Attendus de l`appel d`offre LEFE 2010

Programme national "Les Enveloppes Fluides et l'Environnement"
Attendus de l’appel d’offre LEFE 2010
Au cours des dernières années, les interrogations concernant le devenir de notre
environnement ont conduit le citoyen et ses relais politiques, à interroger la communauté
scientifique sur le niveau de variabilité et de risque naturels et les impacts actuels et futurs des
perturbations induites par les activités humaines1. Il est donc devenu essentiel de pouvoir
diagnostiquer l’état des différents milieux (air, mer, eau douce, sol, biosphère) et les
modifications qu’ils encourent sous les perturbations d'origine naturelle ou anthropique, et de
pouvoir comprendre la nature irréversible ou non des altérations qu’ils subissent dans une très
large gamme d’échelles de temps.
Afin de contribuer aux réponses aux très fortes demandes sociétales concernant les impacts
des activités humaines sur notre planète, et plus particulièrement sur le changement climatique, le
milieu marin et ses écosystèmes, la composition chimique de l’atmosphère, la pollution, les
ressources halieutiques, la gestion durable…, le programme national LEFE mène des recherches
sur le fonctionnement de l'atmosphère et de l'océan, leur couplage, leurs interactions avec les
autres composantes du système climatique (cryosphère, biosphère, hydrosphère) d'un point de vue
dynamique, physique, chimique, biologique et biogéochimique.
Ces grands questionnements scientifiques s’inscrivent directement au sein de la recherche
internationale sur les changements environnementaux planétaires (dit changement global)
menée au sein des programmes internationaux de l’ICSU2, notamment WCRP et IGBP, et dans le
cadre du partenariat ESSP. Dans ce cadre, le programme national et inter-organismes3 LEFE
souhaite favoriser l’émergence d’idées nouvelles tant aux frontières de la connaissance dans un
domaine spécifique que sur les frontières entre disciplines ou entre milieux.
Les ruptures technologiques ou méthodologiques seront considérées avec intérêt ainsi que les
projets innovants associant observations et instrumentation de pointe développée dans les
laboratoires, ou le montage de projets à forte composante transdisciplinaire. Une part significative
du budget LEFE sera ainsi dédiée à :
- des projets incitatifs potentiellement « à risque » mais auxquels est associé un fort
potentiel de créativité et/ou d’essaimage ;
- des projets coordonnés pour structurer la communauté ou mutualiser des efforts
autour d’objets communs rassemblant plusieurs équipes de recherche, nationales ou internationales ;
- la construction de l’Espace Européen de la Recherche par le soutien de projets biou multi-latéraux (un objectif de 30% est visé à terme), en lien notamment avec les initiatives de
l’ESF, le FP7, l’ANR et les directions internationales des organismes ;
- des projets bi- ou multilatéraux dans le cadre de recherches menées en coopération
avec des équipes des pays émergents, intermédiaires et en développement « du Sud »,
particulièrement sensibles au changement climatique et à ses conséquences.
Par exemple : l’évaluation de l’intensité du réchauffement climatique, la prévision des pics estivaux d’ozone
dans et autour des grandes agglomérations, l’éventuelle recrudescence des événements extrêmes, l’acidification
et l’eutrophisation des écosystèmes marins, etc…
2
www.icsu.org , Global Change Research (GCR)
3
Le programme LEFE, géré et coordonné par l’INSU, est soutenu par l’ADEME, ARKEMA, le BRGM, le
CEA, le CEMAGREF, le CNES, le CNRS, EDF, l'IGN, l'INSU, l'IFREMER, l'INRA, l'INRIA, l'IPEV, l'IRD,
MétéoFrance, le SHOM, en liaison avec le MEEDDAT.
1
Le cadre de l’appel d’offre recouvre ainsi des questions importantes de recherche
fondamentale mais s’adresse également à l’émergence de nouveaux systèmes d’observations
et de prévision à caractère pérenne ou pré-opérationnel, notamment dans le cadre de
l’initiative européenne GMES. Le renforcement des bases théoriques en recherche et
développement nécessaires à l’élaboration des services pilotes GMES ainsi que la fédération
des efforts français pour y apporter une contribution significative sont encouragés. Cet aspect
intègre aussi la valorisation des missions spatiales en coordination étroite avec le programme
TOSCA du CNES.
Dans la pratique, les recherches LEFE, destinées à améliorer la compréhension, la détection et
la prévisibilité des réponses du Système Terre aux forçages anthropiques, sont organisées
actuellement autour de cinq actions en lien avec les grands programmes internationaux (cités
entre parenthèses) :
- Chimie atmosphérique/CHAT (IGAC, SPARC, … )
- Evolution et variabilité du climat à l’échelle globale/EVE (CLIVAR, GEWEX, CLICS,
PAGES, AIMES, GCP …)
- Cycles biogéochimiques, environnement et ressources/CYBER (IMBER-GLOBEC,
LOICZ, SOLAS, GEOTRACES, …)
- Interactions et dynamique de l’océan et de l’atmosphère/IDAO (WCRP, WWRP, …)
- Assimilation de données/ASSIM
L’organisation en 5 actions est faite pour aider l’évaluation scientifique mais les projets
peuvent s’adresser à plusieurs actions.
Note importante « Grand Chantier pluridisciplinaire »
- Chantier Méditerranée4 : Le programme LEFE n’est pas destiné à le financer par
contre son avis scientifique pourra être sollicité au cas par cas par le Comité de Pilotage
(CoPil) nouvellement mis en place par le CIO-Environenment ; il est cependant important de
noter que les propositions ayant trait à cette zone n’ont pas vocation à intégrer
systématiquement les diverses actions associées à ce chantier5 et pourront être recevables
dans le cadre de l’AO LEFE.
- AMMA6, Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine : la valorisation et la
poursuite du programme pluridisciplinaire relève désormais des AO des programmes
nationaux LEFE et EC2CO, les projets transverses sont encouragés à soumettre
conjointement à ces deux programmes.
- Vers un observatoire scientifique de l'Arctique7 : les projets amont permettant de
contribuer à la réflexion prospective sont encouragés.
Projet 2010-2020, sous la responsabilité du CIO-Environnement, sur l’évolution de l’habitabilité en zone
méditerranéenne dans le contexte des changements environnementaux, dont le 1er Colloque de lancement s’est
tenu à Aix en Provence du 3 au 5 Novembre 2008, cf http://www.dt.insu.cnrs.fr/c-med/c-med.php
5
Notamment les initiatives HYMEX, CHARMEX, MERMEX, PALEOMEX, MOOSE impliquant fortement la
communauté océan-atmosphère au sein du Chantier Méditerranée.
6
Projet AMMA 2002-2009 dont la 2ème phase 2010-2020 sera identifiée lors de la 3ème conférence internationale
à Ougadougou du 20 au 24 Juillet 2009, cf http://www.amma-international.org/
7
http://www.gouvernement.fr/gouvernement/la-creation-d-un-observatoire-scientifique-de-l-arctique
4
Les moyens financés et labellisés par LEFE
Le programme national inter-organisme LEFE, coordonné par l’INSU, assure désormais une
triple fonction : i) il évalue des projets scientifiques complets basés sur des budgets
consolidés, ii) il attribue des moyens spécifiques, iii) il décerne des labels spécifiques pris en
compte par d’autres opérateurs ou agences de moyens. Cette démarche proactive vise à
consolider le portail unique LEFE dans le domaine de la recherche en Océan-Atmosphère,
suite aux recommandations de la prospective nationale de Lille (2005).
1) Plus précisément, le programme LEFE peut financer directement :
 le fonctionnement général du projet (fournitures, petit équipement, missions,
publications, etc…) ;
 les analyses (in situ, au laboratoire ou dans des services d’analyses nationaux) : la
justification détaillée (e.g., coût unitaire de l'analyse et nombre d'analyses prévues,
coût total par poste) des dépenses envisagées devra être fournie ;
 les frais de missions et de transport de matériel liés aux campagnes sur le terrain ;
 le soutien des laboratoires à des projets scientifiques basés sur la mise en oeuvre de
campagne ballon déjà décidée ou de valorisation de missions spatiales8.
 4 bourses post-doctorales, prioritairement attribuées à des projets innovants,
structurants ou en partenariat international.
 sauf exception9 le programme LEFE est destiné à financer des projets supérieurs à 1015k€
2) Surtout le programme LEFE favorise l’accès à un ensemble de soutiens complémentaires
via une procédure de labellisation. Ceci concerne l’ensemble des volets suivants :
2a) AO coordonnés par l’INSU et synchronisés avec l’AO LEFE :
 Campagne(s) avion (cf AO SAFIRE)
 Personnel et/ou soutien DT/INSU (cf AO DT/INSU)
2b) AO coordonnées par d’autres organismes ou agences de moyens:
 Equipement (AO CNRS synchronisé avec LEFE ou autres organismes)
8
LEFE peut également financer les coûts du laboratoire au cours des campagnes (missions, petits consommables,
..) et pour l'exploitation des résultats (publications, petit matériels,..) ainsi que des données validées issues de
missions spatiales en excluant les aspects démonstration, calibration ou validation qui relèvent directement de
comités scientifiques du CNES. Les projets sélectionnés fin 2007 dans le cadre de l’AO international CNESEumetsat « OST-ST » ( Ocean Surface Topographie- Science Team) dont les thématiques relèvent de LEFE
seront suivis par les CS de ce programme.
9
comme un projet annuel particulièrement structurant ou innovant, notamment au sein de la nouvelle action
ASSIM
 Personnel temporaire : doc, post-docs et CDD (AO CNRS ou autres
organismes). Le taux d’obtention de bourses labellisées par le programme
LEFE est d’environ 70%.
 Campagnes ballon (AO ad-hoc)
 Campagne(s) à la mer Flotte Nationale et CIRs (AO ad-hoc)
 Calcul intensif (AO IDRIS, CIES, …)
 Coopération régionale (AO GIS, RTRA, Régions, etc …)
 Coopération internationale (IRD, CNRS DRI &DAE, ESF, etc …)
 Coordination internationale (programmation internationale, « assessments », etc
…)
 Animation & formation, colloque, école d’été (AO CNRS, AO IRD ou autres
organismes)
 Autres à préciser (ANR, …)
Il est important de noter que les labellisations par LEFE donnent un plus au projet, mais
nécessitent d’effectuer les démarches spécifiques aux divers AO auprès des organismes
partenaires ou agences de moyens reconnaissant ce label LEFE parmi leurs divers critères de
sélection. Ceci concerne notamment les demandes de support en ressources humaines comme
les docs, les postdocs et les CDD. A noter que ces derniers pourront être financés que dans un
petit nombre de cas par le CNES et l’INSU et seulement sur des projets jugés particulièrement
prioritaires par ces organismes et ne pouvant se réaliser sans cet apport.
Modalités de réponse
Sauf procédure particulière10, toutes les demandes de moyens adressées au secteur OcéanAtmosphère de l’INSU doivent faire l’objet d’une réponse à l’appel d’offres LEFE. Les
propositions pourront être sélectionnées pour 1 an, 2 ans ou 3 ans. Les propositions
sélectionnées sur 2 ou 3 ans n’auront pas à être resoumises pendant cette période.
1) le formulaire informatisé
Les porteurs de projet devront utiliser le formulaire unique informatisé qui est mis en
ligne sur le site de l’INSU. Il remplace les divers formulaires de soumission des
programmes (LEFE, PNTS, EC2CO, …), de soumission aux « boîtes équipements milourds » et de soumission à l’AO de la Direction Technique ou à l’AO SAFIRE pour les
campagnes Avion...
Ce formulaire prend donc en compte toutes les demandes financières, ainsi que les
diverses demandes de labellisation LEFE pour consolider le projet en partenariat avec les
autres organismes ou agences de moyens partenaires. Le projet doit notamment expliciter
chaque demande correspondant à un type différent de labellisation en i) joignant un
descriptif de la demande, ii) un échéancier, iii) un budget consolidé afin que le comité
puisse émettre les recommandations auprès des organismes et agences concernés.
10
identifiée hors appel d’offres LEFE
Les ressources obtenues ou demandées en réponse à d’autres appels d’offres (européens,
nationaux, régionaux, …) doivent être indiquées, permettant ainsi d’obtenir un coût
consolidé pour chaque projet. Les lettres d’intention sont également possibles et doivent
également faire l’objet d’une soumission via le même formulaire informatisé.
Une action nécessitant plusieurs demandes, qu’elles soient financières ou pour des
labellisations, fera l’objet d’une seule soumission, qui sera transmise aux différentes
instances ad hoc pour évaluation. Dans le cas de projet transverse au-delà du domaine
Océan-Atmosphère, il est également possible de soumettre le projet pour évaluation à une
autre section de l’INSU (SIC, ST ou AA).
2) le dossier scientifique
Le dossier scientifique11, commun à l’ensemble des actions OA, ne devra pas excéder 15
pages (a priori plus court dans le cas d’une Lettre d’Intention). Il décrira précisément le
contexte scientifique dans le cadre international, les questions abordées et la méthodologie
originale choisie pour les résoudre dans un contexte global et exhaustif, ainsi que la
planification en termes d’objectifs et de moyens du travail de recherche. Les
collaborations nationales, européennes ou internationales doivent être mentionnées. Pour
les projets pluriannuels, le plan de travail et de financement détaillé devra être
impérativement proposé pour les durées entières du projet, tant pour les moyens financiers
directs que les divers supports nécessaires via une labellisation (équipements, campagnes,
calcul, ressources humaines, etc…).
Pour les demandes de campagnes Avions ou en mer, ainsi que pour le soutien de la DT,
des fiches spécifiques sont à joindre au dossier scientifique, qui est à renseigner
obligatoirement, quelle que soit le type de demande soumise à l’INSU.
Pour permettre l'évaluation du projet, les proposants doivent veiller à fournir un
échéancier cohérent, en précisant dans le formulaire informatisé en ligne les soutiens
financiers accordés ou demandés par ailleurs (autres programmes nationaux, soutien
interne d'organisme, projet européen), les moyens nécessaires à la réalisation du projet
(soutien de la DT INSU, heures de calcul sur un grand centre, campagne à la mer,
campagne avion, ...) et une liste exhaustive du personnel impliqué, permanents et
temporaires, en précisant le temps consacré au projet.
Evaluation
Le programme LEFE est piloté par un Comité InterOrganismes (CIO) formé par les
représentants des organismes et agences partenaires. Le CIO décide, sur recommandation du
Conseil Scientifique LEFE, des projets retenus et des moyens qui leur sont attribués. Le
Conseil Scientifique LEFE s’appuie, pour émettre ses recommandations, sur les évaluations
menées par les Conseils Scientifiques des différentes actions qui le composent.
Le programme inter-organismes LEFE doit avoir une vue globale et consolidée du soutien
nécessaire à la réalisation des projets qu’elle sélectionne.
11
à télécharger via le formulaire informatisé
Pour sa recevabilité, le projet devra non seulement être jugé prioritaire de par son adéquation
à l’appel d’offres, la pertinence de son questionnement scientifique et l'innovation et/ou la
solidité de sa méthodologie, mais de plus il devra être accompagné d'une analyse attentive de
sa faisabilité en terme de calendrier, de moyens financiers et humains, et d’accès aux moyens
lourds (avion, flotte, ballon, temps calcul, …). Les projets interdisciplinaires ou favorisant les
transferts de savoir-faire depuis ou vers les autres disciplines sont particulièrement
recherchés, ainsi que la structuration de la communauté nationale et européenne sur des
projets nécessitant une masse critique. L'ensemble de ces éléments sera déterminant pour son
acceptation. Enfin, l’ensemble des projets sera évalué en estimant un indice de « retour
potentiel » relativement à un indice de « risques » encourus lors de la réalisation selon le
modèle joint en Annexe. Une appréciation de ces deux indices par les proposants est
souhaitée.
Le Comité Inter-Organismes peut, pour des raisons scientifiques ou budgétaires, ne proposer
qu'un financement partiel dans un projet, ce qui se traduira par une réorganisation du projet.
Les proposants sont donc expressément invités à mentionner explicitement leurs priorités.
Formulation des réponses à l’appel d’offre
La date de clôture de l’appel d’offres est fixée au 30 septembre 2009. Les porteurs de
projet doivent impérativement utiliser le formulaire d’appel d’offres informatisé.
Nota 1 : Les porteurs de projet appartenant à une unité associée au CNRS devront
impérativement pré-renseigner la rubrique « dotation sur projet » du Labintel via leur
directeur d’unité avant le 15 septembre 2009.
Nota 2 : Les porteurs de projets n’appartenant pas à une unité associée au CNRS devront
envoyer par courrier postal la fiche d’identité du projet imprimée et signée par le directeur
d’unité à l'INSU (Soraya Garcia) BP287-16 75966 Paris cedex16.
Annexe 1
L’évaluation « Risques et retours potentiels » s’appuie sur les 2 indices suivants :
1) Identification de l’indice de « Retour Potentiel »:
Ce critère est destiné à caractériser l’intérêt intrinsèque du projet s’il est effectivement
réalisé. Le classement sera explicitement justifié par les experts et les conseils scientifiques de
LEFE.
Fort : Contribution certaine aux objectifs principaux de l’appel d’offre
Moyen : Contribution probable aux objectifs principaux de l’appel d’offre
Faible : Contribution marginale aux objectifs principaux de l’appel d’offre
2) Identification de l’indice de « Risques » :
Ce critère est destiné à caractériser les risques associés à la réalisation effective du projet
dans le cadre de l’échéancier affiché. Le classement sera explicitement justifié par les experts
et les conseils scientifiques de LEFE.
Faible : Pas de risque identifié dans l’implémentation
Moyen : Certains risques identifiés (scientifique, technique, financier, humain, …) dans
l’implémentation mais ne compromettant pas la réalisation principale du projet
Fort : Risque identifié (scientifique, technique, financier, humain, …) que les proposants ne
puissent mener à bien leur projet dans les échéances impartis.
ACTION « Assimilation de Données »
(ASSIM)
1. Contexte scientifique
L'expression « assimilation de données » rassemble les méthodes permettant d'estimer, de
manière optimale, l'état d'un système dans toute sa dimension spatio-temporelle, à partir des
différentes informations disponibles. Les informations exploitées peuvent provenir de
mesures, de lois théoriques, de climatologies, etc.
Ces méthodes sont déjà très utilisées dans plusieurs domaines de la géosphère (e.g. en
météorologie, océanographie, chimie atmosphérique), et émergent dans plusieurs autres (e.g.
hydrologie, glaciologie). Quelle que soit l’application considérée, la solution des problèmes
inverses fait appel aux mêmes techniques, fondées sur des méthodes probabilistes (estimation
bayésienne, apprentissage statistique, etc) et/ou sur les méthodes de contrôle optimal. Un
certain nombre de difficultés spécifiques rencontrées en géophysique en font souvent un
problème particulièrement ardu : caractère fortement non-linéaire, voire chaotique, de la
dynamique du système étudié, complexité des opérateurs d’observation, méconnaissance des
statistiques d’erreur, grande taille des systèmes…
La nécessaire diffusion de ces méthodes dans plusieurs communautés scientifiques de
maturités différentes sur ces sujets, leurs fondements théoriques communs, et la nécessité de
poursuivre les recherches sur ces méthodes et leurs mises en œuvre, ont conduit à définir une
organisation, le programme Assimilation de Données (ASSIM) de LEFE, afin de piloter les
actions relatives à l’assimilation des données.
2. Le programme LEFE/ASSIM
Dans la lignée du GDR qui avait été consacré dans les années 90 aux méthodes
variationnelles d’assimilation de données en météorologie et océanographie, le programme
ASSIM vise donc à regrouper la communauté des assimilateurs en géophysique sur des
activités fondamentales pour continuer à stimuler les recherches théoriques, ainsi que sur des
applications exploratoires soulevant de nouvelles difficultés.
Le programme ASSIM a été entériné par la CSOA (Commission Scientifique OcéanAtmosphère) de l’INSU au printemps 2005. Il a vocation à l'interdisciplinarité et concerne
donc non seulement l'océan-atmosphère mais également d’autres divisions (surfaces
continentales, sciences de la terre, par exemple) et instituts (INSMI par exemple), ainsi que
d'autres organismes et instituts de recherche. La communauté des mathématiciens est associée
à ce programme, afin de conserver des fondements théoriques solides qui fournissent des
méthodes stables et efficaces répondant aux nouveaux besoins rencontrés, et de bénéficier des
nouvelles pistes de recherche en mathématiques pour alimenter les méthodologies de
l’assimilation de données.
Les objectifs principaux de ce programme sont les suivantes :





stimuler les recherches innovantes et fondamentales en assimilation, et leur donner la
reconnaissance et le soutien nécessaires
favoriser les échanges scientifiques sur les recherches théoriques dans le domaine de
l’assimilation de données entre des communautés disciplinaires différentes, afin
d’enrichir ces recherches grâce à cette pluridisciplinarité
dynamiser le transfert des avancées théoriques vers les applications des différentes
disciplines
participer à des actions de formation, et d'une manière générale diffuser largement les
potentialités scientifiques et les techniques de l'assimilation
jouer un rôle d’animation au niveau national
Un appel à propositions annuel sélectionne et participe au financement de projets de
thématiques précisées par le présent appel d'offre.
3. Appel à projets
Sont plus spécifiquement ciblés dans le présent appel à propositions, les travaux amont de
recherches, alors que les travaux plus finalisés allant jusqu'à l'opérationnel relèvent de
programmes par champs disciplinaires.
Les travaux en lien direct avec des projets structurants du type GMES, AROME, GMMC…
relèvent a priori des structures existantes : programmes nationaux, TOSCA, GIP
MERCATOR… Selon le schéma en vigueur, les demandes de soutien et de co-financement
concernant chaque champ disciplinaire doivent être adressées aux autres programmes de
LEFE pour la physique de l’atmosphère et océanographie physique, la chimie atmosphérique,
l’océanographie côtière biogéochimique, la climatologie, la biogéochimie marine, à
EC2CO pour les surfaces continentales, au PNTS pour les données spatiales et au GMMC
pour l’océanographie opérationnelle physique et biogéochimique.
Outre un soutien financier, les propositions peuvent comporter une demande de
« labellisation » de bourse de thèse BDI et de post-doc, labellisation dont le but est de
favoriser l’obtention effective de ces bourses auprès des organismes.
4. Périmètre scientifique de l'appel à projets
Cet appel d'offres, comme les années précédentes, vise à susciter des travaux sur des
développements théoriques, algorithmiques et/ou transversaux en assimilation de
données. Une liste non exhaustive de thématiques est fournie en annexe.
Il est souhaité plus particulièrement cette année de mettre en avant deux grandes thématiques :
1.
Méthodes adaptées aux fortes non-linéarités : avancées sur les méthodes de
filtrage de Kalman d'ensemble, filtres particulaires, méthodes d'apprentissage,
et plus généralement filtrage d'ensemble non-gaussien, lisseurs, filtres de
Kalman réduits, etc.
2.
Assimilation de données pour les systèmes couplés : multi-échelles
(modèles emboîtés, multi-grille,...), systèmes hétérogènes (océan-atmosphère,
sol-végétation-atmosphère,...)
et d’élargir sélectivement le périmètre disciplinaire de l'appel en identifiant explicitement
de nouvelles applications: Terre solide (géomagnétisme, ...), astrophysique (dynamique
solaire, prévision des vents solaire, « météorologie spatiale », atmosphères planétaires).
Une partie du financement sera ainsi réservée au soutien des projets focalisés sur ces
sujets.
Les priorités mises en avant ne sont pas exclusives. Tous les projets de recherche centrés
sur les aspects méthodologiques et/ou les aspects transverses en assimilation de données
trouvent naturellement leur place dans cet appel d'offre.
Annexe ASSIM
Thématiques de recherche
1. Développements théoriques
 Limites des approches linéaires gaussiennes
 Méthodes adaptées aux cas où les approximations linéaires ne sont plus valides :
filtres particulaires, algorithmes génétiques, assimilation variationnelle quasistatique…
 Méthodes d’ensemble (variationnelles et stochastiques)
 Développements conceptuels sur l’hybridation des approches variationnelle et
séquentielle
 Étude de la propagation de l’information (notamment en assimilation séquentielle)
 Développement de méthodes optimales au sens de la théorie de l’information :
inversion par régularisation selon le principe du maximum d’entropie, filtrage basé sur
ce même principe
 Assimilation d’images
 Détermination des sources
 Assimilation et prévisibilité, techniques d’identification des modes stables et instables,
analyse de sensibilité, quantification et propagation d’incertitudes, études au second
ordre
 …
2. Développements algorithmiques
 Développement d’algorithmes d’ordre réduit
 Méthodes d’assimilation multi-échelles (emboîtement de modèles, désagrégation, …)
 Algorithmes duaux
 Méthodes variationnelles d’ensemble
 Modélisation et prise en compte des corrélations d’erreur (notamment temporelles)
 Développement d'algorithmes pour les problèmes d'identification (forçages,
paramètres, termes sources, …)
 Assimilation pour la modélisation couplée
 Minimisation et optimisation
 Étude de la non-différentiabilité et algorithmes pour les problèmes non-différentiables
 Développement de logiciels spécifiques : différentiation automatique, coupleurs, …
 Assimilation d'images
 Assimilation et nouveaux développements technologiques en informatiques
 …
3. Erreurs
 Modélisation des statistiques d’erreurs d’observation et de modélisation
 Identification des erreurs, biais systématique
 Contrôle d’erreurs multiples par méthodes adaptatives
 Sensibilité aux erreurs, modèles de propagation des erreurs
 Validation a posteriori des algorithmes d’assimilation
 Tests objectifs de l’optimalité et de la cohérence interne des méthodes d’assimilation,
estimation des statistiques d’erreur par ajustement a posteriori
 Minimisation a posteriori des erreurs d’estimation : validation croisée, filtrage
adaptatif, …
4. Systèmes d’observation
 Utilisation d’observations nouvelles et/ou de données hétérogènes
 Définition des opérateurs d’observation et identification des erreurs correspondantes
(erreurs d’observation stricto sensu et erreurs de représentativité)
 Modélisation des covariances d’erreur d’observation
 Sensibilité aux observations. Contenu en information. Quantification de l'impact des
observations
 Optimisation des systèmes d'observation. Ciblage d’observations
5. Nouveaux champs d’application
 Océanographie côtière
 Biogéochimie marine et terrestre
 Méso-échelle atmosphérique et océanique
 Chimie atmosphérique
 Hydrologie du sol et eaux continentales (surface et souterraine)
 Glaciologie
 Biosphère continentale
 Paléo-climatologie
 ...
ACTION « Chimie Atmosphérique »
(CHAT)
Il est désormais établi que les activités humaines ont altéré, au cours du siècle écoulé, la
composition chimique de l'atmosphère. Cela s'est traduit d’une part par une augmentation de
la teneur en polluants gazeux et particulaires avec des impacts environnementaux, sanitaires
mais aussi économiques et d’autre part, par une modification de l’abondance des gaz à courte
durée de vie comme l’ozone qui contribue à l’effet de serre et des concentrations en particules
qui modifient les propriétés radiatives de l'atmosphère et donc le climat terrestre.
Il est donc devenu nécessaire de comprendre et de prédire les émissions de polluants, leurs
transformations, dépôts et dispersion dans l'atmosphère. De même, identifier et comprendre
les évolutions à long terme des teneurs de ces composés et leur impact est un défi majeur. Les
résultats obtenus devraient apporter des éléments de réponse aux préoccupations majeures de
la société, l’objectif final étant d’appréhender dans toutes leurs dimensions les conséquences
des modifications de la composition de l'atmosphère sur notre environnement.
Dans cet objectif, le plan de recherche de l’action CHAT est articulé autour de cinq thèmes
majeurs menées notamment dans la cadre de grands programmes internationaux comme
WCRP/SPARC et IGBP/IGAC :
1) Capacité oxydante de l’échelle locale à l’échelle globale
2) Aérosols
3) Chimie et microphysique des nuages
4) Bilan des espèces traces dans la haute troposphère et la basse stratosphère
5) Emissions et dépôts de constituants atmosphériques gazeux et particulaires
Ces cinq actions prioritaires sont accompagnées de la mise en œuvre d'études amont et
d'outils transversaux indispensables :
A) Etudes des processus physico-chimiques atmosphériques en laboratoire
B) Etudes spectroscopiques d'espèces atmosphériques
C) Instrumentation
D) Outils et méthodes pour la modélisation et l’assimilation
1.
Capacité oxydante de l’échelle locale à l’échelle globale
Il est proposé d’orienter les actions de recherche sur le domaine de la pollution atmosphérique
au sens large, depuis l’échelle locale et les zones urbaines jusqu’à l'échelle planétaire. Ce
choix résulte du besoin d'approfondir la connaissance des mécanismes complexes qui
contrôlent la pollution atmosphérique dans les basses couches de l’atmosphère et de répondre
à une demande sociale accrue en matière de qualité de l'air et d’évaluation de l’impact
sanitaire de la pollution. Ces études doivent porter sur le développement d’outils fiables et
optimisés, dont le transfert en mode opérationnel peut permettre une prévision de la qualité de
l’air et des épisodes de pollution et donner une base rationnelle à l’élaboration ou à la
discussion de politiques de réduction des émissions (par exemple au travers d'études de
sensibilité et de scénarios d’émission). Par ailleurs, les modèles actuels, dont la formulation
conduit à des simulations d’échelle supérieure à quelques kilomètres, ne permettent pas
d’évaluer les concentrations réelles auxquelles sont exposés les habitants des grandes
agglomérations, ce qui, in fine, est le questionnement majeur des responsables de la santé
publique. Par conséquent, des développements méthodologiques sont sollicités dans ce
domaine, en amont de réelles études d’impact.
Sur ce thème, l’action CHAT souhaite soutenir en particulier trois types d’actions.

le bilan instantané des radicaux libres et la production photochimique de l’ozone,
approche expérimentale de « fermeture chimique », en incluant l’observation des radicaux
et de leurs sources et pertes (notamment les espèces carbonylées) et la confrontation avec
les simulations. Dans la mesure du possible, on cherchera à établir l’impact des aérosols
sur le bilan des radicaux ;

le transport transfrontière et intercontinental de polluants (évaluation des contributions
respectives de la pollution photooxydante et particulaire des panaches transportés vers et
depuis l’Europe et de celle produite régionalement, variabilité saisonnière et interannuelle
de ces panaches intercontinentaux et leur impact sur le bilan de l’ozone à l’échelle
globale). On se penchera tout particulièrement sur les mécanismes d’échanges verticaux à
grande échelle. L’étude de ce thème tirera largement profit de l’utilisation d’observations
satellitales et de l’application de techniques d’assimilation ;

la pollution extérieure à l’échelle locale ; étude des processus chimiques ; développement
des méthodes afin de spatialiser plus finement les concentrations surtout des espèces
primaires (typiquement à 2 m de hauteur dans des mailles de l’ordre de la centaine de
mètres en résolution horizontale). L’accent est mis sur une description climatologique et
statistique de la distribution des polluants.
En particulier, l’action CHAT sera attentive aux propositions ayant pour objet l’impact des
mégapoles sur la qualité de l’air et sur la composition chimique de l’atmosphère à grande
échelle.
2.
Aérosols
Les aérosols jouent un rôle très important au sein de la chimie de l’atmosphère. L’impact
sanitaire, notamment des particules ultrafines (de diamètre inférieur à 100 nm), est de plus en
plus reconnu. En modifiant le bilan radiatif de l’atmosphère et la microphysique des nuages,
les aérosols jouent un rôle important dans la problématique du changement climatique. Enfin,
ils sont susceptibles de catalyser certaines réactions entre composés gazeux et peuvent ainsi
altérer le bilan de ces espèces dans l’atmosphère. L’intensité de ces effets (sanitaire,
climatique, catalytique) dépend à la fois de la composition chimique des aérosols, de leur
distribution en taille, et de leurs caractéristiques de surface. Il convient alors de mieux
comprendre ces différentes caractéristiques des aérosols. En particulier les processus de
formation et d’altération d’aérosols organiques sont toujours mal connus.
L’action CHAT souhaite soutenir plus particulièrement des études portant sur :






l’utilisation de mesures spatiales, disponibles ou programmées, afin de déterminer aux
grandes échelles la variabilité spatio-temporelle et les caractéristiques (taille, composition)
de l’aérosol ;
le mécanisme de formation des aérosols secondaires, notamment à partir de précurseurs
organiques (avec des expériences de terrain couplées aux expériences de laboratoire ou de
modélisation, pour une caractérisation de nouvelles voies réactionnelles pouvant créer des
aérosols,…) ;
la relation entre propriétés chimiques et optiques (albédo de simple diffusion, taux
d’échauffement atmosphérique,…) ;
les propriétés hygroscopiques des particules, en particulier le rôle de la matière organique
(évolution de ces propriétés lors du vieillissement des aérosols, mesures sur le terrain de
ces propriétés, rôle dans le processus d’activation de nuages, rôle de la surface,…) ;
identification de la fraction volatile des aérosols (nitrates d’ammonium, AOS, …) ;
l’interaction entre les particules et les photooxydants, en particulier l’ozone (études de
réactivité en laboratoire, rôle de la surface, en liaison avec des études en laboratoire,…) ;
les relations entre modèles et expérience (développement de nouveaux modules
numériques en s’appuyant sur les résultats des grandes campagnes d’observations,
paramétrisation pour les modèles 3D,…).
Concernant les points 3 et 4 ci-dessus (« propriétés chimiques et optiques » et « propriétés
hygroscopiques »), il est entendu qu’une partie importante de la communauté sera encore
engagée dans l’expérience AMMA et sa valorisation.
Par ailleurs, un couplage entre expériences de laboratoire et de terrain est encouragé.
3.
Chimie et microphysique des nuages
Les nuages redistribuent les gaz et les aérosols émis depuis la surface vers la troposphère libre
et la haute troposphère. Ils interfèrent avec les rayonnements solaire et infrarouge, altérant
ainsi à la fois la photochimie de l'atmosphère et son bilan radiatif. Les précipitations dans les
nuages chauds ou mixtes éliminent tout ou partie des gaz et aérosols les plus solubles. Enfin,
les hydrométéores sont un milieu très favorable pour des transformations chimiques rapides
qui affectent à la fois les gaz et les aérosols. Le rôle des hydrométéores glacés reste, quant à
lui, mal connu à ce jour. Les nuages agissent ainsi sur la capacité oxydante de l'atmosphère,
les propriétés chimiques et radiatives des aérosols et finalement à plus long terme sur
l'évolution du climat.
L’action CHAT souhaite soutenir plus particulièrement des études portant sur :



la chimie en phase glace et, plus généralement, en phase mixte (photochimie en phase
aqueuse, études des propriétés géométriques et chimiques des noyaux glaçogènes,
altération du pouvoir glaçogène par la matière organique ou les microorganismes,…) ;
l'impact des nuages sur les aérosols et les gaz (transport vertical, lessivage, formation de
nouvelles particules, formation de COV oxygénés spécifiques à la phase aqueuse ...) ;
l'impact des aérosols sur les propriétés optiques et les phases des nuages (sensibilité à la
composition chimique des aérosols, ...), cet aspect pouvant bénéficier d’observations
satellitales ;

la modélisation du rôle des nuages (incorporation des aérosols et des gaz, propriétés
optiques et phase des nuages en fonction de la composition,…)
Au sein de ce thème, un aspect fondamental à développer est le transfert de connaissance
depuis la recherche fondamentale vers la paramétrisation des processus dans les modèles
micro-physiques, voire météorologiques et climatiques, afin de pouvoir prendre en compte
l’ensemble des interactions entre aérosols, micro-physique des nuages, et climat.. Dans ce
cadre. des interactions avec les actions IDAO et EVE sont encouragées.
4.
Bilan des espèces traces dans la haute troposphère et la basse stratosphère
La composition chimique comme la météorologie de la haute troposphère et de la basse
stratosphère (UTLS), entre 10 et 25 km, varient sous l’impact des rejets anthropiques et des
variations climatiques. Une des priorités doit être donnée à la compréhension des mécanismes
qui contrôlent les variations de l’ozone et de la vapeur d’eau dans la haute troposphère/basse
stratosphère. L'objectif est d’en comprendre à la fois les causes, l’impact sur le rayonnement
UV au sol et sur le climat et, si possible, en prévoir l’évolution à long terme.
Parmi les mécanismes intégrant à la fois la chimie et le transport, l’action CHAT souhaite
soutenir les deux axes prioritaires suivant :


la chimie de la haute troposphère/basse stratosphère et la composition de l’air entrant dans
la stratosphère (transport vertical convectif, advection de grande échelle, échanges
mésosphère-stratosphère-troposphère, mécanismes source de la vapeur d’eau
stratosphérique, processus microphysiques et chimiques dans les nuages et les aérosols,
flux d’espèces chimiques émises en surface,…) ;
le bilan de l’ozone dans la basse stratosphère (tropiques, moyennes latitudes, régions
polaires) ; la priorité est mise sur l’analyse de nouvelles données satellitales, la
modélisation du transport et de la photochimie, et l’utilisation de techniques
d’assimilations.
L’action CHAT soutiendra également l’analyse des données fournies par les campagnes
européennes passées ou à venir, par les Réseaux d’Observations et par les moyens
d'observation avion, ballon et spatiaux.
5.
Emissions et dépôts de constituants atmosphériques réactifs sous forme gazeuse et
particulaire
La connaissance des émissions conditionne largement la pertinence des simulations aussi bien
en matière de climat que de pollution et qualité de l’air, et les dépôts sont un terme essentiel
du bilan des espèces chimiques. En raison du domaine d’intervention de l’action CHAT, on
s’intéressera ici surtout aux composés réactifs ayant une influence significative sur la chimie
atmosphérique. Néanmoins, des travaux ayant pour objet les POP (polluants organiques
persistants) font également partie de l’AO.
Dans ce domaine, l’action CHAT souhaite soutenir des actions portant sur :

le développement de modèles d’émissions et dépôts de constituants sur les surfaces
naturelles, applicables aux espèces réactives et aux aérosols et intégrant l’interaction entre


atmosphère, sol, eaux et végétation ;
le développement de méthodes d’agrégation des émissions et dépôts à l’échelle d’une
maille de modèle atmosphérique, l’objectif étant de prendre en compte les hétérogénéités
des surfaces naturelles ;
le développement de méthodologies de construction de cadastres d’émissions.
Dans le cadre de ces actions, il est demandé de s’attacher à l’évaluation de l’incertitude des
modèles et cadastres, notamment par comparaison avec des observations et par le biais de la
modélisation inverse. Ces travaux devront être conçus en vue d’une utilisation des résultats,
méthodes et modèles par des modèles de chimie atmosphérique.
Concernant les émissions et dépôts, certains projets peuvent nécessiter de s’intéresser au
métabolisme des plantes et des micro-organismes du sol ou au fonctionnement des
écosystèmes. Ce type d’études spécifiques est cependant plus du ressort de l’action
interorganisme EC2CO.
Les cinq actions de caractère plus fondamental sont accompagnées de la mise en œuvre
d'études amont et d'outils transversaux indispensables.
A. Etudes des processus physico-chimiques atmosphériques en laboratoire
Les études cinétiques et mécanistiques en laboratoire constituent un axe de recherche
transverse aux actions thématiques prioritaires définies précédemment. Ces études devront
permettre d’améliorer les codes chimiques servant à une description correcte de l’évolution
des différentes espèces réactives dans l’atmosphère. Elles devront également permettre
d’améliorer les méthodes théoriques visant à estimer les cinétiques et mécanismes chimiques
difficilement mesurables expérimentalement.
L’action CHAT souhaite une imbrication marquée entre chimie homogène et hétérogène. Elle
soutiendra plus particulièrement des études portant sur :




le mécanisme de formation des aérosols secondaires, notamment les processus de
nucléation à partir de précurseurs organiques (identification de précurseurs gazeux
aboutissant à la formation de nouvelles particules, caractérisation de nouvelles voies
réactionnelles - multiphasiques ou non - pouvant créer des aérosols,…) ;
l’interaction entre les particules et les photo-oxydants, en particulier l’ozone (liaison avec
des études en terrain) ;
l’évolution de la composition chimique des aérosols et de l’état de surface lors de leur
séjour dans l’atmosphère (lien avec l’hygroscopicité et la réactivité) ;
les réactions impliquant les composés atmosphériques à basse température (180-230K) en
liaison avec la modélisation moléculaire.
Il est souhaité qu’un lien fort soit établi avec les spectroscopistes dans le cadre de
développements de nouvelles techniques expérimentales ou théoriques ainsi qu’avec les
chimistes analytiques.
B. Etudes spectroscopiques d’espèces atmosphériques
Cette action résulte de la nécessité d'améliorer les paramètres spectroscopiques afin de rendre
plus opérationnels les moyens de mesures optiques dans l’atmosphère à partir de différentes
plateformes (sol, avion, ballon, satellite), en particulier les sondeurs spatiaux à l'horizon de
quelques années et d’étendre leur champ d'investigation à la troposphère.
L’action CHAT se propose de soutenir des recherches en laboratoire en accompagnement
scientifique des expériences atmosphériques en cours ou prévues utilisant la spectroscopie
(micro-onde, infrarouge, visible-UV). Il s'agira plus particulièrement :





d’améliorer des paramètres spectroscopiques d’espèces déjà étudiées mais absorbant dans
de larges domaines spectraux (H2O, O3, CH4, HNO3…) en faisant porter l’effort sur la
cohérence dans les différents domaines spectraux ;
de déterminer, expérimentalement ou théoriquement les paramètres spectroscopiques
d'espèces d’intérêt atmosphérique instables et/ou réactives (ClONO2, HNO3, BrONO2,
Cl2O2…);
d’étudier la spectroscopie ou les propriétés optiques d’espèces troposphériques encore peu
étudiées (PAN, COV, COV oxygénés, aérosols, agrégats,…) ;
de développer de nouvelles techniques de mesures optiques (spectroscopie diode laser,
CRDS,…) soit au laboratoire, soit sur le terrain, plus sensibles que les méthodes actuelles,
en liaison avec les besoins de la communauté atmosphérique ;
de réaliser des études préparatoires et de définition de futurs sondeurs spatiaux pour la
chimie troposphérique.
Il est souhaité qu’un lien fort soit établi avec les chimistes de laboratoire dans le cadre de
développements de nouvelles techniques expérimentales ou théoriques.
C. Instrumentation
Cette action est indispensable car l’étude de la chimie de l’atmosphère est avant tout fondée
sur l’existence de mesures. Bien qu’une large panoplie de capteurs d’espèces chimiques et
d’aérosols soit aujourd’hui disponible, il est indispensable de poursuivre le travail de
développement instrumental pour en améliorer les performances (précision, constante de
temps), l’utilisation (miniaturisation et embarquement sur des plates-formes variées) et les
possibilités de détection d’espèces encore difficiles à atteindre. Par ailleurs, grâce à
l'émergence de nouvelles techniques d'observation in situ et l'adaptation de ces techniques aux
mesures aéroportées, une meilleure compréhension des systèmes multiphasiques peut être
envisagée. Enfin, un aspect particulièrement important est l’adaptation aux mesures de chimie
de l’atmosphère de technologies développées pour d’autres finalités (spectrométrie de masse,
CRDS,…).
L’action CHAT souhaite plus précisément soutenir des actions portant sur :




le développement de méthodes de mesures rapides de flux d’espèces réactives et
particules ;
le développement de méthodes permettant d’accéder aux profils verticaux dans la couche
limite planétaire d’espèces d’intérêt pour la qualité de l’air ou intervenant dans les cycles
photochimiques (O3, NOx, COV, radicaux, particules…) ;
le développement de mesures in situ dans le domaine de la chimie/microphysique de
nuages ;
les nouvelles techniques de mesures, en particulier les études des aérosols par
spectroscopie ainsi que l’optimisation de technique existantes pour la caractérisation du
carbone organique (fiabilité et qualité des méthodes existantes et réflexion sur le dégrée
de spéciation nécessaire) .
Les développements instrumentaux aéroportés devront se faire en liaison avec le Comité
Scientifique des Avions de Recherche Atmosphérique et de Télédétection (CSTA).
La définition de Procédures Assurance Qualité est vivement encouragée, ainsi que la mise en
place d’expériences dédiées à l’amélioration de la précision des systèmes de mesure.
D. Outils et méthodes pour la modélisation et l’assimilation
Les modèles numériques et les systèmes d’assimilation sont des outils intégrateurs et jouent
ainsi un rôle transversal au sein de l’action CHAT. Au cours du précédent PNCA, des projets
coordonnés ont permis l’émergence d’outils maintenant reconnus au plan international, tant
pour la modélisation de la grande échelle et du climat, que pour la prévision de la qualité de
l’air, le soutien aux campagnes de mesure ou encore les études de processus. Si certains outils
et modèles ont atteint la maturité suffisante pour être largement impliqués dans des
propositions thématiques, l’action CHAT désire encourager la poursuite des projets
coordonnés d’assimilation et de modélisation dans le domaine de la chimie atmosphérique
notamment en relation avec la modélisation du climat, de manière à favoriser la poursuite et la
consolidation des collaborations engagées et à fédérer les compétences nationales dans ces
domaines très compétitifs au plan international (dans la perspective de GMES). Un domaine
émergent dans lequel CHAT souhaite soutenir des travaux de recherche est l’interaction entre
la qualité de l’air et le changement climatique (action du changement climat sur la qualité de
l’air, action de
la qualité de l’air sur le climat régional ou global, en interaction avec IDAO et EVE).
Le volet assimilation de l’AO de l’action CHAT est complémentaire à l’AO de l’action
Assimilation. Les travaux soutenus par CHAT viseront plutôt l’application de méthodes
d’assimilation aux problèmes de la chimie atmosphérique, tandis que l’action Assimilation
vise des développements méthodologiques plus fondamentaux.
INFORMATIONS SUR LE FONCTIONNEMENT de l’action CHAT
Dans son fonctionnement, l’action CHAT soutiendra en priorité des propositions coordonnées
pluriannuelles réunissant plusieurs équipes avec des compétences complémentaires.
Cependant, environ 1/5ème du budget total pourra être consacré au soutien de propositions
présentant un caractère particulièrement novateur. Il apportera une attention particulière aux
projets participation à des programmes internationaux.
Les équipes soutenues par CHAT doivent s’engager explicitement dans leur proposition à
rendre leurs résultats disponibles à la communauté via la base de données Ether (en particulier
les observations issues de campagnes ou continues, mais aussi les simulations). Ils s’engagent
à présenter leurs résultats lors de journées thématiques de restitution.
ACTION « Cycles Biogéochimiques, Environnement et Ressources »
(CYBER)
Les modifications des forçages physiques (e.g. température, UV, régimes de vents, érosion)
ou chimiques (e.g. CO2, pH) résultant du changement global et de l’augmentation des teneurs
en gaz à effet de serre, sont susceptibles de modifier la biodiversité marine, la structuration et
le fonctionnement des écosystèmes marins, ainsi que le niveau des ressources exploitables, les
cycles biogéochimiques et finalement les flux d’éléments aux interfaces avec les autres
réservoirs (atmosphère, terre). Les perturbations ressenties par le biotope peuvent rétroagir sur
le climat en modifiant notamment la concentration atmosphérique de certains gaz impliqués
dans l’évolution du climat (e.g. DMS, composés halogénés), ou en affectant le bilan
thermique de l'océan superficiel. Malgré l’avancée des connaissances obtenues dans le cadre
des grands programmes du PIGB tels que JGOFS ou GLOBEC, les mécanismes abiotiques et
biotiques par lesquels la variabilité du climat affecte les écosystèmes restent encore assez mal
quantifiés, ce qui restreint notre capacité à prédire les changements futurs des cycles
biogéochimiques et la modification des écosystèmes. Les rétroactions éventuelles des cycles
biogéochimiques sur l’évolution du climat sont encore plus difficiles à prédire. C’est
pourquoi, la compréhension et la paramétrisation de ces rétroactions restent essentielles pour
réduire les incertitudes sur les simulations du climat.
L’objectif général de CYBER est de favoriser l’émergence de recherches pluridisciplinaires.
Le spectre des recherches potentiellement couvertes par CYBER s’étend des études de
processus aux études globales, en lien avec les grands programmes internationaux du PIGB et
du SCOR (IMBER-GLOBEC, LOICZ, SOLAS, GEOTRACES). Ces études visent à
l’acquisition des connaissances permettant de comprendre, quantifier et modéliser les
interactions (impact et rétroaction) entre climat, cycles biogéochimiques et écosystèmes
marins. Ces recherches, qui seront fortement ancrées dans le contexte programmatique
international, s’appuieront globalement sur deux grandes catégories d’études :
d’une part, des études à caractère générique, à sensibilité plus biologique (thème 1) ou
géochimique (thème 2), se focalisant sur des processus ou des variables clés dont la
paramétrisation apparaît essentielle pour la compréhension du système couplé climat - cycles
biogéochimiques - écosystèmes ;
d’autre part, des études ciblées sur des objets, en l’occurrence deux interfaces majeures de
l’océan, les marges continentales (thème 3) et l’interface océan - atmosphère (thème 4), dont
il est désormais essentiel d’apprécier l’importance dans le cadre d’une approche intégrée et
globale du domaine océanique.
1.
Structure des écosystèmes, diversité fonctionnelle et cycles biogéochimiques :
observation, quantification et représentation dans les modèles.
L’étude des interactions entre climat et cycles biogéochimiques nécessite de comprendre
comment les communautés biologiques (du virus au poisson) s’adaptent aux modifications de
l'environnement à différentes échelles de temps et d’espace et, en retour, contribuent à la
modification des cycles. Dans ce thème, il est attendu un regroupement des communautés de
biologistes, chimistes et physiciens qui ambitionnent de comprendre et de quantifier la
réponse des organismes vivants et des cycles biogéochimiques à la variabilité des forçages
physique et chimique, qu’ils soient d’origine naturelle, anthropique ou climatique. L’action
recommande en particulier de :

Améliorer la représentation des types fonctionnels du plancton dans les modèles couplés
climat-cycles biogéochimiques. Pour apprécier et tenter de réduire les incertitudes
inhérentes à ces modèles, un effort particulier sera porté dans trois directions :
 Définir ou préciser les constantes écophysiologiques (production, respiration,
assimilation d’éléments, broutage, mortalité) des types fonctionnels du plancton, en
particulier hétérotrophes (bactéries, zooplancton). Ces études pourront notamment
inclure des analyses de sensibilité simulant expérimentalement des scenarii
d’évolution climatique (impact du changement de pCO2, des UV ou de la
température).
 Regrouper les observations existantes, en réaliser de nouvelles ou développer des
outils permettant de quantifier les types fonctionnels du plancton.
 Réaliser des exercices de validation de ces modèles sur des jeux de données les plus
complets et réalistes possible.

Explorer la biodiversité dans le domaine pélagique : isolation et caractérisation de
nouveaux groupes planctoniques ; évaluation de leur impact éventuel sur les cycles
biogéochimiques en quantifiant leur abondance ainsi que leurs taux métabolique et
reproductif. Un effort particulier sera mis sur les fixateurs d’azote, les archeae, les
bactéries photo-hétérotrophes et les organismes mixotrophes.

Evaluer l’impact des processus physiques à sub-mesoéchelle et mésoéchelle sur la
structuration des écosystèmes et les cycles biogéochimiques. Ces recherches, jusqu’alors
essentiellement limitées à des expérimentations numériques, devront être poursuivies en
tentant de s’appuyer sur des observations conduites aux mêmes échelles et permettant de
valider les simulations. La description fine des mécanismes à petites échelles ne prendra
toutefois tout son sens que replacée dans le contexte de la représentation des cycles
biogéochimiques océaniques à plus grandes échelles.

Améliorer la représentation des interactions trophiques. La compréhension des
mécanismes physiques chimiques et biologiques, présidant à l'établissement, au maintien
ou au remplacement d'un type de réseau trophique devra être abordée en même temps que
celle des répercussions éventuelles sur les ressources vivantes exploitables.
Ce thème relève de la contribution française aux programmes IMBER et GLOBEC et au
Réseau d’excellence EUR-OCEANS
2.
Cycles biogéochimiques des éléments traces et de leurs isotopes.
Les éléments traces et leurs isotopes jouent un rôle fondamental comme nutriments et comme
traceurs des processus actuels et passés dans l’océan. Notamment, la compréhension de leur
cycle biogéochimique est essentielle pour les recherches relatives au cycle du carbone, au
changement climatique et au fonctionnement des écosystèmes océaniques. Par le passé, le
manque de connaissances a été un frein aux avancées dans ce domaine, mais grâce à des
progrès méthodologiques récents (échantillonnage et analyse), il existe désormais un fort
potentiel pour améliorer la compréhension de ces cycles. Dans ce cadre, l’action soutiendra
les recherches visant à :



Déterminer la distribution globale de certains éléments traces et isotopes clés en incluant
leur quantification, leur spéciation chimique. Evaluer les sources et puits ainsi que les
cycles internes des espèces chimiques pour mieux contraindre les processus physiques,
chimiques et biologiques qui régulent leur distribution. En particulier, l’étude du
comportement des éléments traces ou isotopes régulés par l’activité biologique devra être
associée à la mesure de paramètres biologiques simples permettant d’évaluer la biomasse
et/ou l’activité des groupes impliqués (e.g. phytoplancton, bacterioplancton…).
Acquérir des connaissances suffisantes sur les processus déterminants dans le cycle des
éléments traces afin de prédire leurs réponses au changement global et d’appréhender leur
impact sur le cycle du carbone et le climat.
Comprendre les processus qui contrôlent les traceurs utilisés comme proxis des paléoenvironnements. Cette action requiert nécessairement d’associer les efforts des paléoocéanographes à ceux des océanographes.
Ce thème représente la contribution française au programme GEOTRACES (voir aussi
thème3)
3. Processus biologiques et biogéochimiques au niveau des marges continentales
Les marges, interfaces entre les domaines côtier et hauturier, jouent un rôle essentiel dans la
chimie, la biogéochimie et la production globale des océans. Bien que la communauté
océanographique ait depuis plusieurs années pris conscience de la nécessité d’étudier ces
zones, la complexité et la variété des échelles de processus à prendre en compte ont
certainement contribué à ralentir l’émergence de recherches intégrées. L’apport de nouvelles
techniques (modélisation aux fines échelles, observations in situ haute fréquence,
télédétection et utilisation de nouveaux proxis) devrait désormais permettre de relever ce défi.
Les questions importantes devront être posées dans un contexte océanographique
préalablement bien ciblé ; les réponses à ces questions vont donc requérir, ici plus qu’ailleurs,
un effort pluridisciplinaire reposant notamment, pour certains projets, sur des actions
concertées transversales à CYBER et au PNEC. Pour la partie relevant de l’action CYBER les
recherches sur les domaines suivants sont considérées comme prioritaires :

En géochimie et biogéochimie:
 Quantification des transferts et des transformations d’éléments chimiques, y compris
certains polluants organiques et métalliques, entre la zone côtière et le large. Export du
sédiment vers le large et les fonds océaniques. Sensibilité de ces processus au
changement climatique et aux événements extrêmes.
 Impact des fleuves sur le cycle du CO2.
 Anoxie en zone de marge : impact sur l’accumulation et l’enfouissement de matière et
sur les cycles du carbone et de l’azote.

En biologie des populations:
 Impact du transport des éléments chimiques et biologiques entre les zones côtières et
hauturières sur la biodiversité, la biogéochimie et la productivité des marges
continentales.
 Impact des processus physiques et chimiques en zone de marge sur la structuration de
réseaux trophiques, notamment ceux favorables au recrutement d’espèces halieutiques
hauturières (développement d’approches « end-to-end »).
 Amplification éventuelle de la productivité à l’interface côtier-hauturier et
implications dans les flux biogéochimiques et trophiques.
Ce thème représente la contribution française au programme LOICZ II, IMBER et
GEOTRACES
4.
Processus biologiques et biogéochimiques à l’interface Océan-Atmosphère
L'évolution admise du climat a accru notre besoin de comprendre d'une part comment celle-ci
influence les processus physiques et biogéochimiques dans le système couplé océanatmosphère, et d'autre part, comment ce système rétroagit sur le climat. Dans ce thème, il est
attendu qu'océanographes et atmosphériciens ayant une expertise notamment sur les gaz
importants pour le climat, les aérosols, le transfert radiatif et la photochimie, joignent leurs
efforts pour améliorer la compréhension des processus responsables des sources et puits de
ces gaz dans l'océan superficiel, leur échange à l'interface air-mer, ainsi que leur influence sur
la chimie de l'atmosphère. CYBER encourage les recherches suivantes sur :




Le rôle des processus photo-chimiques et photo-biologiques sur les échanges de matière à
l’interface. En particulier, un effort particulier sera porté sur l’étude des processus dans la
micro-couche de surface.
Les flux de CO2 à l'interface air-mer représentent un échange fondamental entre les deux
réservoirs dans le cadre du cycle global du carbone. Non seulement les observations sur
ces flux doivent être pérennisées, mais les études sur les mécanismes physiques et
biologiques qui en sont à l’origine doivent être renforcées.
La production de gaz intervenant dans l’évolution du climat (e.g. DMS). Les études
viseront à mieux comprendre et quantifier les processus biologiques et chimiques
contrôlant leur production et leur concentrations marines.
L’impact des dépôts atmosphériques (émissions anthropiques et naturelles) sur les cycles
biogéochimiques dans l’océan de surface, et notamment sur la fixation d’azote. Un effort
sera également porté sur les processus chimiques responsables d’une modification de la
bio-disponibilité des nutriments dans l’atmosphère.
Ce thème relève de la contribution française au programme SOLAS.
Note importante :
Les porteurs de projets relevant de l’action CYBER peuvent bénéficier du soutien de deux
services nationaux :
 La cellule base de données gère, en étroite concertation avec les porteurs de projets, le
dimensionnement a priori de la base de données ainsi que l’alimentation régulière et
les réactualisations de cette base au cours du déroulement du projet. Le conseil
scientifique juge essentiel que les données acquises soient visibles durant la vie du
projet, puis disponibles à la fin de celui-ci.
 La cellule « pièges à particules intervient dans le traitement et l’analyse de paramètres
de base des échantillons de pièges à particules. Elle s’occupe également de la gestion
de l’archive d’échantillons de la série « Dyfamed », depuis 2007. L’utilisation de cette
archive se fait au travers de projets scientifiques soumis à l’AO LEFE et évalués par le
conseil scientifique CYBER.
ACTION « INTERACTIONS ET DYNAMIQUE DE L'ATMOSPHERE ET DE L'OCEAN »
(IDAO)
IDAO vise à la compréhension des processus physiques et dynamiques contrôlant le climat
des périodes diurne à décennale, et des échelles locales à globales, par l'approche
expérimentale, théorique et numérique des phénomènes atmosphériques et océaniques en lien
avec les thématiques des programmes internationaux sur le climat (WCRP) ou la
météorologie (WWRP).
IDAO encourage ainsi les travaux sur :

les processus météorologiques et leurs interactions avec les surfaces sous-jacentes, en
relation notamment avec le cycle de l'eau, sous les tropiques, aux latitudes tempérées et
polaires ;

les mécanismes conditionnant la circulation océanique et les transports associés de
matière et d'énergie, à l'échelle globale, au niveau des différents bassins, à l'interface entre
le talus et le plateau continental, dans les domaines côtier et littoral ;

les phénomènes propres à la cryosphère (banquise, calotte, glaciers, pergélisol, surfaces
enneigées), leurs interactions avec les milieux atmosphériques et océaniques, l’impact
climatique aux échelles pluri-annuelles.

la variabilité du système couplé océan – atmosphère – continents – glace, aux périodes
intra-saisonnière à décennale, et aux échelles régionale à globale ;

les interactions entre processus (par ex. dynamique et chimie atmosphérique, perturbations
météorologiques et hydrologie, biogéochimie et circulation océanique, couplages entre
l'atmosphère et les surfaces continentales et océaniques, ... ) dans le cadre de projets
coopératifs avec d'autres actions de LEFE.

le développement et l'évaluation de la représentation des processus physiques et
dynamiques dans les modèles numériques (méso-échelles, régionaux ou globaux) de
simulation de l'atmosphère, de l'océan ou du système couplé océan-atmosphèrecontinents-glace.
Dans ce cadre, IDAO

soutient la mise en place de coordinations fédérant les activités d'équipes travaillant par
différentes approches sur des thèmes communs, ou sur différents aspects de thématiques
complexes ;

participe à la définition, la coordination, le suivi et l'évaluation de projets coopératifs au
niveau national et international ;

encourage les initiatives originales, notamment théoriques, susceptibles de donner lieu à
des avancées conceptuelles, numériques ou expérimentales.
Les projets soumis à IDAO s'appuieront notamment sur :

la valorisation de jeux de données existants (campagnes d'observation, expériences
numériques, analyses opérationnelles et réanalyses, observations spatiales, ... ) ;

l'acquisition de mesures in situ et par télédétection, éventuellement lors de campagnes
coopératives de mesures, dans un cadre national ou international ;

des études numériques à l'aide de codes atmosphériques et océaniques ;

la dynamique des fluides expérimentale avec l'utilisation de plates-formes dédiées ;

certains développements instrumentaux originaux liés à un objectif scientifique identifié
dans le cadre IDAO, dans la mesure des moyens disponibles.

la participation française aux projets de recherche internationaux du WCRP et du WWRP
(GEWEX, CLIVAR, THORPEX, …).
Les thèmes prioritaires de IDAO sont détaillés ci-dessous.
1. Processus Atmosphériques
Ces études concernent les perturbations météorologiques (systèmes dépressionnaires et
pluvio-nuageux des latitudes moyennes et tropicales, phénomènes conditionnés par les
interactions avec la surface continentale ou océanique, ... ) afin de faire progresser la
compréhension, la modélisation, la paramétrisation, et la prévision. Par ailleurs, le
développement des recherches sur les interactions entre milieux ou processus est souhaité :
dynamique de l'atmosphère et hydrologie, microphysique des nuages et rayonnement,
dynamique et thermodynamique de l’atmosphère urbaine et pollution, impact du couplage
entre les surfaces et l’atmosphère, ...
1.1. Météorologie tropicale (en dehors des actions relevant d’AMMA12)
Les études relatives aux phénomènes de grande échelle (équilibres globaux radiation /
convection / flux océan – atmosphère, moussons, régimes de temps, ... ), d'échelle synoptique
(zone de convergence inter-tropicale, ondes tropicales, interactions tropiques – latitudes
moyennes, ... ), et de moyenne échelle (cyclones tropicaux, systèmes convectifs,
précipitations, zones sèches, ... ) sont encouragées, ainsi que les travaux concernant la
variabilité intra-saisonnière à interannuelle.
Les travaux préparant l’exploitation scientifique des données de la mission MEGHATROPIQUES (lancement prévu au printemps 2010) sont spécialement encouragés, dans le
cadre de la coordination nationale gérée par Rémy Roca (LMD, Paris,
[email protected])
et
Nicolas
Viltard
(LATMOS,
Vélizy,
[email protected]), qui devront être informés des propositions soumises.
1.2.
Météorologie des moyennes et hautes latitudes
L’exploitation des données du projet international COPS, axé sur l’initiation de la convection
continentale estivale et la prévision quantitative des précipitations est soutenue. Les
12
Voir Note « Grand Chantier pluridisciplinaire », page 2
propositions devront être envoyées à Evelyne Richard (Laboratoire d'Aérologie, Toulouse ;
[email protected]) qui coordonnera.
Les recherches relatives à la prévisibilité des perturbations atmosphériques dans le cadre de
THORPEX sont encouragées, par l'utilisation optimale d'observations ou par la mise en
oeuvre de nouvelles approches en modélisation, adjoints et/ou ensembles y compris à
mésoéchelle.
1.3.
Physique des nuages
Sont encouragées des propositions relatives à la formation et évolution des hydrométéores
dans des nuages précipitants ou non, l’électricité atmosphérique, la géostatistique de la pluie
et le couplage avec les modèles hydrologiques, les interactions microphysique – dynamique –
rayonnement, le développement de techniques d'observations, la représentation des nuages
dans les modèles atmosphériques et de climat, les rétroactions des nuages sur le climat, ...
L’exploitation scientifique de données spatiales et de mesures de surface se rapportant à
l’observation des nuages pourra être soutenue.
Les études concernant les relations entre les propriétés physico-chimiques des aérosols et leur
rôle dans la nucléation nuageuse, des échelles locales à globales, pourront faire l'objet de
propositions soumises conjointement à IDAO et à l’action « Chimie Atmosphérique » de
LEFE.
1.4.
Phénomènes de couche limite :
La priorité est donnée aux phénomènes se produisant en terrain complexe, à la caractérisation
des flux aux interfaces, aux processus de transition entre régimes d’équilibre.
Dans le domaine de la « Météorologie Urbaine », en incluant le climat urbain ou les relations
avec la pollution urbaine, les études de processus dynamiques, thermodynamiques et radiatifs,
concerneront en priorité les questions suivantes :

quantification et modélisation des échanges entre zones urbaines ou péri-urbaines et
l’atmosphère ;

interactions dynamiques et thermodynamiques dans la couche limite urbaine ;

problèmes de mesure : flux turbulents en ville, microclimat des rues, évaluation de
mesures par télédétection ... ;

changement à long terme du climat urbain ;
Le couplage océan-atmosphère est également un thème important car ce phénomène joue un
rôle majeur dans le développement de perturbations atmosphériques à toutes les latitudes, et
pour l'entretien des circulations océaniques à diverses échelles spatio-temporelles. Les études
expérimentales et numériques concernant les relations entre la couche limite atmosphérique et
la couche mélangée océanique sont encouragées.
2. Océanographie
La compréhension et la modélisation des circulations océaniques et des interactions océan –
continent – atmosphère – glace requièrent l’étude à différentes échelles spatiales et
temporelles des flux aux interfaces, de la dynamique hauturière, côtière et littorale, et des
mécanismes de mélange. Dans ce cadre, IDAO incite à l'utilisation de données (par ex.
observations par satellites, campagnes à la mer) et d'analyses numériques (par ex.
DRAKKAR, MERCATOR … ) disponibles, ainsi qu’à la recherche d’applications
potentiellement utiles pour l'océanographie opérationnelle (côtière et hauturière) en liaison
avec le GMMC (Groupe de Mission MERCATOR-CORIOLIS).
Les propositions concernant le domaine Atlantique devront expliciter leur positionnement
dans le contexte du projet EPIGRAM coordonné par Yves Morel ([email protected])
2.1.
Océanographie à Grande Echelle
Les objectifs prioritaires concernent l'observation, la compréhension, la modélisation, la
paramétrisation des processus dynamiques qui conditionnent la circulation océanique à
l'échelle globale et à celle des bassins, et les transports associés de matière et d’énergie, avec
notamment :

les phénomènes mettant en jeu la bathymétrie, le mélange, la convection profonde, les
structures cohérentes, la formation de masses d’eau, … ;

les mécanismes externes de forçage : couplage océan – atmosphère, rôle de la glace de
mer, … ;

les processus au niveau des marges océaniques : talus et plateau continental, transitions
entre bassins océaniques, …
2.2.
Océanographie à Moyenne Echelle
IDAO soutient les projets s'appuyant sur des données in-situ, des observations satellitaires et
des résultats de modélisation: étude des mouvements verticaux des masses d’eau (par ex :
subduction, « cascading »…), de l’enfouissement de carbone et des processus de mésoéchelle.
Sont également encouragées les études permettant d’identifier le rôle de la dynamique
océanique et des échanges océan – atmosphère sur les écosystèmes marins et leur évolution
(production et export de matière organique), sur la production océanique, sur les échanges de
CO2 et d’autres constituants atmosphériques aux échelles de temps allant de l’intra-saisonnier
au pluri-annuel. De tels projets seront conjointement soumis à IDAO et à CYBER.
2.3.
Océanographie Côtière
Cette partie concerne la circulation sur le talus et le plateau et son interaction avec la
circulation de bassin, le mélange et la dissipations induits par la couche limite de fond, le rôle
des flux atmosphériques et notamment du vent à méso-échelle, l'étude de la dynamique
océanique à méso- et sub-méso-échelle incluant notamment la formation d'eau dense, le rôle
des panaches fluviaux et l'influence de la topographie du talus ou du plateau. Dans ce
contexte, sont encouragés :

le développement et la valorisation de bases de données hydrologiques et
courantologiques adaptées à ces études de processus , de bases de données
atmosphériques, notamment à haute résolution spatio-temporelle, destinées aux forçages
des modèles;

le développement et la validation des modèles de circulation côtière, et leur couplage avec
les modèles hauturiers ;

l’intégration de l’observation, de la modélisation et de l’assimilation dans le but
d'améliorer la connaissance des processus, leur modélisation et leur prédictibilité, et de
soutenir le transfert d’expertise de la communauté scientifique vers l’opérationnel ;

les études sur les ondes internes d’inertie-gravité (mécanismes de génération, dynamique
non linéaire et déferlement, impact sur la dissipation d’énergie et le mélange) au moyen
de modèles réalistes ou académiques, outils théoriques et approches expérimentales (en
laboratoire ou dans le cadre de campagnes à la mer) ; Les propositions relatives à ce
thème seront envoyées à Pascale Bouruet-Aubertot (LOCEAN, Paris ; [email protected]) qui les coordonnera.
2.4.
Littoral
Dans ce domaine, les priorités concernent les apports continentaux, les processus
hydrodynamiques qui contrôlent le transport sédimentaire et les évolutions morphologiques
en domaine littoral, et plus particulièrement :

la dynamique des ondes de gravité (houle, marée, ondes interne, … ) et les circulations
induites en milieu peu profond ;

la propagation de la marée sur les zones émergeantes ;

l'hydrodynamique de la zone sous influence du déferlement (transformations de la houle,
dissipation d'énergie, courants et ondes associés) ;

la caractérisation des forçages hydrodynamiques « représentatifs » susceptibles de
contrôler la morphodynamique littorale ;

couplage littoral – côtier : échanges hydro-sédimentaires entre les franges littorales
soumises à des houles énergétiques et le plateau continental ; extension des modèles de
circulation côtière au domaine littoral (ou couplage avec des modèles littoraux) ;

couplage continent - littoral : apports fluviaux, impacts sur l'érosion côtière et sousmarine, mélanges de masses d'eau.
Dans ce cadre, des actions coopératives entre les actions LEFE / IDAO, EC2CO / PNEC et
ST / RELIEFS sont particulièrement encouragées.
3. CRYOSPHERE
La cryosphère (glace de mer, neige, gel de sol, glaciers et calottes) affecte environ un quart de
la surface de la planète. Les études des processus, des rétroactions et leur intégration dans un
contexte climatique sont encouragées.
3.1 Interfaces et rétroactions
La circulation atmosphérique, largement influencée par les calottes et par les vents
catabatiques, est un élément essentiel des interactions océan – glace – atmosphère en
périphérie. La cryosphère intervient aussi dans plusieurs mécanismes de rétroaction
climatique. Certains sont déjà reconnus comme majeurs (albédo, circulation thermohaline,
cycle du carbone, ... ), d'autres sont encore si mal connus que, dans certains cas, le signe
même de la rétroaction n'est pas évalué avec certitude. Les propositions relatives à une
meilleure connaissance et prise en compte des processus liées à la cryosphère dans les
modèles de climat sont ainsi encouragées.
3.2 Intégration et enregistrement du signal climatique
Par ses capacités uniques d'intégration et d'enregistrement naturels du signal climatique,
l'étude et l'observation de la cryosphère permettent de reconstruire les variations de
l'environnement et du climat. L'acquisition de ces données ne relève pas nécessairement
d'IDAO (voir plutôt EVE). En revanche, sont sollicitées les études des processus à l'interface
qui génèrent ces données, dans la mesure où elles rejoignent les aspects plus généraux liés au
rôle climatique de la cryosphère ou permettent une meilleure appréhension de la variabilité
climatique saisonnière et pluriannuelle.
4. Variabilité intrasaisonnière à décennale
Les études de la variabilité saisonnière à décennale du climat sont à l'interface entre les études
de processus évoquées précédemment et les études climatiques de grande échelle (variabilité,
sensibilité, prévisibilité). Ce dernier point entrant également dans l’appel d’offre de l’action
LEFE/ "Evolution et variabilité du climat à l'échelle globale" (EVE), il est souhaitable que les
propositions se situant dans ce cadre soient soumises à la fois à IDAO et à EVE pour une
évaluation conjointe.
4.1.
Atlantique Nord :
Les rôles respectifs de la variabilité interne de l'atmosphère et du couplage avec l’océan et la
glace de mer doivent être approfondis par l'analyse des observations et de simulations dans un
contexte couplé. L’accent sera mis sur le rôle du bilan d’eau douce dans la variabilité
climatique et l’occurrence des transitions rapides.

Il faut améliorer la compréhension du couplage entre circulations océaniques horizontale
et méridienne. On s’attachera notamment à étudier le rôle du bilan d'eau douce des régions
arctiques, de l'export d'eau douce par les courants de bord ouest et des relations entre
glace de mer et atmosphère sur ce couplage ;

On s’interrogera sur la stabilité spatiale et temporelle du mode NAO/AO en fonction de
variations lentes – naturelles et anthropiques – du climat terrestre, sur les autres modes
pouvant influencer le climat européen ;

On cherchera à déterminer le potentiel de prévision aux échelles saisonnière à décennale,
sur l'Europe et les régions avoisinantes, en étudiant les poids respectifs des différents
mécanismes locaux et de connexion de grande échelle, notamment avec les régions
tropicales ;
Régions Tropicales (en dehors des actions relevant d’AMMA13)
4.2.
Les mécanismes contrôlant les propriétés, la variabilité et les téléconnexions du climat
tropical nécessitent d'être mieux compris. Cela passe notamment par l'étude des processus
océaniques et atmosphériques qui contrôlent la variabilité spatio-temporelle de la de
température de l'océan tropical, les interactions entre la surface (océanique ou continentale),
l'activité convective atmosphérique, et la circulation générale de l'atmosphère et de l'océan et
les mécanismes de téléconnexion au sein de la ceinture tropicale.

Par quels mécanismes, à quelles échelles et dans quelle région, l’atmosphère développe-telle une réponse cohérente à des modifications de la température de surface de l’océan ?
quels sont les rôles respectifs des régions d’upwelling océanique, d’eaux chaudes ou de
gradient ? peut-on identifier les structures océaniques critiques à l’origine des
perturbations atmosphériques de grande échelle, et par quels mécanismes celles-ci
contribuent-elles à la variabilité climatique ? Que peut-on apprendre de la variabilité des
régions équatoriales à l’échelle des derniers siècles ?

Les circulations de mousson sont déterminées par les gradients méridiens d'énergie entre
les régions équatoriales excédentaires, principalement océaniques, et les zones
continentales tropicales moins excédentaires ou déficitaires, comme le Sahara. Les
influences respectives des deux milieux pendant l’évolution de la mousson gagneraient à
être étudier: anomalies des températures de surface océanique, conditions hydriques et
couverture végétale des surfaces continentales. Aux grandes échelles spatiales et
temporelles, le rôle des téléconnexions devrait être analysé dans un contexte de variabilité
décennale ou de changement climatique. Aux échelles synoptique et moyenne, la mousson
interagit avec les perturbations convectives, principaux pourvoyeurs des précipitations
dans ces régions. L’ensemble de cette physique complexe devra être étudié et quantifié.

Un effort important doit être fait sur la prévision en région tropicale. Des anomalies
climatiques majeures y prennent naissance et persistent de quelques mois à quelques
années, avec des conséquences parfois lointaines par les téléconnexions. Les études
portant sur la compréhension physique des mécanismes de téléconnexions tropicales, des
processus physiques et dynamiques impliqués dans la variabilité et l'organisation à grande
échelle de l'atmosphère tropicale, ainsi que dans le démarrage et l’intensité des moussons
seront encouragées.
13
Voir Note « Grand Chantier pluridisciplinaire », page 2
4.3.
Océan Austral
Le rôle de l'océan austral dans la dynamique du climat à l'échelle planétaire est important et
cependant peu connu. La variabilité du transport circumpolaire et des échanges de propriétés
(chaleur, sel, oxygène, carbone, ... ) avec les trois autres océans, la variabilité des formations
des eaux intermédiaires et profondes, des remontés d'eaux profondes, des extensions de glace
de mer, de la nébulosité, de la production primaire, … sont autant de mécanismes possibles
des variations observées des climats du passé ou du futur.
Pour évaluer le rôle de cet océan dans le climat, certaines questions demandent investigation :
comment cet océan contrôle-t-il le climat global ? Répond-il de façon brusque ou lente aux
variations climatiques externes ? Quelles sont les variations d'amplitude et les déphasages des
signaux climatiques entre les deux hémisphères ? Le rôle de l'océan austral dans le passé
climatique est-il ou non indicateur de son rôle sur le climat futur ? Quelles sont les
améliorations à apporter dans les modèles océaniques et couplés pour répondre à ces
questions ? Quelles sont les observations nouvelles (in-situ, satellitaires, paléo et proxies) qui
aideraient à répondre à ces questions ?
5. Compréhension et régionalisation du changement climatique
Les projections actuelles du changement climatique réalisées à partir des Modèles de
Circulation Générale (MCGs) couplés Océan-Atmosphère sont associées à de nombreuses
incertitudes, notamment en ce qui concerne la réponse du cycle hydrologique (précipitations,
nuages, hydrologie continentale), les mécanismes de rétroactions physiques affectant la
sensibilité climatique (nuages, vapeur d'eau, cryosphère) et les événements extrêmes (vagues
de chaleur, cyclones tropicaux, tempêtes des moyennes latitudes ou phénomènes convectifs
intenses). Ces incertitudes proviennent en partie de la difficulté des modèles climatiques à
résoudre les processus de petite échelle ou les spécificités régionales du climat, et en partie
(particulièrement pour les changements climatiques régionaux et des prochaines décennies) de
la difficulté à prévoir les modes de variabilité du climat aux échelles interannuelle à
décennale. Afin d'augmenter notre confiance dans les projections climatiques, il importe
d'identifier et de quantifier ces incertitudes, et de les comprendre physiquement afin d'y
remédier par des approches spécifiques (e.g. amélioration de certains processus dans les
modèles de climat, régionalisation du changement climatique, initialisation réaliste des
modèles couplés océan-atmosphère).
Dans ce cadre, seront encouragées les études visant à comprendre physiquement les facteurs
qui conditionnent la réponse du climat (température, cycle hydrologique, circulation
atmosphérique) et à les étudier et à les valider dans les modèles sur la base des observations
climatiques disponibles.
Les travaux visant à étudier et à mieux représenter les aspects régionaux du changement
climatique sont également encouragés. Cela inclue notamment les méthodes de
« désagrégation d’échelle », qui font appel à des techniques statistiques pour relier les
variables de grande échelle à celles d’échelle régionale ou locale au moyen de modèles
simples ou de fonctions ajustées sur les observations. Cela inclut également l'utilisation de
modèles de simulation du climat à haute résolution, en se focalisant sur des échelles de temps
courtes (typiquement les trois prochaines décennies) ou des domaines spatiaux restreints. Les
études visant à appliquer de telles approches sur des domaines sensibles (Europe, régions
tropicales ou polaires) sont souhaitées, ainsi que les études visant à étudier les facteurs qui
contrôlent la prévisibilité décennale du climat (par exemple l'état de l'océan, de la cryosphère
ou de l'humidité des sols) et l'impact des techniques d'initialisation des modèles couplés
océan-atmosphère sur cette prévisibilité.
Les propositions soumises dans ce contexte pourront être conjointement envoyées à l’action
LEFE / EVE pour une évaluation croisée.
6. Recherches fondamentales en dynamique des fluides
Les travaux théoriques, les simulations physiques, les approches numériques de la
dynamique des fluides géophysiques concernant les écoulements atmosphériques et
océaniques peuvent être soutenues dans la mesure où ils établissent clairement un lien avec
les thématiques de IDAO ou s'intègrent dans des projets coopératifs qu'il soutient.
7. Développements instrumentaux
Certains développements instrumentaux originaux, liés à un objectif scientifique identifié
dans le cadre IDAO, peuvent être soutenus dans la mesure des moyens disponibles. De telles
propositions doivent au besoin être adossées à une demande aux moyens « Mi-Lourds » de
l’INSU.
ACTION «EVOLUTION ET VARIABILITE DU CLIMAT
A L’ECHELLE GLOBALE»
(EVE)
Le Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a été créé pour
évaluer les informations scientifiques, techniques et socio-économiques pertinentes à la
compréhension des risques liés aux changements climatiques causés par l'activité humaine. Il
s'appuie sur des recherches de pointe portant sur la compréhension intégrée du système terre
et une quantification améliorée des fourchettes d’incertitude des projections, recherches
menées dans la cadre de grands programmes internationaux : CLIVAR, GEWEX, CLICS,
PAGES, AIMES, GCP… L'objectif principal d'EVE est de fournir les bases d'une telle
recherche qui doit sous-tendre notre stratégie pour aborder le changement climatique à
l’échelle de la demande sociétale : c’est-à-dire de la décennie au siècle, à une échelle
régionale.
Renforcer l’observation, la compréhension de sa représentativité, son insertion dans un
ensemble de données variées, et l’utiliser au mieux dans un système de modélisation, est un
gage d’avancée sur la connaissance des mécanismes et de leur représentation dans des
modèles de grande échelle. Comprendre, à défaut de réduire, les incertitudes des modèles
climatiques actuels passe par le développement d’un cadre intégrateur où, dans diverses
conditions spatiales et temporelles, les études de détection et d’attribution permettront de
confronter les résultats de modèles aux réalités de terrain. Les données nécessaires pour cette
confrontation sont à diverses échelles de temps et d’espace avec leurs caractéristiques propres
(abondance de données récentes, rareté de données représentant le long terme), mais elles
apportent toutes une contribution spécifique à la compréhension de l’évolution en cours.
Les projets soumis à EVE tenteront de répondre à l’une ou l’autre des questions suivante :
 Comment notre système climatique va-t-il réagir au développement des diverses activités
anthropiques et quels changements en résulteront ?
 Dans quelle mesure et depuis quand l’activité humaine modifie-t-elle l’environnement
global ? Quelle est la part anthropique et la part de variabilité naturelle dans le changement
global?
 Quelles sont les régions les plus vulnérables et comment se manifeste cette vulnérabilité ?
 Quels sont les mécanismes internes et les principaux modes de variabilité du système
climatique ? Comment sont-ils reliés et à quelles échelles de temps ? Comment le
changement global pourra-t-il affecter ces modes de variabilité et/ou leurs interactions ?
 Quelles sont les causes des variations naturelles des gaz à effet de serre, aérosols, capacité
oxydante de l’atmosphère, …., ? Selon quelles séquences les changements des forçages,
conditions de surface et des réponses écosystémiques se sont-ils déroulés ?
 Les gradients d’énergie équateur pôles sont modifiés. Quelles en sont les conséquences?
Comment ce gradient a-t-il évolué dans le passé? Quels sont les mécanismes en jeu?
 Quels sont les seuils (et leurs causes) à l’origine des transitions rapides entre des états
climatiques quasi-stables ? Quels sont les risques d’instabilité dans les prochaines
décennies ? Y a-t-il un risque d’évolution irréversible du climat ?
 Quel est le lien entre la dynamique des calottes glaciaires et les variations passées et
futures du climat ? Quel est le risque de disparition des calottes ? Quel est l’impact de la
fonte des glaces sur la circulation thermohaline ?
 Quelles sont les modifications en cours des cycles hydrologiques ? quelles en sont les
conséquences sur l’équilibre énergétique de la planète ? comment sont affectés les
paysages et les ressources ?
La réponse à ces grandes questions nécessite le développement d’un grand nombre d’outils
expérimentaux, de modélisation et diagnostics, d’acquisition de données, ainsi que la mise en
oeuvre de nouvelles méthodologies :











développer des modèles à différents niveaux de complexité, couplant le système
dynamique-physique (océan-atmosphère-cryosphère) avec les cycles (bio)géochimiques,
la dynamique des écosystèmes (continentaux et océaniques) et l’hydrologie continentale ;
développer des stratégies visant à hiérarchiser l'importance des couplages et des
interactions d'échelle dans l'estimation des sensibilités climatiques ;
mettre au point des outils d’évaluation et de comparaison des modèles à différentes
échelles de temps, et en réponse à différents forçages (des échelles de temps orbitales à
interannuelles voire saisonnières) ;
mettre au point des stratégies d’utilisation des observations récentes et passées pour
contraindre et évaluer l'éventail des changements climatiques futurs ;
mettre au point des méthodes diagnostiques pour quantifier la sensibilité climatique et
l’amplitude des changements à l’échelle globale ;
développer des nouvelles méthodologies pour la caractérisation des différentes sources
d'incertitudes, en particulier une approche probabiliste des scénarios climatiques ;
développer des méthodes d’assimilation des données dans les modèles climatiques
performantes à différentes échelles de temps ;
renforcer la modélisation directe des proxies (ou traceurs) dans les modèles ;
élaborer de nouveaux proxies capables de reproduire les fluctuations des modes
principaux de la variabilité climatique, les évaluer au niveau du signal enregistré, de leurs
erreurs et de leurs limites ;
développer des approches de détection/attribution des forçages climatiques ;
mettre en place les structures nécessaires pour développer l'acquisition de données
globales et la gestion et l’interopérabilité de bases de données ( in-situ, spatiales,
réanalyses, historiques, paléoclimatiques) : insolation, volcanisme, bilan radiatif, bilan
hydrique, circulation océanique, fontes de calottes, gaz à effet de serre, aérosols, usage des
sols …
Ce programme visant avant tout un rôle d’animation et de structuration de la communauté
nationale, nous avons défini quatre actions prioritaires. Elles ne sont pas exclusives, mais les
projets proposés devront tenter d’apporter une vision globale et intégrée de notre système
climatique. Idéalement, l’approche intégrative « modèles-données » sera favorisée, mais une
approche « purement données » qui permet de comprendre les forçages et les mécanismes à
grande échelle est également recevable.
Les deux premières actions focalisent l’attention sur certaines périodes de temps clés
(l’anthropocène - i.e. les 150 dernières années et le prochain siècle, et la variabilité climatique
récente – i.e. les 1000 dernières années). Les deux autres actions ont pour objectif de
progresser sur la compréhension de mécanismes de rétroactions pouvant influencer de façon
significative l’évolution du climat (interaction entre cycles biogéochimiques, aérosols et
chimie atmosphérique et climat, caractérisation des variations abruptes et / ou irréversibles).
1.
La variabilité climatique récente : les 1000 dernières années
Les 1000 dernières années représentent la période transitoire clé de l’histoire de notre
système climatique qui a vu l’arrivée d’une action anthropique suffisamment importante
pour perturber son évolution naturelle. Notre capacité à comprendre et reproduire
l’évolution du climat au cours de cette période, à détecter les variations attribuables à
l’Homme est aujourd’hui un véritable défi.
Il nous faut :
 reconstruire des forçages réalistes (solaire, volcanisme, usage des sols, …) ;
 étudier à la fois l’évolution du climat moyen, de la variabilité et de ses liens avec l’état
moyen, aux évènements extrêmes voire abrupts ;
 développer les études de détection / attribution afin d’identifier les réponses climatiques
aux différents forçages ;
 étudier la sensibilité des reconstructions climatiques à partir des proxies en fonction de
leurs caractéristiques spatio-temporelles ;
 mettre en place les méthodologies ad-hoc d’initialisation des modèles (principalement
océaniques, mais également les réservoirs de carbone) ;
 évaluer le rôle de différentes boucles de rétroaction (climat-cycles biogéchimiques,
climat-dynamique naturelle et anthropique de la végétation, climat-chimie atmosphérique,
…) sur l’évolution du climat de cette période.
2.
L’anthropocène : de 1850 à 2100
La participation de la communauté française au dernier exercice du GIEC (Groupe
Intergouvernemental pour l’Evaluation du Changement climatique) a donné lieu à la
réalisation d’un grand nombre de simulations du climat des 150 dernières années et du
prochain siècle. Ces simulations sont réclamées par de nombreux scientifiques s’intéressant à
l’impact du changement climatique sur les écosystèmes (marins et continentaux), sur les
ressources en eau, les risques de sécheresse ou autres évènements extrêmes …
Par ailleurs, des questions scientifiques spécifiques se posent selon les échelles de temps
auxquelles on étudie les évolutions du climat: évolutions récentes (avec un lien fort avec les
observations), évolutions dans un futur proche (30 prochaines années, avec notamment les
incertitudes liées à l'état initial de l'océan) et évolutions jusqu'à la fin du siècle, voire au-delà
(avec notamment le rôle des processus "lents").
Il relève de notre communauté de :
 conduire des études systématiques de la dynamique simulée du climat de cette période de
temps ;
 réaliser des études de sensibilité, ou de nouveaux scénarios, prenant en compte de
nouveaux processus et/ou boucles de rétroactions potentiellement importants ;
 mener une recherche sur les liens entre la sensibilité des modèles aux forçages
anthropiques et naturels externes et leur capacité à reproduire les principales
caractéristiques du climat actuel (état moyen, cycle saisonnier, variabilité saisonnière à



3.
interannuelle, téléconnexions et processus, ...) ;
étendre les études de détection et attribution à d’autres échelles spatio-temporelles
(continentale et interannuelle) et à d’autres variables, en particulier océaniques ;
développer de nouvelles méthodologies pour la quantification et la hiérarchisation des
différentes sources d’incertitudes pour les scénarios climatiques ;
Proposer des scénarios probabilistes basées sur des ensembles de simulations à la
communauté des utilisateurs.
Quelles sont les relations causales et les rétroactions entre climat et cycles
biogéochimiques ?
L’interaction entre cycle du carbone et climat a été démontré de façon éclatante dans les
carottes de glaces. L’étude et la compréhension des fluctuations des taux de gaz à effet de
serre, des concentrations en aérosols dans l’atmosphère, de la composition chimique de
l’atmosphère et de sa capacité oxydante nécessitent de bien comprendre les processus régulant
la distribution des puits et des sources, de tenir compte des réservoirs lents (l’océan profond,
la biosphère, la cryosphère), et de disposer d’outils de simulation de diverses complexités qui
tiennent compte de l’ensemble des processus et interactions entre les différentes composantes
de notre système climatique.
Dans un contexte d’évolution future qui correspond à une longue période transitoire, il est
nécessaire de documenter et comprendre (notamment par des exercices de sensibilité) :
 les grandes transitions climatiques pour appréhender les relations causales et les
rétroactions à diverses échelles de temps entre climat et cycles biogéochimiques ;
 la variabilité de la composition chimique de l’atmosphère pendant les périodes chaudes
interglaciaires dépourvues d’action anthropique ;
 les différentes trajectoires possibles du système couplé climat-cycles biogéochimiquesaérosols-chimie dans le futur.
4.
Les variations climatiques abruptes : risques, conséquences, rétroactions
On observe dans les enregistrements océaniques d'amples variations de la circulation
thermohaline, avec en particulier des basculements rapides (de l’ordre du siècle), qui sont
encore insuffisamment documentées, et qui ne sont toujours pas comprises ni modélisées
correctement. Or, dans un contexte de changement futur où le cycle hydrologique va être
profondément modifié, de tels évènements pourraient-ils se reproduire ?
Le risque de déstabilisation des calottes Groënlandaise et Antarctique dans le futur est-il réel ?
A quelle échelle de temps ? Quelles seraient les conséquences climatiques de cette
déstabilisation ? Une bonne compréhension du rôle de la dynamique des calottes de glace
dans le système climatique, notre capacité à simuler les entrées et sorties de glaciation, sont
des étapes importantes et nécessaires.
Quelles sont les régions les plus vulnérables aux changements climatiques ? Quels sont les
modes de basculement d’un état à l’autre ? Peut-on identifier les seuils critiques et la la
sensibilité de nos écosystèmes aux changements climatiques ? Ces études seront menées à la
fois en étudiant les climats passés, par confrontation des enregistrements continentaux aux
enregistrements océaniques et glaciaires, mais également en réalisation des études de
sensibilité numériques explorant les risques de changements abrupts dans le futur, à des
échelles de temps pouvant excéder le siècle.
Contexte programmatique
Ce programme est complémentaire d’EC2CO, du GICC2 et de l’ANR/CEP qui prennent en
charge les interactions avec les écosystèmes et les anthroposystèmes. Il doit prendre en
compte les acquis de grands programmes internationaux tels que AMMA (valorisation des
acquis et suivi des efforts futurs), être en phase avec les résultats de l’année polaire
internationale IPY (soutenir les projets phare, réflexion sur le suivi à long terme), et favoriser
des pré-études en amont des actions ou des campagnes à venir en permettant d’approfondir la
stratégie scientifique et logistique14.
Les projets soumis à EVE, mais relevant également des objectifs d'IDAO en ce qui concerne
une meilleure modélisation des processus liés à la dynamique de l'atmosphère, l'océan et la
cryosphère, devront être soumis aux deux actions. Il en va de même pour les autres actions de
LEFE, comme la calibration des proxies marins (CYBER), la prise en compte de la chimie
atmosphérique dans les modèles climatiques (CHAT) et l'assimilation des données dans une
optique d'amélioration de la paramètrisation dans les modèles climatiques (ASSIM).
Nota : le programme LEFE n’est pas destiné à soutenir directement les Grands Chantier pluridisciplinaires,
voir note ci-dessus en page 2.
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