pour la détermination de la circulation profonde.

Il est reconnu depuis longtemps (Wunsch et Gaposchkin, 1980) que l'altimétrie satellitale devrait permettre de contraindre les modèles inverses de circulation générale, car potentiellement capable de déterminer la dénivellation de la surface de la mer par rapport au géoïde avec une précision suffisante pour fournir une estimation des courants géostrophiques absolus à la surface de l'océan. La tâche est cependant difficile et les travaux effectués avec les données du satellite GEOSAT par Martel et Wunsch (1993) ont conduit à conclure à l'incompatibilité entre les estimations de la dénivellation de la mer par rapport au géoïde dérivées par altimétrie et ce qu'on peut déduire des données in-situ.
La précision remarquable de TOPEX/POSEIDON (en particulier l'orbite) et les progrès faits dans l'estimation du geoïde permettent de penser que la dénivellation de la surface de la mer par rapport au géoïde sera maintenant déterminée avec une précision suffisante aux échelles d'un bassin pour espérer pouvoir améliorer les résultats précédents.

Nous avons calculé la dénivellation de la surface moyenne océanique par rapport au géoïde avec une résolution de 4° en latitude et 5° en longitude à partir d'un an de données TOPEX/POSEIDON et du geoïde OSU 91a (figure 1).
La résolution spatiale est limitée par le budget d'erreur du géoïde qui s'accroît fortement avec la résolution. Pour la résolution choisie, l'erreur est voisine de 15 cm.

Cette information a ensuite été combinée dans notre modèle inverse de l'Atlantique Nord avec les données in-situ pour aboutir à la détermination, avec une incertitude de l'ordre de 6 cm, de la dénivellation présentée en figure 2 qui révèle les grands traits de la circulation de l'Atlantique Nord.