Modélisation numérique
La compréhension des océans et de leur interaction avec les autres composantes du système planétaire dépend de plus en plus du développement et de l’utilisation de modèles numériques. Ces modèles vont de configurations 1D|2D simplifiées aux représentations tridimensionnelles complexes du système Terre. Les simulations de modèles nous laissent explorer les processus à l’origine des conditions actuelles ou antérieures. Elles nous permettent également de prévoir et d’anticiper les changements futurs des caractéristiques océaniques et la manière dont cela va influencer les conditions climatiques et les services écosystémiques. En associant les observations in-situ et par satellite ainsi que les expériences menées en laboratoire, les modèles numériques intègrent et approfondissent nos connaissances de l’environnement global.
Les modèles numériques reposent généralement sur une discrétisation des échelles d’espace et de temps, avec un maillage en 3 dimensions de l’océan où des équations définissent l’évolution temporelle des propriétés physiques et/ou biogéochimiques (par exemple la température, les vitesses de courants ou les concentrations de carbone). Les processus qui ne peuvent pas être résolus explicitement, comme ceux se produisant à des échelles inférieures à la grille ou issus d’autres modèles au travers des interfaces d’échanges, sont paramétrés. Mis en conditions « réalistes » par une initialisation et un bornage des variables ou après une assimilation de données, les modèles mis en œuvre sur un centre de calcul prédisent les variations dans l’espace et dans le temps des différentes caractéristiques de l’océan.
Activités de développement
Le laboratoire LOCEAN est fortement impliqué dans le développement et l’utilisation d’un vaste éventail de modèles océaniques numériques en code source ouvert. Cela comprend des modèles de dynamique des masses d’eau (océan « bleu »), de glace de mer (océan « blanc ») et de biogéochimie marine (océan « vert ») ainsi que leur couplage avec des modèles de circulation globale et du système Terre. Ces algorithmes ont des applications diverses qui vont de l’océanographie opérationnelle aux projections climatiques à l’échelle centennale ou millénaire. Notre recherche englobe le développement du code source et de ses démonstrateurs, la performance des simulations et plus largement l’expertise de modèle.
Plusieurs équipes du LOCEAN développent et utilisent des modèles numériques, comme NEMO ou CROCO, avec des intérêts et des thématiques diverses :
- ABC : régions singulières (cercles polaires et Atlantique tropical),
- NEMO R&D : schémas numériques et noyaux dynamiques de calcul,
- PROTEO : processus de {sous}méso-échelle (2 à 2000 km),
- VALCO : échelles de temps paléoclimatiques (milliers à millions d’années),
- VARCLIM : facteurs de variabilité climatique et prévision décennale.
- VOG : Modélisation régionale de l’océan et des interactions avec la glace
Perspectives
Les modèles numériques et les démarches associées présentés ci-dessus sont en constante évolution :
- Nouvelles configurations de modèles libres et couplés.
- Incorporation de paramétrages additionels ou révisés pour une meilleure représentation de la dynamique physique et biogéochimique des océans.
- Implémentation de mécanismes d’approximations dans le but de réduire les temps de calcul tout en conservant les caractéristiques significatives des simulations.
- Mise en oeuvre de techniques de réduction d’échelle dynamique et statistique pour interpréter les effets des processus climatiques à grande échelle sur les échelles régionales et locales.
- Développement et utilisation de méthodes d’apprentissage automatique pour la paramétrisation, le réglage et l’évaluation de modèle.