Prospective «chantier mediterranee»








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PROSPECTIVE

« CHANTIER MEDITERRANEE »







Contacts:
Philippe Drobinski (IPSL/SA), philippe.drobinski@aero.jussieu.fr

Véronique Ducrocq (CNRM/GAME), veronique.ducrocq@meteo.fr

SOMMAIRE

PREAMBULE ……………………………………………………………………………….. 4

MOTIVATIONS ET INTERETS DE LA COMMUNAUTE SCIENTIFIQUE ………... 5

Comprendre le système couplé

Considérer les événements extrêmes

Simuler les impacts régionaux du réchauffement climatique

CENTRE D’INTERETS ET QUESTIONNEMENTS SCIENTIFIQUES ………………. 7

EN MEDITERRANEE

Cycle de l’eau

Cycle des aérosols

Ecosystèmes marins et continentaux

Régionalisation et impacts climatiques

Prévisibilité

LES ACTIONS NATIONALES EN COURS AUTOUR DE LA MEDITERRANEE…. 14

CONTEXTE INTERNATIONAL ………………………………………………………… 15

Les programmes de coordination et de labelisation sans moyens

Les programmes de coordination avec moyens mais orientés services appliqués

Les projets européens sur le changement global

Les grands projets mobilisant les moyens disponibles

ESQUISSE D’UN PROJET EXPERIMENTAL FEDERATEUR ……………………… 18

Enhanced Observing Period (EOP, 2009-2012)

Special Observing Period (SOP, 2010)

La prevision opérationnelle pour l'EOP et SOP

ACTIONS A CONDUIRE …………………………………………………………………. 21

ANNEXES …………………………………………………………………………………... 22

Annexe 1: liste des laboratoires et chercheurs ayant une activité en Méditerranée et/ou ayant contribué à la prospective Méditerranée

Annexe 2: description des projets nationaux et internationaux
PREAMBULE


Le présent document, rédigé en vue du colloque de prospective Ocean-Atmosphère (OA), est issu du processus suivant:


  1. Recueil d’informations sur le forum de discussion "Prospective CSOA- Chantier Méditerranée", hébergé sur le site internet du projet CYPRIM (http://www.cnrm.meteo.fr/cyprim) et ouvert à l’initiative de quelques chercheurs impliqués en Méditerranée. Ce forum, ouvert du 15 septembre au 20 octobre 2005, a permis de recueillir une trentaine de messages, ainsi qu’un ensemble de documents décrivant les projets de recherche et initiatives en cours sur la Méditerranée (voir annexe 1).




  1. Rédaction d’une première version d’un document de synthèse à partir des éléments recueillis sur le forum; A. Doerenbecher, P. Drobinski, V. Ducrocq, C. Estournel, A. Joly et M. Plu ont contribué à la rédaction du document. Cette première version a été diffusée le 10 novembre auprès de la communauté recherche en Méditerranée pour commentaires.




  1. Prise en compte des commentaires jusqu’aux journées de prospective des 21-23 novembre.


MOTIVATIONS ET INTERETS DE LA COMMUNAUTE SCIENTIFIQUE


La région méditerranéenne reçoit un intérêt certain de la part de la communauté recherche française dans les domaines Océan-Atmosphère (OA) et Surfaces et Interfaces Continentales (SIC). La zone méditerranéenne est en effet un lieu privilégié pour l'étude des couplages océan/atmosphère/hydrologie/écosystèmes. Un bassin océanique quasi-fermé, une orographie marquée sur son pourtour, un climat très contrasté et une forte urbanisation sont des particularités géographiques qui donnent au domaine méditerranéen une complexité particulière. Les interactions et rétroactions du système couplé jouent un rôle prépondérant sur les dynamiques géophysiques et biologiques; en outre, elles sont fréquemment à l’origine d’événements extrêmes qui affectent particulièrement les régions méditerranéennes.
Il n’est pas besoin de rappeler qu’en Méditerranée la demande sociétale est forte, qu’elle concerne une meilleure identification des zones à risques (zones inondables par exemple), des prévisions et une alerte plus précises dans la gestion des risques ou encore le développement d’expertise et de systèmes intégrés de gestion de l’environnement dans les domaines de l’aménagement du territoire et du développement durable.
Ceci explique le nombre important de projets scientifiques actuels traitant de problématiques méditerranéennes (recensés en annexe 2), et justifie la présente tentative de rassemblement de la communauté scientifique Océan-Atmosphère autour de la Méditerranée.

1. Comprendre le système couplé
Pour étudier la dynamique géophysique du bassin méditerranéen, il est indispensable d’aborder le système couplé océan/atmosphère/hydrologie/écosystèmes dans son ensemble. En effet, pour progresser dans la compréhension des phénomènes méditerranéens et la prévision des événements extrêmes qui affectent particulièrement les régions méditerranéennes, il est essentiel de considérer les interactions entre les différentes composantes du système couplé, sur une gamme étendue d’échelles temporelles et spatiales. Il convient donc de développer des projets de recherche pluridisciplinaires et multi-échelles permettant de traiter dans leur globalité les questions scientifiques aux interfaces.
En application de la compréhension du système couplé, apparaissent les problématiques de modélisation et de prévisibilité avec des approches qui doivent intégrer les mécanismes de couplage à différentes échelles.
En plus de ces interactions, il faut tenir compte des forçages aux limites, le plus souvent de grande échelle, comme les échanges d’eau par le détroit de Gibraltar, les dépressions Atlantiques ou le rôle du Sahara.

2. Considérer les événements extrêmes
La plupart des projets s’intéressant à la Méditerranée mettent en avant la compréhension et la modélisation des événements extrêmes. Un recensement rapide de ces événements montre une variété forte. Les pluies intenses, qui affectent principalement le pourtour méditerranéen occidental à l’automne, donnent lieu à des crues et inondations. La dynamique des bassins versants qui reçoivent ces pluies intenses engendre bien souvent des crues rapides pour lesquelles à peine quelques heures séparent le pic de crue de l’averse génératrice. La région est aussi soumise à des vents forts qui peuvent être locaux (Mistral, Tramontane, Metelm,…), d’origine dépressionnaire ou non. Les fortes houles bien qu’exceptionnelles ont des conséquences irréversibles. Les lagunes méditerranéennes peuvent être soumises à la pollution par suite d’inondations des zones urbanisées à leur périphérie ainsi que le lieu d’eutrophisations importantes, mortelles pour la faune et la flore en place. La plupart des régions du pourtour méditerranéen sont également sujettes à des périodes de sécheresse, avec les feux de forêt comme corollaire. Il est notable que ces événements extrêmes peuvent se combiner, en accentuant leur effets (par exemple, pluies intenses et crues rapides en association avec houles et vents forts).
Si le contexte de grande échelle est généralement bien identifié, la prévision de ces événements extrêmes demeure délicate en raison de la complexité des processus impliqués aux échelles les plus fines et de leurs interactions non-linéaires. Une meilleure compréhension des mécanismes et processus impliqués dans la génération de ces événements extrêmes et de leurs interactions à différentes échelles devrait permettre de progresser dans la prévision de ces événements et mieux cerner leur prévisibilité. Il est notamment nécessaire de comprendre pourquoi, à environnements de grande échelle comparables, un phénomène devient paroxysmique et non son analogue

3. Simuler les impacts régionaux du réchauffement climatique
L’étude des impacts du changement climatique en Méditerranée nécessite une approche par régionalisation de la réponse climatique au réchauffement global compte tenu de la forte composante topographique du bassin méditerranéen. Comprendre la combinaison des facteurs régionaux et globaux du climat est pertinent dans une région où les interactions du système couplé sont prépondérantes.


Les problématiques scientifiques brièvement dégagées ont des implications sociétales très importantes, dans une région côtière fortement urbanisée et agricole. Améliorer la prévision des événements dangereux pour les populations (crues, sécheresse, etc.), gérer l’aménagement du littoral (sources d’énergie et d’eau, constructions humaines, érosion naturelle) dans une perspective de développement durable, limiter l’impact des pollutions (fluviales, maritimes et atmosphériques), et évaluer l’impact du réchauffement climatique constituent les principales retombées d’une meilleure connaissance des phénomènes méditerranéens.
Le présent document vise à montrer l’intérêt actuel de la communauté scientifique pour la Méditerranée, et à esquisser un projet fédérateur sur ce domaine. Nombre des questionnements scientifiques et axes de recherches prioritaires identifiés par les ateliers de la prospective OA dans les domaines de la réduction des incertitudes sur la modélisation du système terre, des interfaces ou encore des impacts du changement global peuvent être adressés et développés dans le cadre d’un tel chantier méditerranéen. En même temps, les phénomènes méditerranéens posent des questions scientifiques spécifiques, comme les cyclogenèses méditerranéennes à plus forte composante mésoéchelle et diabatique que leurs homologues atlantiques, les systèmes convectifs de mésoéchelle plus fréquemment stationnaires qu’ailleurs, le rôle plus important de la stabilité thermique dans les circulations océaniques par rapport à l’Atlantique, les états de mer d’huile, ….
La suite du document est organisée de la manière suivante: une revue des projets en cours en Méditerranée est réalisée en partie 2 et annexe 2, puis les centres d’intérêts et questionnements scientifiques de la communauté recherche OA autour de la Méditerranée sont identifiés en partie 3. Le contexte international est ensuite développé en partie 4 avant d’esquisser un projet expérimental en partie 5 et les actions futures en partie 6.
CENTRE D’INTERETS ET QUESTIONNEMENTS

SCIENTIFIQUES EN MEDITERRANEE

La synthèse des contributions individuelles ou déjà structurées et collectives permet de dégager 5 thèmes majeurs autour desquels pourrait être construit un projet fédérateur et élaborée une phase expérimentale majeure à l'horizon 2010. Ces thèmes sont: (i) le cycle de l'eau à l'échelle du bassin méditerranéen, (ii) le cycle des aérosols, (iii) les écosystèmes marins et continentaux, (iv) la régionalisation et les impacts climatiques et (v) la prévisibilité. Une contribution "Pollution et bilan chimique sur la Méditerranée" est incluse dans le volet (iv) car elle est à l'heure actuelle insuffisamment coordonnée au sein de la communauté concernée pour pouvoir constituer un thème spécifique. Ceci pourra évoluer par la suite en fonction des contributions que nous recevrons.

1. Cycle de l’eau
Le cycle de l’eau occupe une place centrale dans le système couplé méditerranéen, et en particulier dans les processus conduisant aux événements extrêmes (pluies intenses, crues, sécheresse, feux de forêts, fortes houles,…). Pour progresser dans la compréhension et prévision de ces événements, il est nécessaire de considérer de nombreuses interactions à différentes échelles. Ainsi, par exemple, au contexte météorologique d’échelle synoptique propice à la formation de systèmes précipitants, s’ajoute la forte composante topographique de la région méditerranéenne favorable à la génération de phénomènes de mésoéchelle qui conduisent à l’ancrage des systèmes fortement précipitants à un endroit plutôt qu’à un autre. En ce qui concerne le domaine de l’océan, il est là aussi nécessaire de considérer toute une gamme d’échelles spatiales et temporelles, avec des questions scientifiques typiques du littoral comme celles traitant des phénomènes d’érosion (formation et évolution des littoraux sableux) ou de contaminations en période de crues ou typiques du bassin global comme l'importance des interactions d'échelles. Dans le domaine des surfaces continentales et de l’hydrologie, la région méditerranéenne rassemble différents comportements hydrologiques, allant des crues rapides affectant les bassins cévenols aux crues plus lentes du Rhône, en passant par des problèmes d’hydrologie urbaine. A nouveau, cela concerne toute une gamme d’échelle de processus, allant des processus de formation des écoulements de l’échelle locale à celles du versant, puis du bassin versant.
La synthèse des contributions fait ressortir les centres d’intérêts suivants :

  1. compréhension des systèmes précipitants et de leur environnement. Par rapport aux événements étudiés dans MAP, on retrouve des questions scientifiques communes comme par exemple le rôle des anomalies d’altitude dans la formation des précipitations et les différents modes de génération des précipitations liée à la présence d’un relief. Mais d’autres n’ont pu être abordés, ou que très peu, dans MAP comme le rôle des reliefs avoisinants (Pyrénées, Alpes et Atlas par exemple pour les pluies Cévenoles) dans la génération de circulations propices à la convergence, l’intensification et la charge en eau des flux de basses couches, moteur des précipitations ; il en est de même pour toutes les questions relatives à la présence de la mer Méditerranée, importante source d’énergie et d’humidité dans les phénomènes méditerranéens de mésoéchelle. Le rôle des cyclogenèses en Méditerranée (non systématiquement observées) dans la génération de systèmes fortement précipitants demande aussi à être mieux précisé. Ces cyclogenèses méditerranéennes montrent une plus forte composante diabatique et méso-échelle que leurs homologues sur l'Atlantique, étudiés lors de FASTEX par exemple. Les processus de convection et microphysique au sein des événements précipitants, doivent aussi être étudiés dans ce contexte méditerranéen, avec par exemple des études sur l’impact des différents types d’aérosols dans la formation des précipitations (marins, anthropiques) (en relation avec "Cycle des aérosols") ou sur les interactions entre processus de couche limite atmosphérique et convection profonde.

  2. identification et paramétrisation des processus de couche limite aux interfaces océan/atmosphère et surfaces continentales/atmosphère. Il existe une volonté de progresser dans la compréhension des processus de couche limite caractéristiques des régions méditerranéennes, à savoir ceux induits par l’orographie, par l’hétérogénéité des surfaces et de la végétation, par la limite terre/mer et ceux à l’interface océan/atmosphère (couche limite atmosphérique/couche de mélange océanique). Ceci passe par le développement de modélisation couplée entre l’océan et l’atmosphère ou encore entre l’atmosphère et l’hydrologie (en relation avec le volet "Régionalisation et impact climatique").

  3. quantification des processus de mélange des eaux entre le fluvial, le littoral, le côtier et l’hauturier. Si la compréhension de l’impact du forçage atmosphérique sur l’océan côtier lors des épisodes de vents continentaux comme le Mistral ou la Tramontane a bien progressé au cours des années passées (circulations liées au rotationnel du vent, courant de gravité en zone côtière), il n’en est pas de même pour les vents venant du large. Ces vents forts, en général de composantes Est à Sud-Est, associés aux événements de pluie intense, engendrent des échanges intenses entre la côte et le large, une forte houle capable d’éroder le sédiment ainsi que des surcôtes qui empêchent l’écoulement vers la mer des cours d’eau en crue; ces mêmes cours d’eau en crue constituant un apport considérable d’eau douce riche en substances diverses issues de l’activité humaine qui va être transporté vers le large (en relation avec le volet "Ecosystèmes marins et continentaux"). L’effet des fortes précipitations automnales localisées sur la circulation océanique est totalement inconnu. Il est aussi nécessaire de progresser dans la compréhension des processus liés à la circulation générale ainsi que ceux liés au mélange des eaux (le courant Liguro-Provençal-Catalan, les masses d’eau associées et la convection profonde sont encore très mal représentées dans les modèles opérationnels), pour lesquels un des verrous actuels est le nombre limité d’observations à la mer (en relation avec le volet "Régionalisation et impact climatique").

  4. réalisation de bilans à l’interface mer-atmosphère. On sait que la mer Méditerranée montre un bilan précipitation-évaporation négatif, mais les modèles sont encore déficients pour représenter ces bilans de masse, de chaleur et de quantité de mouvement ainsi que leur structure spatiale. L’évaluation de ces bilans tel que ce qui a pu être réalisé sur la campagne POMME permettrait de quantifier l’eau perdue au profit de l’atmosphère, et en particulier sa variabilité en période de précipitations automnales et de cyclogenèses méditerranéennes. Il s’agit également d’un point clé pour la représentation des circulations et échanges verticaux réalistes dans la mer. De tels bilans permettraient également de progresser dans la paramétrisation des flux de surface dans les modèles atmosphériques, notamment par vents forts, ou fort état de la mer (en relation avec le volet "Ecosystèmes marins et continentaux" et "Régionalisation et impact climatique").

  5. amélioration des bilans des surfaces continentales. Il est en effet essentiel de quantifier et simuler précisément un bilan d'eau hydrologique des surfaces continentales, important pour les applications dans le domaine de la prévision numérique du temps, ou encore dans l’estimation des débits et apports d'eau à la mer (en relation avec le volet "Ecosystèmes marins et continentaux"). Ceci passe par une meilleure connaissance des transferts de surface et sub-surface pour les surfaces et végétations méditerranéennes de l’échelle du paysage (forêts cévenoles, vignes, pâturages…) à l’échelle du bassin versant à l’aide d’expérimentation et de modélisation numérique pour tendre à une meilleure représentation des processus hydrologiques sur les bassins non-jaugés et à une meilleure estimation des apports d’eau fluviales (en particulier en périodes de crues). Il est à noter par ailleurs la présence très fréquente de zones karstiques dans la zone méditerranéenne qui conduisent à des cheminements particuliers et complexes de l'eau souterraine.



2. Cycle des aérosols
L'analyse du cycle des aérosols et son bilan à l'échelle du bassin méditerranéen sont importants du fait de:

  1. la diversité de la nature des aérosols en suspension dans la région: (i) les aérosols marins; (ii) les aérosols de pollution émis par les grandes agglomérations côtières des pays méditerranéens (Barcelone, Marseille, Alger, Athènes,…) mais aussi les circulations maritimes et routières; (iii) les aérosols sahariens; (iv) les aérosols de feux de biomasse.

  2. leurs effets potentiels sur des mécanismes spécifiques au bassin méditerranéen et qui concernent (i) leur effet radiatif; (ii) leur rôle comme noyaux de condensation; (iii) leur contribution à la pollution atmosphérique; (iv) leur impact biogéochimique.


Les objectifs scientifiques identifiés issus de la synthèse des contributions couvrent:

  1. l’amélioration des connaissances sur les "fonctions sources" marine (prédiction des conditions de déferlement et estimation des flux d’aérosols à l’interface mer-air), anthropique (caractérisation physico-chimique des aérosols d’origine anthropique, principalement urbains), et poussière (processus et paramétrisation des phénomènes d'érosions)

  2. l'impact potentiel des aérosols sur l'écosystème. L'impact des aérosols désertiques sur l'écosystème marin résulte de l'apport éventuel de nutriments limités dans les eaux de surface. En Méditerranée, cela concerne au premier chef le phosphore, le fer et l'azote en été (à cette période les eaux méditerranéennes sont très stratifiées et l'apport d'eaux profondes riches en nutriments vers les eaux de surface est quasiment bloqué). Ce sont alors les apports atmosphériques qui contrôlent la production nouvelle. Il faudrait donc évaluer (i) le contenu en ces éléments de ces aérosols, (ii) évaluer leur solubilité (seule la fraction soluble est bio-assimilable) et (iii) ensuite comparer au contenu moyen de la colonne d'eau en été... Le point (i) constitue un verrou, pour lequel il faut s'appuyer sur le service d’observation DYFAMED (voir aussi le programme européen ADIOS 2001-2003, Atmospheric deposition and impact of pollutants, key elements and nutrients on the open Mediterranean sea coordonné par le CEFREM à Perpignan). Cela concerne aussi les conséquences des dépôts d’aérosols anthropiques sur la partie continentale (dépérissement de la végétation par exemple) ou sur la partie marine (effets sur l’activité biologique, blooms, ...) (en relation avec le volet "Ecosystèmes marins et continentaux").

  3. l'impact radiatif des aérosols. L'impact du transport intercontinental aérosols (poussières désertiques, aérosols de pollution et aérosols marins) sur la SST et le bilan énergétique en surface (interface air-continent et surtout air-mer) est un domaine exploratoire assez vierge. Les conséquences de la présence d'aérosols dans la couche limite atmosphérique sur la propagation infra-rouge dans la couche de surface marine, les effets radiatifs des aérosols anthropiques (absorption par les aérosols carbonés) ou naturels (diffusion par les aérosols marins) sont très peu connus. Plus largement l'enjeu est d'estimer l'impact radiatif (forçages, fréquences de photolyse) sur la circulation atmosphérique et le climat à l'échelle régionale (en relation avec le volet "Régionalisation et impact climatique").

  4. l'influence des aérosols dans les événements de pluies intenses (aspect noyaux de condensation) caractéristiques des régions méditerranéennes (en relation avec le volet "Cycle de l'eau").

  5. la caractérisation du transport des aérosols (transport d’aérosols d’origines diverses) en fonction des situations météorologiques: régimes de brises ou régimes forcés (Mistral, Tramontane, Metelm),… (en relation avec le volet "Régionalisation et impact climatique"). L'hypothèse d'une accumulation des aérosols au centre du bassin Méditerranéen par les circulations de brise doit être validée. Une climatologie du transport des émissions d'aérosols désertiques et de pollution doit être élaborée ("aerosol track" similaire au "storm track").


Ces activités peuvent être abordées du point de vue de la modélisation (pour les conditions de déferlement, les propriétés physico-chimiques des aérosols, le transport des aérosols, les effets radiatifs) et/ou de l’expérimentation (caractérisation physico-chimique, mesures de flux, structure spatiale par télédétection,…) en relation avec les autres volets de cette synthèse.

3. Ecosystèmes marins et continentaux
L’écosystème marin de la Méditerranée possède une large gamme d’échelles de variabilité spatiale et surtout ses caractéristiques varient fortement depuis un comportement eutrophe dans les zones côtières peu profondes et sous influence continentale jusqu’aux zones fortement oligotrophes au large.
Au large, la production planctonique est principalement contrôlée par les processus de mélange en hiver tandis que le contrôle est écologique lors des fortes stratifications estivales caractérisées par un maximum de chlorophylle profond. Toutefois, des structures dynamiques permanentes ou récurrentes, gyres et fronts influencent la disponibilité en nutriments. Les apports événementiels de nutriments par les dépôts atmosphériques (e.g. composés azotés et phosphorés) ont un impact important sur la production primaire océanique, de même que la fixation d’azote atmosphérique. D’une manière générale, les niveaux de pollution atmosphérique sur la Méditerranée sont comparables à ceux relevés dans les autres mers européennes et sont beaucoup plus élevés que dans les océans ouverts. Enfin, dans les zones côtières et en particulier celles situés aux abords des grands fleuves (Rhône, Pô), les apports de sels nutritifs et de carbone particulaire continentaux impactent fortement les flux biogéochimiques (en relation avec "Cycle des aérosols").
Un point intéressant concerne les échanges entre la zone côtière et le large. La zone côtière contribue-t-elle de manière significative à un enrichissement du large à travers l’exportation de lentilles d’eau fluviale ainsi que de matière organique et inorganique issues de la production biologique récente ou bien du relargage par le sédiment sous l’impact de remises en suspension?
Ces différentes thématiques sont fortement liées à la connaissance de la circulation marine, des mécanismes de transfert verticaux, des circulations atmosphériques et de l’hydrologie fluviale. Les événements extrêmes jouent un rôle majeur et sont sans doute à l’origine d’une part importante de la variabilité interannuelle qu’il s’agisse :

  1. des conditions de Mistral persistantes qui permettent aux sels nutritifs présents en profondeur de remonter à la lumière (via la convection profonde) et induisent des plongées d’eau dense de la côte vers le large,

  2. des tempêtes du large accompagnées de houle qui remanient le sédiment côtier sur des épaisseurs de l’ordre du centimètre, produisent des exportations intenses vers le large sur des durées très courtes et structurent les communautés benthiques,

  3. des crues qui apportent sur quelques jours la majeure partie des apports continentaux annuels.

Enfin, ces échanges forcés depuis l’extérieur doivent être mis en balance avec les processus naturels tels que les transferts de matière par des espèces clés zooplanctoniques qui font l’objet d’études en Méditerranée.
Quelques premières pistes d’objectifs scientifiques pourraient être visés par le "Chantier Méditerranée". Un point concerne l’étude du système couplé océan/atmosphère/hydrologie/écosystèmes à différentes échelles à travers la documentation d’au moins un cycle annuel de mesures des paramètres biogéochimiques couplés avec des mesures hydrologiques et météorologiques en des points caractéristiques de l’écosystème méditerranéen côtier et hauturier (en relation avec "Cycle de l'eau"). Le continuum rivières/océan côtier/océan hauturier constitue un axe pertinent pour ces études méditerranéennes qui nécessiterait de mettre en place des passerelles entre les différentes communautés. Ces mesures viendraient compléter l’existant telles que les séries au point DYFAMED et aux points côtiers du Golfe du Lion suivis par les divers services d’observation, et bien sûr être prises en relais par les pays riverains de la Méditerranée à commencer par l’Italie et l’Espagne (et au-delà les membres du réseau MOON). Elles devront faire appel aux moyens traditionnels ainsi qu’aux développements technologiques récents, être complétées par les mesures satellites et finalement être conçues pour calibrer et valider différents modèles d’écosystèmes à des degrés divers de complexité. Ces modèles seront ensuite utilisés pour étudier l’impact du changement climatique sur les écosystèmes (en relation avec "Régionalisation et impact climatique").
La description du cycle de l’eau et du carbone sur les surfaces continentales prend également toute son importance dans les régions méditerranéennes bien sûr pour des problématiques générales telles que l’amélioration des schémas de surface des modèles atmosphériques mais également pour des problèmes très appliqués concernant la gestion de l’eau et enfin pour l’étude de l’impact des modifications de ces surfaces sur le cycle de l’eau, modifications actuelles liées aux pratiques agricoles ou prévisibles en fonction des scénarios du changement climatique. La télédétection satellitale apparaît comme un outil privilégié permettant l’intégration des processus aux différentes échelles, du paysage au continent et de l’épisodique à l’inter-annuel ainsi que pour contraindre les modèles de fonctionnement de la biosphère par des techniques d’assimilation. La mission micro-satellitaire VENµS apparaît particulièrement bien ciblée pour le chantier Méditerranée puisque le satellite doit voler à partir de 2008 et sera centré sur l’étude des régions méditerranéennes avec pour objectifs :

  1. le suivi et l’analyse du fonctionnement de la surface sous l’influence des facteurs environnementaux et humains

  2. le développement et la validation des modèles de fonctionnement des écosystèmes naturels et cultivés

  3. le développement des techniques d’assimilation de données de télédétection dans les modèles de fonctionnement de la végétation et de détermination des flux de surface.



4. Régionalisation et impacts climatiques
Le bassin Méditerranéen constitue une région clef sur le plan climatique parce qu’il se situe au cœur de la zone de transition très marquée qui sépare les régions subtropicales semi-arides et les régions douces et humides de moyenne latitude. En tant que zone de transition, le bassin méditerranéen est sensible et vulnérable aux variations climatiques, naturelles ou anthropiques. Tout déplacement, toute modification de cette zone de transition affectera la population qui est nombreuse sur le pourtour de la mer Méditerranée, avec des conséquences économiques et politiques considérables. Les scénarios d’évolution du climat dans cette région mettent en évidence un risque accru de sécheresses associé au climat global. Mais ils restent très incertains car la combinaison de facteurs locaux et globaux de variabilité climatique est particulièrement complexe dans cette région.
Les objectifs scientifiques synthétisés à partir des différentes contributions sont donc

  1. comprendre les processus physiques et dynamiques contrôlant le cycle couplé océan/atmosphère/hydrologie/écosystèmes à l'échelle du bassin méditerranéen,

  2. comprendre les impacts de ce système couplé sur l'environnement, les activités humaines et l'économie,

  3. développer des scénarios et indices sur le changement climatique et les fournir à la communauté utilisatrice d'informations climatiques, en intégrant liées aux scénarii socio-économiques choisis, aux modèles global et régional et au modèle d'impact.

Ces objectifs impliquent une approche multi-échelles spatiales (de l'échelle synoptique à l'échelle régionale) et temporelles (de la variabilité interannuelle à l'échelle temporelle des événements extrêmes) des mécanismes en jeu dans la région et à leur possible évolutions dans des scénarios de changement climatique (cette thématique des incertitudes et de leur prise en compte a commencé à être traitée dans le projet européen PRUDENCE et continue dans ENSEMBLES, voir annexe 2).
En détails, la synthèse des contributions fait ressortir la nécessité:

  1. d'évaluer les interactions échelles globales/échelles régionales sur les systèmes atmosphère et océanique (interaction circulation océanique côtière/hauturière/NAO, éléments précurseurs de grande échelle sur des événements régionaux tels que cyclogenèse et précipitations intenses, …). En effet, la mer Méditerranée joue un rôle crucial comme mémoire du système climatique local et guide pour les perturbations d’Ouest qui abordent l’Europe. Mais c’est par ailleurs un système dynamique complexe, incluant des tourbillons ou des régimes de courant à petite échelle. Les échelles de la circulation atmosphérique, susceptibles de mettre en mouvement la Méditerranée, sont elles-mêmes souvent assez petites. Elles dépendent en particulier très fortement de l’orographie des régions littorales, qui peut induire des régimes de vent tels que le Mistral, qui ont un fort impact atmosphérique (cause principale des systèmes dépressionnaires dans le bassin ouest de la Méditerranée) et océanique (formation des eaux profondes de la Méditerranée). Ces études reposent en grande partie sur l'élaboration de modèles imbriqués globaux et régionaux afin de pouvoir analysés la variabilité spatio-temporelle des processus à différentes échelles. Ceci inclut par exemple l'élaboration de climatologies à méso-échelle des vents à l’échelle de la Méditerranée afin d'étudier ses variations saisonnières et ses fluctuations (nécessaire pour séparer le rôle possible des interactions locales entre mer et atmosphère du rôle des téléconnexions de grande échelle). Dans l'analyse des mécanismes générant la formation des eaux profondes, les interactions atmosphère/circulation océanique côtière/hauturière sont fondamentales.

  2. d'analyser les interactions océan/atmosphère/hydrologie/végétation et leur impact sur la dynamique atmosphérique et océanique (convection océanique, précipitations et crues extrêmes, vagues de chaleur, vents forts, cyclogenèse, …); l'occupation des sols, la désertification et les feux de forêts (en relation avec "Ecosystèmes continentaux et marins" et "Cycle hydrologique"). Un intérêt grandissant porte sur la compréhension des mécanismes climatiques régionaux conduisant aux vagues de chaleur et de sécheresse, particulièrement en Europe, nécessitant l'analyse des interactions régionales entre l'état hydrique des régions méditerranéennes et le climat estival en Europe. Une question adjacente est la prise en compte de ces processus dans les modèles de climat, et particulièrement ceux participant à l'effort international de modélisation du climat futur. A l'autre bout du spectre, c'est au contraire l'étude de l'occurrence des précipitations intenses qui nécessite une investigation expérimentale et numérique couplant océan/atmosphère/hydrologie/végétation dans le cadre de la régionalisation du changement climatique global.

  3. d'élaborer des régimes types de circulations atmosphérique et océanique afin de déterminer les flux entrants et sortants du système méditerranée, de déterminer des modes de circulation et leur évolution saisonnière. Ces études reposent en grande partie sur l'élaboration de climatologies issus d'observations continues (océaniques et continentales, sol ou satellites) telles que les vents ou les pluies afin d'identifier les intensités de pluies extrêmes observées ponctuellement et celles intégrées sur des régions pertinentes et d'explorer les relations d'échelles.

  4. d’estimer les sources de pollution. ESCOMPTE a permis de documenter la pollution au niveau d’une ville méditerranéenne, mais très peu de mesures ont été faites hors de Marseille, sur mer notamment. Hors, les modèles de transport montrent des différences plus fortes sur mer que sur terre. Ceci pourrait être lié à une plus grande variabilité des concentrations d’espèces au dessus de la mer. L’accentuation de la pollution par les phénomènes de brise, ou encore le transport de panaches de pollution en provenance d’Espagne ou d’Italie sont aussi deux aspects mal documentés par les observations lors d’ESCOMPTE. En terme de bilan d’ozone, il serait aussi intéressant de documenter les sources moins bien documentées que sont les feux de forêts par exemple. Ces feux ont des dynamiques bien particulières avec une végétation unique (garrigues, ...) et une orographie souvent favorables à leur propagation. En saison hivernale, les NOx produits par les éclairs semblent présenter des maxima importants en mer, alors que ce maximum est clairement continental pendant les mois d’été.



5. Prévisibilité
La prévision des états du système couplé océan/atmosphère/hydrologie/écosystèmes en Méditerranée est dépendante de notre niveau de compréhension et de sa traduction en terme de modélisation des processus et interactions qui régissent ce système particulier. Notre capacité à prévoir se répartit très inégalement dans ce système. La météorologie est la discipline le plus avancée en cette matière, mais depuis quelques années ce monopole est partagé avec la prévision de la circulation océanique. Celle-ci a accédé au statut de prévision opérationnelle en Méditerranée (MFSTEP). Dans d’autres domaines (e.g. cycles bio-géochimiques), la prévision n’est pas un exercice réalisable en l’état, faute de modèle ou de données suffisantes, mais la prévision se maintient en tant qu’objectif important. Depuis quelques années la notion de prévisibilité s’impose dans la communauté océan/atmosphère. Celle-ci est comprise comme la combinaison d’une quantité intrinsèque à un phénomène géophysique identifié et d’une autre liée à la justesse des informations dans modèles d’assimilation/prévision employés. Ainsi, les limitations des modèles introduisent des erreurs qui réduisent ainsi la prévisibilité du phénomène dans le système de prévision. La prévisibilité varie beaucoup selon la nature et notamment l’échelle du phénomène.
Les différentes contributions font état de la nécessité de progresser dans différents domaines relatifs à la prévision et la prévisibilité des événements méditerranéens :

  1. assimilation de données pour le système couplé. Dans le cas du système océan/atmosphère, les algorithmes de prévision sont fréquemment couplés, mais ce n’est pas le cas des algorithmes d’assimilation. La prévision numérique ne saurait être conçue sans une assimilation des données capable de décrire l’état de départ réaliste. Il faudrait concevoir une assimilation sur le système couplé océan/atmosphère tenant compte des mécanismes de couplage.

  2. quantification des incertitudes dans le contexte méditerranéen. L’intégration des données dans un système d’assimilation implique de prendre en considération les erreurs associées aux constituants du système d’assimilation - prévision. Il s’agit d’erreurs d’observation (mesure et représentativité) et d’erreurs de modèle (à la fois dans la partie assimilation et la partie prévision). Dès lors, la notion d’incertitude accompagne notre connaissance du système. L’amélioration des prévisions impliquera donc de quantifier cette incertitude, tout en cherchant à la maîtriser. Pour la Méditerranée, la quantification de l’incertitude des forçages aux interfaces méritent une attention toute particulière (sur la SST pour l’atmosphère, sur les vents de couche limite atmosphérique pour l’océan, sur les précipitations pour l’hydrologie,…). Si des phénomènes extrêmes typiques du pourtour méditerranéen sont connus pour leur faible prévisibilité à courte échéance, il n’en demeure pas moins possible de projeter leur occurrence dans un futur beaucoup plus lointain ; de l’échelle saisonnière jusqu’à l’échelle séculaire. On cherche alors à détecter des tendances sur la base d’hypothèses fortes de changement climatique qui apportent leur propre incertitude.

  3. prévision d’ensemble à méso-échelle en zone Méditerranée. La prévision d’ensemble est une technique qui a montré son efficacité à appréhender une part de l’incertitude dans les prévisions opérationnelles à l’échelle synoptique (en premier lieu). Le domaine méditerranéen et en particulier sa forte composante topographique appellent à une prévision d’ensemble à mésoéchelle. Mais cela nécessite de repenser cette approche, notamment la génération de l’ensemble. L’état actuel (toujours controversé) de la prévision d’ensemble permet de décrire l’incertitude sur la grande échelle et on en mesure l’impact sur la prévision d’objets météorologiques de mésoéchelle. La génération d’un ensemble directement à mésoéchelle, reste un défi. Au préalable, cette approche nécessite des études de sensibilité des modèles de prévision à leurs conditions aux limites (conditions initiales ou latérales, e.g. la topographie ou les flux d’humidité en basse couche dans un cas de fortes précipitations). On esquisse la prévisibilité soit par l’emploi de modèles adjoints (linéaires), soit par des techniques de perturbation directe: en effet les processus impliquant l’eau et ses changements d’état induisent de fortes non-linéarités. On voit ici combien la conception d’un outil capable de décrire la distribution, la propagation et l’interaction de l’incertitude dans un système couplé pour la prévision environnementale est délicate. Pourtant l’utilité d’un tel outil apparaît évidente dans le contexte méditerranéen, e.g. prévision des crues rapides Cévenoles.

  4. observation adaptative en Méditerranée. La maîtrise de l’incertitude dans les systèmes de prévision devient cruciale dans la perspective d’événement à fort impact sociétal, voire extrêmes. La réduction des incertitudes passe par une amélioration des modèles, mais aussi par l’enrichissement du milieu en capteurs adéquats. Si la plupart des contributions au "Chantier Méditerranée" soulignent l’importance et le besoin en observations (variées), à des fins diverses et organisées soit en séries soit en réseaux ; le but précis de la réduction des erreurs de prévision en appelle à l’observation adaptative. Cette discipline optimise des réseaux d’observation pour un système d’assimilation/prévision donné. Le principe est d’obtenir les données au bon endroit et au bon moment afin de contraindre les erreurs. L’observation adaptative permettrait d’optimiser une campagne de mesures en Méditerranée.


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