Animation Jérôme Vialard

Dans les tropiques, l’océan et l’atmosphère interagissent fortement donnant naissance à de multiples modes de variabilité aux impacts planétaires. Riche d’une masse critique de chercheurs dans cette thématique phare, le laboratoire a développé une expertise ancienne et reconnue sur le rôle de l’océan dans cette variabilité tropicale : mécanismes et prévisibilité de la mousson, d’ENSO (El Niño - Oscillation Australe), de l’IOD (dipôle de l’Océan Indien), de la MJO (Oscillation de Madden-Julian), des systèmes d’upwelling… Croisant les expertises, les chercheurs du LOCEAN abordent aussi les interactions tropiques – extra-tropiques, et en particulier pour les prochaines années, le rôle des tropiques dans la variabilité décennale. Un accent particulier sera mis sur les phénomènes extrêmes (cyclones, ENSO, précipitations en Afrique de l’Ouest, …) qui ira de la compréhension des mécanismes aux impacts socio-économiques, en passant par le rôle des forçages externes (soleil, volcans, activité humaine). Cette expertise contribue à la mise au point du modèle couplé de l’IPSL. Elle est reconnue au niveau international par la participation de plusieurs chercheurs du LOCEAN à des panels CLIVAR ou encore aux rapports du GIEC. L’approche originale et riche du LOCEAN est due aux nombreux échanges transverses global-régional, modes-mécanismes et passé-présent-futur. Elle associe une forte expertise de modélisation (océan seul et couplé) et de collecte d’observations (in situ, satellitales et proxies ; e.g salinité, derniers 1 000 ans, …). Une autre spécificité du laboratoire est l’extension de ces études de mécanismes de la variabilité tropicale aux impacts du changement climatique, par exemple sur la biogéochimie et les écosystèmes tropicaux. Un travail d’animation scientifique accru lors du prochain quinquennal permettra de renforcer et de valoriser ce potentiel unique. Ces activités tropicales du LOCEAN continueront en outre de bénéficier de la forte présence IRD dans ces régions, s’appuyant en particulier sur plusieurs chantiers dans ou autour des trois basins tropicaux (Pacifique, Indien, Atlantique).

Animation : Alban Lazar

Les échanges à l’interface océan-atmosphère jouent un rôle majeur dans les bilans de masse (eau, CO2) et d’énergie de chacun de ces réservoirs. Le laboratoire est historiquement largement impliqué dans l’étude des interactions air-mer, leur influence sur la variabilité océanique, les flux de carbone et d’eau douce, de l’échelle horaire à décennale. Il a en particulier une expertise internationalement reconnue sur l’acquisition de séries de mesures de plus en plus longues de salinité, de pression partielle de CO2, de mesures réalisées de plus en plus proche de la surface océanique et/ou par des techniques innovantes (télédétection, bouées dérivantes, mesures isotopiques), sur le développement de modélisations de plus en plus raffinées de l’océan de surface, des couplages océan-vagues, glace de mer-océan-atmosphère.

 

Plus spécifiquement concernant le prochain quinquennal, l’impact des flux d’eau douce sur la variabilité de la salinité à la surface de l’océan seront analysées à partir d’observations télédétectées (SMOS, SMAP) et in situ (bouées de surface (e.g. campagne SPURS 2), mesures des isotopes de l’eau (e.g. campagnes WAPITI, ACE), et sur une modélisation fine de la couche de surface océanique. Leur possible impact sur les échanges de gaz à l’interface air-mer et sur la stratification à la surface de l’océan seront étudiés. La dynamique et l’impact du couplage atmosphère-océan-biogéochimie multi-échelle et particulièrement à méso et submésoéchelle seront analysés via des études sur le couplage océan-vagues-biogéochimie (pelagos-benthos) dans l’océan côtier (Sénégal; Pérou; Iles Eparses en Afrique Australe). Les processus de couplage dans divers modèles, dont le modèle NEMO, aux interfaces glace de mer-océan-atmosphère seront explorés. En particulier, des études seront menées en lien avec Mercator  pour libérer la couche limite atmosphérique et la couche de surface océanique afin de permettre une représentation physique de l’influence des vagues dans le couplage océan-atmosphère (paramétrisation Albatros). L’expertise du laboratoire dans ces domaines l’amène à de nombreuses collaborations (LOPS, LERMA, CESBIO) pour préparer de futures missions satellitaires pour la mesure de température et salinité de surface (SMOS-NEXT, MICROWATT…), des vagues et des courants (SKIM). Sur des échelles plus longues, nos études se concentreront sur les impacts de la variabilité des océans Atlantique et Arctique pour l’atmosphère et les continents de l’hémisphère Nord, ou encore les transports de chaleur et d’énergie vers l’Arctique par les circulations générales océaniques et atmosphériques (projet Blue-Action). On approfondira également l’impact des flux de carbone échangés entre l’océan et l’atmosphère sur l’évolution des pompes à carbone physiques et biologiques et l’effet de rétroaction de l’océan vis-à-vis de l’évolution du CO2 de l’atmosphère.

Animation Cédric Cotté, Aline Tribollet et Olivier Aumont

L’enjeu principal est de comprendre comment les organismes marins réagissent à la variabilité  environnementale associée au changement global, à l'activité anthropique, et à la variabilité intrinsèque de l’océan. Cet enjeu à la fois scientifique et sociétal est intimement lié à notre compréhension de la biosphère marine et des mécanismes qui contrôlent sa biodiversité. Il conditionne notre capacité à suivre et protéger l'état de l’environnement marin, mieux gérer ses ressources, et mieux utiliser les  marqueurs  biologiques comme indicateurs de l'environnement passé ou présent. Les principaux objectifs de cet axe sont: l’étude de l’impact de l'environnement sur le métabolisme des producteurs primaires et leur rétroaction sur le système climat; l’étude de l’impact de la physique et chimie de l'océan sur la structure des communautés et sur la biodiversité; l’étude de l’impact du milieu physique sur les échelons trophiques supérieurs.

Sur le plan méthodologique, ces trois objectifs nous amènent à confronter des données biologiques, écologiques, bio-géochimiques, physiques et chimiques, obtenues à différentes échelles spatio-temporelles et issues de plateformes  d'observation hétérogènes - génomique, analyses élémentaires et isotopiques, distribution spatio-temporelle 3 D d’organismes marins, observations in-situ, expérimentations in situ/ex situ, télédétection, sorties de modèle ...  Le LOCEAN est un acteur majeur dans la production et le développement de méthodologies originales d'intégration. Cette démarche inclut des algorithmes mathématiques  d'analyses avancées (ex. diagnostiques lagrangiens, réseaux neuronaux..), des modèles de circulation couplés physique-écologie, le développement de capteurs haute précision (pH, pCO2), des mesures de traces et isotopiques sur toute la chaîne trophique, de l’analyse de données acoustiques et de données comportementales, des cultures de micro-organismes, et des stratégies de mesure adaptatives pour les campagnes océanographiques et  le développement de plateforme (ex : gliders, TurboProvBio).

Pour mener à bien ces objectifs, le LOCEAN poursuivra ses efforts concernant

  • le développement, la validation, et l’exploitation de missions satellite majeures pour la physique et la biogéochimie marine, comme SMOS (salinité), SWOT (altimétrie à haute résolution), et  OCAPI (couleur de l’eau géostationnaire)
  • le suivi  et la cartographie des éléments traces et leurs isotopes (TEIs), qui sont critiques pour la vie marine, régulant la biogéochimie et le cycle du carbone dans l’océan. Ceci se fait dans le cadre du programme international GEOTRACES dans plusieurs régions du globe (Méditerranée, Mer Noire, Atlantique Ouest, Océan Austral, Pacifique Ouest par ex.), mais également pour la calibration de proxies émergents des conditions environnementales océaniques (telle que l’acidification et le réchauffement) sur des biophases carbonatées et siliceuses. Nos recherches sur les TEIs s’inscrivent également dans les programmes internationaux SOLAS, IMBER, et Futur Earth, comme également dans les programmes nationaux LEFE (CYBER, CHAT) et EC2CO.
  • le renforcement des infrastructures (incubateurs avec paramètres environnementaux contrôlées tels que lumière, T°C, pCO2..) pour les expériences en microcosmes (cultures de micro-organismes)
  • l’apport de connaissance sur la dynamique du milieu marin et la structuration physique des écosystèmes comme bases scientifiques à la définition d’aires Marines protégées (Terres Australes et Antarctiques notamment via des programmes IPEV que nous coordonnons; Méditerranée, Indo-Pacifique tropical, Pacifique Sud, Afrique de l’Ouest)

Sur ce dernier point en particulier, un très fort niveau d’intégration est nécessaire avec l’inclusion de partenaires en halieutique, sciences humaines (droit de la mer notamment), des acteurs de la société civile … Le LOCEAN pourra jouer un rôle déterminant dans ces intégrations par son large réseau de partenaires et contacts (monde académique, ONGs, décideurs) et sa position privilégiée au coeur de Paris.

Animation Mehrad Rafizadeh et Julie Leloup

Les modèles d’océan et de climat atteignent des résolutions spatiales de plus en plus fines et simulent des périodes de temps futures et passées de plus en plus longues. Par ailleurs, la couverture spatiale et temporelle des données d'observations physiques et biogéochimiques,  in situ ou satellitales, s'améliore de manière significative grâce à l'utilisation de nouvelles technologies et au maintien de systèmes fournissant de longues séries temporelles. En outre, les données de proxies paléoclimatiques atteignent depuis peu des résolutions temporelles de l’ordre de l’année. En conséquence, les problématiques de la modélisation et de l’observation océanographique/climatique amorcent un rapprochement sans précédent. En pointe sur chacun de ces outils, le LOCEAN est une référence en France de l’approche intégrée modèles-données des échelles super-inertielles (e.g, ondes internes et mélange) à décennales et au- delà (e.g., modes de variabilité climatiques). Cet axe est d’ailleurs central dans son identité.

Aux plus grandes échelles de temps, ce rapprochement se concrétise par des efforts de reconstructions climatiques, intégrant observations et modèles couplés. De telles reconstructions sont envisagées sur la période historique, en testant différents forçages issus des observations ou modélisés (ex : la reconstruction du forçage volcanique par approche microphysique) et différentes techniques de guidage des modèles (LABEX L-IPSL), mais aussi sur des périodes plus longues, le dernier millénaire en particulier. Cette approche a fourni des premières reconstructions de la variabilité climatique relativement fiables, et permis de tester les modèles sur une nouvelle gamme d'échelles spatio-temporelles et de mieux caractériser les incertitudes des projections climatiques.

Aux échelles régionales, et méso-/sous-mésoéchelle, le laboratoire développe des approches conjointes modèle-données dans le cadre de plusieurs programmes de recherches ou chantiers (Océan Austral et l’Arctique, systèmes d’upwelling de bord est, océan Atlantique Nord, effet des processus sous-mésoéchelle sur les écosystèmes). Sur certaines questions/zones, le LOCEAN est en charge de l’une des composantes en étroite collaboration avec des partenaires nationaux et étrangers ce qui permet de confronter modèle et données (observations LOCEAN dans le programme MISTRALS, modélisation LOCEAN sur l’Océan Indien). Ces programmes ont différents degrés de maturité mais ils s’inscrivent tous dans cette recherche de synergies modèle-données au LOCEAN.

Aux plus fines échelles, des efforts en modélisation et observations sont engagés pour une meilleure prise en compte des processus de mélange diapycnal dans l’océan et les synergies entre les deux approches s’intensifient progressivement (cf. axe mélange océanique)

Sur le prochain quinquennat, cet axe bénéficiera:

  • de la poursuite des avancées en modélisation qui permettent maintenant d’identifier des processus qui sont ensuite observés in situ ou par satellite (e.g., en lien avec la sous-mésoéchelle), de tester et définir des plans d’échantillonnages (in situ ou couverture satellite par exemple dans le cadre de la mission altimétrique SWOT).
  • des capacités d’observation du LOCEAN concernant des échelles spatio-temporelles et des processus sur lesquels les efforts de modélisation doivent se poursuivre avec de bonnes contraintes sur le fonctionnement de l’océan réel (déploiements gliders et mesures mammifères marins pour le mélange et la dynamique régionale à sous-mésoéchelle; profils ARGO sous glace et profonds)
  • de reconstruction du climat du XXe siècle plus précises en utilisant le modèle de l’IPSL en mode guidé/nudgé par les séries d’observation disponibles sur cette période (projet LP2 du LABEX L-IPSL)
  • d’un environnement analytique de qualité pour quantifier les paramètres de l’environnement et du climat à partir d’archives naturelles du passé et de son implantation à l’ISPL pour comparer modèles et données en vue d’une analyse fine de la variabilité climatique sur le long terme

Animation Nathalie Lefèvre

L’établissement du bilan planétaire de carbone repose fortement sur les observations de CO2 atmosphérique et océanique qui permettent de suivre d’année en année, l’évolution des puits de CO2 océanique et terrestre. La conséquence directe de l’accumulation de CO2 anthropique dans l’océan conduit au phénomène d’acidification dont les impacts sur les écosystèmes marins restent encore mal connus et mal quantifiés. Le LOCEAN est fortement investi dans le maintien de séries d’observations régulières à long-terme (e.g., projets COOL et PROA) afin de suivre simultanément l’évolution du puits de carbone océanique (flux air-mer et séquestration de CO2) et celle de l’acidification, et de réduire les incertitudes sur le bilan de carbone global, tant pour l’actuel que pour les prochaines décennies. Les observations en temps réel utilisant des technologies de pointe récemment développées (e.g., capteurs et instruments automatiques et autonomes) permettront également de contraindre mais aussi de valider les modèles couplés climat/carbone (e.g., NEMO/PISCES). Les réponses de divers groupes phytoplanctoniques rendent difficile la prédiction des variations de la pompe biologique à carbone (fonctionnement/efficacité) d’où l’importance de leur étude.

Ainsi, pour anticiper et comprendre les variations du cycle océanique du carbone, le LOCEAN focalisera ses approches du prochain quinquennal sur:

  • l’observation et l’expérimentation in situ (e.g. navires, bouées, plateformes instrumentées et mésocosmes) dans différentes régions océaniques
  • des expérimentations in vitro
  • des modèles et des simulations de scénarii climatiques, depuis l’échelle cellulaire jusqu’à celle de l’assemblage d’espèces phyto-planctoniques



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