Synthèse de la Prospective IMAGO (Interactions Multiples dans l

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Synthèse de la Prospective IMAGO
(Interactions Multiples dans l'Atmosphère, la Glace et l'Océan)
(Ateliers “Etudes de Processus”, “Variabilité, -Prévisibilité et Changement Climatique”)
Coordinateurs : Bernard Barnier, Luc Beaufort, Sandrine Bony, Pascale Braconnot, Christophe
Cassou, Jean-Louis Dufresne, Gerhard Krinner, Florence Sylvestre
I) Contexte général et enjeux majeurs
Les travaux de la communauté française travaillant sur la dynamique des enveloppes fluides
(O/A/C), le climat et les processus d'interaction qui le gouvernent ont pour enjeux d'améliorer :
 la prévision à court et moyen terme de la circulation atmosphérique et océanique, de l’état
de l'atmosphère, de la surface continentale et du milieu marin
 la compréhension et la simulation de la variabilité du climat et de ses processus aux échelles
intra-saisonnière à décennale, la compréhension et l'estimation de sa prévisibilité
 la compréhension, l’attribution, la simulation de l’évolution à long terme des climats passés
et futurs, y compris les changements abrupts et les événements extrêmes.
Ces trois enjeux scientifiques sont en pleine adéquation avec les prospectives et les priorités des
programmes internationaux, notamment celles affichées par le Programme Mondial de Recherche
sur le Climat (WCRP) au travers de ses principaux projets (CLIVAR, GEWEX, CLIC), par le
programme THORPEX (The Observing System Research and Predictability Experiment), GODAE
(Global Ocean Data Assimilation Experiment) dans le domaine de l'océanographie opérationnelle,
et IGBP-PAGES (International Geosphere-Biosphere Programme - Past Global Changes) pour la
paléo-climatologie.
En plus de l'accroissement des connaissances, qui reste notre mission principale,
l'amélioration de notre capacité à documenter, comprendre et prévoir l'évolution du système
Atmosphère-Océan-Cryosphère devient de plus en plus indispensable à l’élaboration de la réponse
de la communauté scientifique aux différentes demandes sociétales. Par exemple, une meilleure
compréhension et prévision des variations climatiques pourrait aiderà préparer les solutions à mettre
en place pour assurer la sécurité alimentaire de nombreux pays, anticiper les migrations de
populations d'origine environnementale. Une meilleure prévision de l'évolution d'ici la fin du siècle
de la fréquence et de l'intensité des événements extrêmes (tempêtes extratropicales, cyclones,
canicules..), du niveau des mers et de l'état du milieu marin (physique, biogéochimie, écosystèmes,
etc.) aiderait au dimensionnement des infrastructures, à la gestion des risques, à l'aménagement du
littoral, et aux décisions d'adaptation à mettre en place dans différents secteurs économiques. Une
estimation plus juste de la sensibilité climatique au forçage par les gaz à effet de serre d'origine
anthropique est indispensable aux mesures d'atténuation à mettre en place, aux questions
énergétiques etc. A beaucoup plus courte échelle de temps, dans un domaine très différent, une
meilleure détection et prévision de la formation de fins cristaux de glace dans l'atmosphère à haute
altitude est nécessaire à l'amélioration de la sécurité des vols longs courriers. Les exemples sont
nombreux.
Le besoin de mieux comprendre et de mieux simuler, par des modèles globaux -et
régionaux, les fluctuations et les changements du temps, du climat, de l’état de la surface
continentale, des circulations océaniques et du milieux marin, pour une gamme d'échelles spatiales
et temporelles de plus en plus étendues rend les études de l'océan et de l'atmosphère à grande
échelle de plus en plus indissociables de l'étude des processus et mécanismes physiques et vice-
versa. Par exemple, l'évolution future des calottes polaires et du niveau des mers dépend fortement
des processus côtiers se déroulant au bord des calottes ; la prévision de l'amplification polaire du

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réchauffement global et de la fonte de la banquise arctique nécessite de revoir la représentation de la
rhéologie de la glace de mer dans les modèles ; l'estimation des phénomènes hydro/morpho
dynamiques dans le domaine littoral nécessite de comprendre la modification des régimes de houles
et de circulation atmosphérique, et l’élévation du niveau de la mer ; les études de prévisibilité du
climat nécessite de prendre en compte les interactions entre troposphère et stratosphère, qui elles-
mêmes nécessitent de mieux comprendre les processus physiques et dynamiques par lesquels se
produisent ces interactions, etc. Ce couplage étroit entre études de processus et études du système
Océan-Atmosphère-Cryosphère à grande échelle est la raison pour laquelle il a été décidé
d'élaborer une prospective commune aux thématiques « Processus associés à la dynamique océan-
atmosphère-glace », la « Variabilité intra-saisonnière à décennale du climat » et la « Variabilité et
l'évolution du climat ». Ce choix nous conduit à proposer une nouvelle organisation afin d'éviter les
cloisonnements, certainement justifiés jusqu'alors, mais de plus en plus artificiels aujourd'hui.
II) Piliers et axes de recherche privilégiés pour répondre aux enjeux
Considérant les forces/expertises et faiblesses de la communauté scientifique française, mais aussi
le caractère international dans lequel elle s'insère, 5 axes de recherche privilégiés semblent se
dégager. Ceux-ci reposent sur deux piliers centrés sur les "outils" qui forment le corps de métier de
notre communauté.
Axe A) Rôle des processus et de leurs couplages sur le climat, la météorologie, l'état de la surface
continentale et du milieu marin (enjeux 1,2,3) Le système climatique est formé de plusieurs
composantes qui interagissent entre elles via des processus complexes (physiques, chimiques et
biologiques). De nombreux mécanismes d'interface assurant ces échanges et rétroactions sont
toujours très mal connus et leur prise en compte dans les modèles (e.g. relation flux/température de
surface), mais aussi dans les observations (e.g. impact des vagues sur le vent estimé par satellite) est
parfois très primitive. A l'intérieur même d'une composante, les couplages entre processus peuvent
être aussi importants que les processus eux-mêmes: couplage couche-limite-convection, cycle
hydrologique-cycle du carbone, flux atmosphériques-surface océanique, etc. Il apparait essentiel de
soutenir les initiatives visant à la description, la compréhension et la simulation des processus et de
leurs couplages, voire à la proposition de nouveaux paradigmes, afin de mieux d'écrire l'état
climatique observé, ses fluctuations passées, et la modification de ces processus (poids respectifs,
nature etc.) en climat futur sous l'influence des forçages anthropiques.
Axe B) Modes de variabilité, téléconnexions et prévisibilité climatique (enjeux1,2,3): La variabilité
climatique se décline en modes de variabilité de structure spatiale de grande échelle (typiquement
de la taille d'un bassin océanique ou d'un continent) et téléconnexions. Ceux-ci assurent souvent une
enveloppe spatio-temporelle pour l’occurrence de phénomènes climatiques particuliers
(événements extrêmes, activités tourbillonnaires océaniques etc.) et influencent fortement les
spécificités climatiques régionales. Il est important de mieux décrire et comprendre la nature
physique et statistique des modes de variabilité, d'identifier les mécanismes qui les contrôlent et
assurent leurs téléconnexions pour décrire les fluctuations climatiques passés aux échelles intra-
saisonnières à décennales mais aussi le cas particulier des changements climatiques abrupts. Il est
également primordial de quantifier le niveau de prévisibilité (sources et mécanismes physiques
associées) des modes de variabilité et des téléconnexions en fonction des échelles spatiales (globale
et régionale) et temporelles considérées (saisonnière etc.), de comprendre et estimer la réponse des
modes de variabilité aux forçages climatiques externes (volcanisme, gaz à effet de serre, solaire).
Axe C) Sensibilité climatique et rétroactions physiques et biogéochimiques (enjeux 2,3). La

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détermination de la réponse du climat à différents forçages et/ou à leurs combinaisons, sa
quantification et son incertitude restent toujours une question scientifique ouverte, même si elle a
évolué au cours de ces dernières années. Il est important de continuer à soutenir les études visant à
mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la sensibilité climatique et à l'origine de la
dispersion des modèles en privilégiant une approche type-processus et modes de variabilité. Pour
déterminer la confiance qui peut être accordée aux résultats de modélisation, il est tout aussi
important de soutenir les études visant à expliquer la robustesse de certains résultats de
modélisation, en interprétant par exemple les résultats des modèles complexes à la lueur de théories
ou de modèles plus simples. Enfin, il est essentiel d'encourager les études visant à proposer des tests
observationnels applicables aux modèles d'une part et aux observations du climat présent ou passé
d'autre part, qui permettraient de contraindre efficacement la sensibilité climatique ou les
rétroactions.
Axe D) Spécificités régionales du climat: compréhension, prévision, descente d'échelle (enjeux
1,2,3). Estimer la part de la variabilité et des mécanismes de grande échelle versus celle des
conditions locales est un défi pour mieux comprendre les climats régionaux aussi bien en termes de
fluctuations climatiques que météorologiques (des échelles décennales aux échelles de temps
courtes jusqu'aux événements extrêmes), que de changements anthropiques et projections futures.
Les études visant à mieux comprendre le transfert de la petite échelle (e.g. processus côtiers,
orographiques etc.) vers la plus grande et vice-versa doivent être encouragées et conduites aussi
bien à partir d'observations que de modélisation. L'estimation de la prévisibilité climatique
régionale dans l'atmosphère, l'océan, l'état du sol (ressources en eau) etc., ses sources et ses
incertitudes doivent être quantifiées et comprises en termes de processus. Il est également essentiel
de bien identifier et de repousser les limites des méthodes actuelles de descente d’échelles à la fois
pour l'atmosphère, l'océan et la cryosphère, les continents.
Axe E) Mécanismes de variabilité du cycle de l’eau et du niveau de la mer (enjeux 1,2,3). Le cycle
de l'eau, avec ses multiples facettes allant de la précipitation et de l'hydrologie de surface au niveau
des mers impliquant des processus cryosphériques et d'hydrologie profonde, est un aspect
extrêmement critique des changements climatiques.. Il est essentiel de réduire les incertitudes,
encore très larges en la matière dans les projections globales et la modélisation régionale, par une
meilleure compréhension des mécanismes physiques contrôlant le cycle de l'eau et le niveau de la
mer ainsi que les rétroactions multiples pouvant conduire à des changements abruptes, de très forte
amplitude ou de type « non retour » déjà identifiés dans le passé. Il est nécessaire aujourd'hui d'aller
au delà des analyses classiques intégrées pour d'une part mieux comprendre la distribution
statistique entière des paramètres du cycle de l'eau (à la fois en terme spatial et temporel), et d'autre
part identifier, hiérarchiser et quantifier le rôle des processus sous-jacents aux changements du
niveau de la mer et à ses signatures régionales, ainsi qu'aux différentes composantes du cycle
hydrologique. .
Pilier F :) Acquisition, développement et pérennisation des jeux de données (enjeux 1,2,3). Les
observations de toute nature et de toute origine constituent un des socles de nos domaines
scientifiques. Des campagnes expérimentales dédiées aux études de processus particuliers à celles
consacrées aux enregistrements climatiques (reconstructions paléoclimatiques pour les périodes pré-
instrumentales, data-rescue ensuite) sur des échelles de temps allant de la dizaine d'années à
plusieurs millénaires, des produits satellitaires à la production de réanalyses (atmosphérique,
océanique, surface terrestre), il est essentiel de répondre aux besoins croissants de "mesures" avec
une fréquence temporelle plus élevée et/ou une couverture spatiale plus dense pour la
compréhension, la modélisation et la prévisibilité du climat. Ceci nécessite notamment de soutenir
des travaux d'acquisition, d'intercalibration, d'homogénéisation, de modélisation des observables et

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d'assimilation de données dans les produits de réanalyses. Il est essentiel d'encourager, dans ce
cadre, les initiatives visant à construire, mettre à disposition et partager les outils ou résultats
d'analyses des différents jeux de données. Il est fondamental de pérenniser et consolider les
systèmes d'observation actuels (satellites, in-situ, réanalyses etc.) , les ruptures temporelles des
enregistrements étant incompatibles avec les études de tendances au cœur même des questions
climatiques actuelles dans un contexte de changement global. L'importance de soutenir l'analyse de
ces différentes données est soulignée dans de nombreuses autres sections de ce document.
Pilier G: Développement, amélioration et pérennisation des modèles (enjeux 1,2,3). La
modélisation constitue le second socle de nos disciplines. Elle est au cœur de la compréhension du
système climatique, de sa prévisibilité et de sa prévision, en lien direct avec les observations, de
nombreuses applications et des outils opérationnels. Fédératrice, elle permet d'intégrer l'ensemble
des processus, d'étudier leurs interactions, de reproduire et comprendre les situations passées, de
produire des prévisions et projections de la variabilité climatique future etc. Actuellement, les
erreurs des modèles constituent un obstacle majeur aux progrès de la prévision météorologique,
océanographique et climatique ; elles sont l'une des principales sources d'incertitude pour les
projections climatiques. Il est donc essentiel de soutenir les études "amont" fondamentales visant à
améliorer la représentation des mécanismes physiques dans les modèles ou encore l'implémentation
de nouveaux processus afin de réduire les biais systématiques. La mise à disposition d'outil de
modélisation modulaire de différents niveaux de complexité est à encourager dans ce cadre. Les
études qui associent étroitement modélisation et observation sont d'un fort intérêt : les
développements méthodologiques et pratiques, tels que les simulateurs d'observable (allant des
mesures satellite au proxies paléo), les méthodes statistiques de comparaison/validation, les
méthodes d'assimilation etc. doivent être soutenues. La mise en place de nouvelles configurations
de modèles couplés à haute résolution doit être anticipée considérant l’importance des mécanismes
de petite échelle révélés par des nouveaux jeux d’observations de plus en plus précis, et les
possibilités offertes par l’émergence des nouvelles générations de calculateurs.
III) Les verrous scientifiques
1) Interactions écoulements/topographie à toutes les échelles (océan, atmosphère, cryosphère).
(Axes A, B, D, G)
Les circulations des enveloppes fluides (O/A/G) sont fortement contraintes par les reliefs
topographiques, cette contrainte étant particulièrement forte dans le cas des océans, singuliers par la
complexité et l'ampleur des variations de la topographie (du même ordre que la profondeur totale).
Ainsi, la présence des continents permet le maintien des grands courants de bord ouest, avec
d’importantes conséquences climatiques. A beaucoup plus petite échelle dans les régions littorales,
de véritables interactions entre vagues, courants et sédiments sont en jeux. A de longues échelles de
temps, la cryosphère est elle aussi le siège de véritables interactions entre écoulements et reliefs.
Générateur de turbulence, d’ondes et d’instabilités, les reliefs topographiques favorisent également
les interactions d’échelles menant à la dissipation d’énergie. Les processus impliqués dans les
interactions écoulements/topographie sont particulièrement complexes car, associés à une
dynamique de couche limite, ils ne s’accordent généralement pas avec les approximations usuelles
de la circulation générale (l’approximation hydrostatique par exemple). Ils exigent souvent un cadre
spécifique d’étude, ce qui rend plus difficile leur représentation ou paramétrisation dans les modèles
de circulation. Les topographies couvrant de nombreuses échelles spatiales, il est nécessaire de
comprendre la dynamique des processus d’interactions entre les écoulements et les reliefs à toutes
les échelles de la circulation. Parmi les processus dont il est crucial d’améliorer la connaissance, on
trouvera le rôle du forçage topographique dans les interactions d’échelles et de la dissipation des

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écoulements géostrophiques équilibrés, les interactions courants/ondes/sédiments, le forçage
orographique de la convection atmosphérique, la formation, la plongée et la circulation le long des
pentes des eaux denses et leurs conséquences sur les échanges entre les grands bassins océaniques.
2) Couches de mélange océan-atmosphèreétudiée comme une seule entité (Axes A, F, G)
Les échanges air-mer d'énergie et de masse (flux de chaleur, d’humidité et de quantité de
mouvement) sont à l’origine du couplage entre l’océan et l’atmosphère, et sont en grande partie
déterminés par la dynamique de la couche de mélange océanique et de la couche limite marine
atmosphérique. Les processus agissant dans ces couches limites sont généralement étudiés
séparément. Il existe de nombreuses questions non résolues concernant le couplage des couches
limites océaniques et atmosphériques, en particulier lorsque l’on lorsqu’on considère les échelles
horizontales du kilomètre à quelques dizaines de km, ou les interactions entre échelles synoptiques
et échanges turbulents deviennent importantes et remettent en cause les paramétrisations « bulk »
classiques.
3) Routes et échelles de la dissipation (DFG, turbulence) (Axes A, G)
Une grande incertitude dans le bilan d'énergie cinétique océanique global est imputable à la
méconnaissance de la dissipation des tourbillons géostrophiques. Ces structures dominent très
largement l'énergétique de la circulation océanique (hors la marée) et il existe plusieurs possibilités
ou « routes » pour expliquer leur dissipation, qui impliquent les ondes d’inertie-gravité, les
instabilités intrinsèques des écoulements équilibrés, ou les interactions avec les « frontières »
(couches limites, reliefs topographiques,…). La compréhension et la l’importance relative de ces
processus est un préalable à une paramétrisation de la dissipation dans les modèles de circulation
générale actuels ou futurs, qui résolvent les échelles synoptiques. D’une façon plus générale dans le
cadre général d’études en dynamiques des fluides géophysiques, des avancées sont nécessaires sur
la connaissance et la paramétrisation des interactions dynamiques entre échelles synoptiques et les
échelles inférieures au rayon de déformation interne (forçage, mécanismes d’instabilité, routes vers
la dissipation et cascades turbulentes, impact sur les plus grandes échelles, …).
4) Observation, modélisation et paramétrisation de la convection atmosphérique et des
processus de couche limite (Axes A, B, C, D, E, F, G)
Les processus de convection et de turbulence jouent un rôle fondamental dans la physique de
l'atmosphère et du climat : ils sont les principaux acteurs du transport vertical d'eau et d'énergie,
contrôlent en grande partie la distribution verticale et la variabilité de la composition physico-
chimique de l'atmosphère, la couverture nuageuse et les précipitations et les circulations
atmosphériques sur une vaste gamme d'échelles spatiales. Les paramétrisations de convection et de
couche limite dans les modèles météorologiques et climatiques sont à l'origine de nombreux biais
systématiques dans la structure spatiale et la variabilité du temps et du climat. Améliorer notre
compréhension de ces processus et notre capacité à les modéliser est une priorité pour mieux
comprendre la physique de l'atmosphère et du climat, et améliorer la performance des modèles sur
une large gamme d'échelles spatiales et temporelles.
Dans cet objectif, plusieurs sujets d'études sont à privilégier: (1) la compréhension et la
représentation dans les modèles des mécanismes de déclenchement, de maintenance et
d'organisation de la convection, notamment le rôle des courants de densité, des hétérogénéités de
surface, des processus de couche limite, des interactions océan-atmosphère et de l'orographie (2) la
compréhension et la paramétrisation des couches limites stables, particulièrement importantes pour
la simulation des grandeurs thermodynamiques et des nuages en hiver sur continents et dans les
régions polaires (3) l'étude des interactions entre processus diabatiques et dynamique atmosphérique