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Analyse intégrée de la salinité de surface à long terme dans l'Océan Indien Nord à partir de données satellites multi-capteurs et in situ

Description

La salinité joue un rôle fondamental dans la circulation océanique thermohaline, le cycle de l'eau et le climat. En changeant la densité et la stratification verticale de l’océan de surface, la salinité de surface de la mer (ou SSS pour Sea Surface Salinity) agit sur l’évolution des masses d’eau et sur les caractéristiques de la couche mélangée océanique qui interagit avec l’atmosphère. Dans les tropiques, et notamment dans l’Océan Indien Nord (i.e. au nord de 10°S), les interactions océan-atmosphère qui se développent ont un impact direct sur variabilité de la mousson asiatique à toutes les échelles de l’intrasaisonnier à l’interannuel (Webster et al., 2002, Izumo et al. 2008), ainsi que sur les dépressions et cyclones tropicaux (Klingaman et al., 2008, Murty et al., 2008).

Les variations de SSS génèrent le développement de couches de subsurface, dites « Couches Barrières » (BL, pour Barrier Layer, e.g. de Boyer Montégut et al. 2007) qui modifient fortement les interactions air-mer en isolant la couche mélangée océanique de l’océan profond et plus froid. Elles contrôlent donc en partie le fonctionnement des phénomènes climatiques cités ci-dessus (mousson asiatique, cyclones, e.g. Masson et al. 2005, Reul et al. 2014). La variabilité climatique de cette région a de plus des conséquences souvent catastrophiques pour les pays limitrophes dont les côtes sont densément peuplées et dont l’économie est souvent basée sur l’agriculture et les pêches.

L’Océan Indien Nord se divise naturellement en deux zones géographiques séparées par le sous-continent indien: la Mer d'Arabie à l'ouest, et le Golfe du Bengale à l'est. Alors que ces deux régions affichent des températures de surface sensiblement voisines, leurs caractéristiques hydrologiques superficielles présentent de forts contrastes en salinité de surface. L'ouest de l'Océan Indien Tropical est une région de forte évaporation où se forment des eaux salées de plus de 36 PSU, tandis que dans la partie est, les faibles salinités (moins de 33 PSU) sont dues à la combinaison de très importants apports fluviaux au nord (Gange, Brahmapoutre, Irrawady), et de très fortes précipitations notamment durant la mousson d'été. Ces contrastes marqués est-ouest, combinés à une dynamique intense des courants océaniques de mousson (e.g., courant côtiers, jet de Wyrtki), donnent lieu à des variations de la salinité de surface complexes notamment au sud de l'Inde, au nord du Golfe du Bengale (incertitudes pouvant atteindre 1 à 2 PSU) ou encore dans les zones côtières de remontées d'eaux profondes (ouest de la Mer d'Arabie).

A la fin des années 1990 on disposait encore de peu d'observations de salinité dans l'Océan Indien tropical. Avec l'avènement du programme international ARGO en 2002, on a recueilli sur la période 2000-2009 plus d'observations in situ de salinité que sur toute la période 1960-2000. Depuis 2010 le programme ARGO s’est poursuivi et la mesure de la salinité de surface depuis l’espace est devenue une réalité avec le lancement de plusieurs satellites dédiés : SMOS (nov. 2009-), AQUARIUS (août 2011-Juin 2015) et SMAP (Avril 2015-). De nombreux produits ont été mis en place à partir de ces mesures satellites (e.g. Buongiorno Nardelli et al. 2016; Boutin et al. 2018) et ont permis de mieux connaître les caractéristiques de la variabilité de la SSS dans cette zone. Cependant, et malgré des corrections possibles (Kolodziejczyk et al. 2016), des problèmes persistent

Dans la Baie du Bengale, des interférences radio et la proximité des terres dans un bassin semi-fermé polluent la mesure SSS dans la zone côtière qui présente de forts signaux en SSS crées par l’advection du panache du Ganges-Brahmapoutre par le courant côtier Est Indien (5psu/100km à la côte, Chaitanya et al. 2014; Akhil et al. 2016). En outre la série temporelle de données actuelle (8 ans, 2010-2017) reste encore trop courte pour appréhender correctement les mécanismes de la variabilité interannuelle dans notre zone d’étude. Pour finir, seuls Xie et al. (2014), à notre connaissance, ont intégré directement les données in situ aux données satellites pour construire leur produit final et obtenir ainsi une estimation plus fiable du champ de SSS. Toutefois leur étude ne s’etend que sur 4 années et, n’étant pas dédiée à l’Océan Indien, présente elle aussi des difficultés à représenter fidèlement la SSS dans cette zone.

L’objectif général de ce travail de thèse est ainsi de tirer partie de la synergie d’un maximum d’observations de natures différentes pour améliorer substantiellement et de manière tout à fait innovante notre connaissance de la SSS dans l’Océan Indien Nord. Le but sera tout d’abord de produire un jeu de données inédit de la SSS intégrée insitu/satellite dans notre zone d’étude, et sur une période de temps pratiquement doublée par rapport à ce qui existe actuellement. Ensuite, on utilisera ce jeu de données afin d’étudier les mécanismes de la variabilité saisonnière à interannuelle de la SSS dans cette zone et leurs liens avec les signaux climatiques majeurs tels la dynamique océanique de méso-échelle, les décharges massives des grands fleuves (Ganges Brahmapoutre, Indus), les cyclones, et le dipôle de l’Océan Indien.

Outre l’apport des observations in situ, deux nouveaux jeux de données satellites seront ainsi ajoutés par rapport à ce qui existe actuellement pour la SSS (i.e. SMOS, AQUARIUS, SMAP): les données de bande C type AMSR1/2/E (déc. 2002-), et les données de couleur de l’eau qui permettent de mesurer le CDOM (Colored Dissolved Organic Matter, 1998-). La génération des produits de SSS sur la base des données AMSR se fera dans le cadre d’un lot de travail du projet ESA « CCI Salinity », co-porté par l’IFREMER/LOPS (Nicolas Reul, en collaboration avec Jacqueline Boutin du CNRS/LOCEAN, Paris). Fournier et al. (2015) ont par ailleurs mis en évidence une forte corrélation entre la mesure de CDOM et la SSS dans le panache d’un grand fleuve tel l’Amazone. Cette relation a pu être estimée et utilisée pour calculer la SSS à partir du CDOM. Là encore, le nord de l’Océan Indien avec des fleuves présentant de larges panaches (Indus, Gange, Brahmapoutre, Irrawady...) est une zone dans laquelle une telle méthode peut amener des résultats très complémentaires aux autres données. A la côte et en sortie des fleuves on pourra dépasser la résolution des produits satellites précédents limités à 50 km, résolvant ainsi beaucoup mieux les forts gradients cotiers, notamment dans le Golfe du Bengale (5psu/100km à la côte, Chaitanya et al. 2014). Il est enfin prévu d’utiliser le plus d’observations in situ possible (données ARGO, TSG, mesures par seau d’eau, mouillages RAMA...) qui sont essentielles non seulement pour calibrer les satellites mais également pour être intégrées directement au produit final de SSS et contribuer à son amélioration directe sur certaines régions. Ces différentes données seront fusionnées ensemble par des méthodes d’interpolation statistiques largement employées au LOPS (e.g. de Boyer Montégut et al., 2004) afin d’obtenir les cartes du produit de SSS final (e.g. Xie et al, 2014).

Grâce à cette série de données longue (16 ans, 2003-2018), les processus de la variabilité saisonnière à interannuelle de la SSS dans l’Océan Indien Nord pourront être abordés par l’utilisation conjointe d’autres données satellites (courants par altimétrie, précipitations/évaporation...) et/ou des sorties de modèles océaniques existantes (collaboration avec Jérôme Vialard, LOCEAN, Paris, et Akhil V. P., NIO, Goa, Inde). On estimera ainsi l’effet du transport des tourbillons méso échelle dans la redistribution de la SSS à l’échelle du bassin (e.g. Fournier et al, 2017) et leur rôle dans sa variabilité interannuelle. La contribution du débit des grands fleuves à cette variabilité sera également évaluée et comparée.

Un des principaux résultats attendus de ce travail est la mise en place d’un nouveau produit de SSS à valeur ajoutée. Le jeu de données produit sera nouveau et unique pour plusieurs raisons. Il permettra d'étendre les jeux actuels sur 7 années supplémentaires (2003-2009) qui disposent de peu de données (encore relativement peu d’ARGO, pas de satellites), permettant ainsi de quasiment doubler la série temporelle existante, et cela pour la première fois à l’échelle d’un bassin et en intégrant données in situ et satellites. Ce produit présentera en outre une meilleure couverture spatiale près des côtes et en sortie des grands fleuves grâce à l’utilisation des données de CDOM. Enfin l’ajout d’un satellite supplémentaire peut laisser espérer une amélioration de la précision/résolution des champs finaux. L'utilisation de ce produit pourra permettre d’avoir des informations nouvelles sur les mécanismes de variabilité interannuelles de la SSS à l’échelle du bassin avec notamment l’inclusion de l’événement de dipôle Indien 2007 dans la série temporelle. Une première valorisation de ce produit suivra avec l’étude de la variabilité interannuelle à l’échelle du bassin. Etant donné l’importance de la SSS pour la dynamique et le climat de la région, il est logique que ce jeu de données soit également valorisé par d’autres études, en lien avec les cyclones, l’activité biogéochimique de la zone, ou encore la dynamique proche côtes qui devrait être beaucoup mieux résolue (de l'ordre de 15km) avec l’arrivée prochaine du satellite SWOT. Il servira aussi à valider les sorties de modèles océaniques. L’approche employée ici ouvre enfin des perspectives pour être appliquée de la même manière aux autres bassins tropicaux (e.g. Atlantique tropical).

Ce travail de thèse s’inscrit enfin dans le cadre de plusieurs collaborations et projets prévus. Au sein de l’umr LOPS, Nicolas Reul (co-PI de la mission SMOS, co-I du projet ESA  « CCI Salinity », équipe LOPS « Satellites et Interface Air Mer », thématique « salinité de surface et cycle de l’eau ») a participé à la construction du sujet de thèse et sera considéré comme un co- encadrant (son passage de HDR est prévu pour 2019, auquel cas il reprendra ensuite la direction de thèse). Bertrand Chapron est également impliqué dans le suivi et le déroulement de cette thèse. Ce travail bénéficiera d’échanges directs avec Nicolas Kolodziejczyk (équipe « Océan et Climat », umr LOPS) qui est un expert de la SSS in situ et satellite, et qui connaît également les problématiques d’interpolation optimales et de génération de champs climatologiques.

Au niveau national et international, Jérôme Vialard (IRD, LOCEAN, Paris, dont le sujet a bénéficié d’échanges avec lui), Jacqueline Boutin (CNRS, LOCEAN, co-I projet ESA « CCI Salinity ») et Akhil V. P. (chercheur NIO, Goa, Inde) sont impliqués notamment sur les études de la variabilité de la SSS sur la Baie du Bengale via le projet « CCI Salinity » et seront des collaborateurs privilégiés. Dans ce cadre là, un séjour de visite dans un laboratoire indien (NIO, Goa) peut être envisagé pour le doctorant selon l’évolution du travail de thèse. Enfin Fabrice Papa (IRD, LEGOS, Toulouse), pourra apporter son expertise en matière d’hydrologie continentale et d’estimation des données de débit des grands fleuves par satellites. L’arrivée d’un étudiant en thèse sur ce sujet offrira donc un support scientifique essentiel au projet ESA « CCI Salinity » (lot de travail sur les analyses climatiques dans le Golfe du Bengale), et également pour le projet « SMOS PiMEP » (co-porté par l’Ifremer, Nicolas Reul). Ce dernier vise à valider et exploiter scientifiquement les produits satellites de SSS et comporte également un volet dédié à la zone de la Baie du Bengale.

Profil

Pour mener à bien ce travail, le candidat devra disposer d’un niveau Bac+5, avec Master 2 océanographie/météorologie/climat et/ou télédétection.

Des connaissances en mathématiques et statistiques sont également un prérequis souhaitable ainsi que de bonnes capacités de programmation dans un langage d’analyses de données (e.g. matlab, idl, python, fortran...).

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : LOPS/IFREMER, Plouzané
Directeur(rice) de thèse/recherche : DE BOYER MONTEGUT Clément
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : deboyer@ifremer.fr
Responsable Cnes de l'offre : LIFERMANN Anne

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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