Le climat sur l'Atlantique Nord varie fortement sur des périodes interannuelles, phénomène connu sous le nom d'Oscillation Nord Atlantique (NAO); cette variabilité est néanmoins modulée sur des périodes quasidécennales et interdécennales principalement. La variation de l'intensité des vents d'ouest contrôle les échanges de chaleur et d'humidité entre l'atmosphère et l'océan et influence de manière prédominante le climat sur l'Europe (les températures et précipitations hivernales tout particulièrement). La compréhension des mécanismes physiques sous-jacents est essentielle pour la prédiction du climat à court terme, avec ses implications socio-économiques. Par ailleurs, appréhender la variabilité climatique naturelle permettra de discerner plus facilement la signature du réchauffement climatique global.

La communauté scientifique a déjà apporté des résultats significatifs issus des modèles couplés océan-atmosphère les plus complexes, mais des questions clés restent ouvertes vis-à-vis des mécanismes régulant la variabilité décennale. La collaboration proposée ici a pour objectif de déterminer les processus physiques majeurs (paramétrisations, forçages, type d'interactions) à l'aide d'une méthodologie commune particulière : l'utilisation de simulations numériques de niveau de complexité variable, partant de modèles simples dont les mécanimes de variabilité sont compris, et ajoutant progressivement des processus physiques plus réalistes, sur la base d'une compréhension des nouvelles interactions en jeu.

Les objectifs du projet sont l'initiation d'une coopération et d'un échange de connaissances et d'expertise dans la recherche des mécanismes gouvernant la variabilité décennale des modèles couplés océan-atmosphère-glace de mer de différent niveaux de complexité.

Les deux institutions (chefs de projets entre parenthèses)

• Nansen Environmental and Remote Sensing Center, University of Bergen, Bergen (Dr. K. Lygre)

• Laboratoire de Physique des Océans, Université de Bretagne Occidentale, Brest (Pr. A. Colin de Verdière)

partagent une approche commune de la modélisation des processus climatiques par l'utilisation de systèmes simplifiés. Le groupe français (LPO) a mis en évidence un mode de variabilité propre à la circulation océanique forcée par les flux de chaleur et d'eau douce à sa surface (dite thermohaline) à partir de modèles océaniques en configurations idéalisées. Le groupe norvégien (NERSC) possède une longue expérience de modélisation des hautes latitudes et des processus arctiques, incluant la glace de mer, à grande échelle. La diversité des compétences des deux institutions assure la complémentarité d'une approche commune et des conditions optimales à un fructueux échange d'idées et d'expériences aboutissant à des résultats scientifiques de valeur.

Le LPO contribue déjà à l'effort européen et international des programmes de recherche CLImate-VARiability dans le cadre du Programme National d'Études de la Dynamique du Climat (depuis 1999). La recherche du NERSC est menée sous les auspices des programmes européens EC FWP5 PREDICATE and FWP4 SINTEX, et d'un projet spécifique proposé au Conseil Norvégien de la Recherche pour 2000. Les objectifs de ce projet s'inscrivent parfaitement dans le cadre de FWP5 Environment and sustainable development. La présente coopération contribuera à des propositions de recherche commune, soit par des initiatives conjointes ou par des contributions à des consortiums plus larges, et consolidera mutuellement les deux groupes dans la recherche de financement nationaux.

Les prédictions climatiques saisonnières à interannuelles sur l'Europe sont intimement lièes à l'Oscillation Nord Atlantique (Sutton et Allen 1997 ; Hurrell 1995) et à ses variations décennales (Rodwell et al. 1999). Une manifestation de la NAO est la variabilité quasidécennale des températures dans l'Atlantique nord-ouest (Deser et Blackmon 1993) et la propagation d'anomalies de salinité autour du tourbillon sub-polaire (Reverdin et al. 1997 ; Belkin et al. 1998). Les anomalies de salinité sont générées dans l'Arctique, dans la mer du Labrador ou dans la baie de Baffin par la formation excessive de glace due à des vents de terre froids anormalement forts, suivie d'une fonte dans les eaux chaudes. Les courants de pente dans la mer du Labrador sont responsables de la génération d'anomalies qui se propagent vers le nord-est le long de la limite sud du tourbillon subpolaire. Wohlleben et Weaver (1995) invoquent les interactions océan-atmosphère dans le tourbillon subpolaire et les hautes pressions du Groenland dans leur explication de la variabilité.

Divers mécanismes de variabilité décennale basés sur l'importance du couplage océan-atmosphère sont présentés par Rahmstorf (1999). Un des plus récents attribue l'excitation de la variabilité à une instabilité de type barocline dans la région du courant de bord ouest où les pertes de chaleur par l'océan sont les plus fortes (Colin de Verdière et Huck 1999). La simplicité de ce mécanisme est que l'atmosphère y joue un rôle passif, puisque la source de variabilité réside dans l'océan : L'amplitude des oscillations augmente avec l'intensité de la circulation thermohaline, donc du forçage thermique ou du mélange vertical de chaleur. La période des oscillations trouvée dans des modèles couplés est assez variable, 40 ans ou plus pour Delworth et al. (1997) qui impliquent la mer du Groenland. Lygre (1996) propose comme mécanisme sous-jacent dans ces oscillations un couplage entre la circulation Arctique et la mer du Groenland.

La stabilité de la circulation thermohaline dans l'Atlantique (et l'océan global) est indissociable de ces variations décennales (Rahmstorf 1999). Lohmann et Gerdes (1998) ont montré le rôle de la couverture de glace de mer dans les mécanismes de stabilité à l'aide d'un modèle d'océan et de glace de mer couplé à un modèle atmosphérique en équilibre énergétique (EBM). L'interruption de la convection par une anomalie de salinité permet à la glace d'isoler l'océan d'un refroidissement prolongé, ce qui permet des déplacements considérables de la limite des glaces.

Plusieurs expériences numériques seront menées au LPO et à NERSC durant l'anné 2000 : des visites réciproques et des communications régulières permettront d'harmoniser les configurations des modèles et les forçages ; les résultats seront discutés mutuellement au cours de l'année afin de définir les expériences futures à réaliser.

NERSC s'attachera à l'analyse de l'état d'équilibre et de la variabilité dans un modèle de l'Atlantique et de l'Arctique, comprenant une composante océanique isopycnale, une composante dynamique et thermodynamique de glace et une composante atmosphèrique de type EBM (Bleck et al. 1992 ; Drange 1996 ; Chierici et al. 1999). Le modèle océan-glace sera d'abord forcé par une climatologie de qualité, puis l'atmosphère sera adapté aux flux de chaleur et d'humidité requis, tout en assurant la conservation de masse dans le traitement des flux d'eau douce à la surface.

Le LPO analysera la stabilité et la variabilité de la circulation océanique dans l'Atlantique Nord à partir des résultats d'un modèle océanique global (coordonnées z). Le forçage sera d'abord des flux de chaleur et d'eau douce prescrits (à partir de climatologies et de simulations couplées), puis un couplage avec un modèle atmosphérique de type EBM, avec et sans vents interactifs. On cherchera à obtenir une variabilité naturelle du modèle océanique en l'absence des termes de relaxation des températures (et éventuellement salinité) de surface traditionnellement utilisés : l'introduction d'un bruit aléatoire dans les flux de surface pourrait toutefois s'avérer nécessaire afin de déclencher la variabilité. Les mécanismes physiques entretenant la variabilité décennale focaliseront notre attention, afin de déterminer ceux influençant la période et l'évolution des anomalies de température et salinité. Les méthodes d'analyse de stabilité développées pour les modèles idéalisés précedemment étudiés seront adaptées et appliquées, principalement pour prendre en compte l'influence de la glace de mer.

Les avantages de l'approche bicéphale menée à NERSC et au LPO apporteront beaucoup aux deux groupes en terme de compréhension des mécanismes physiques fondamentaux régissant la variabilité décennale dans l'Atlantique Nord et l'Arctique, et permettront d'éliminer des comportements spécifiques à une configuration particulière (modèles à niveaux ou à couches, résolution ou domaine, forçage). Différents niveaux de complexité et de réalisme aideront à identifier les processus et rétroactions océan-atmosphère nécessaires pour reproduire la variabilité décennale, avec une attention accrue au rôle de la glace de mer et des anomalies de salinité que de nombreux auteurs ont souligné recemment.