Thermosalinographes (TSG)

Les observations in situ

Les mesures océanographiques in situ actuelles sont effectuées par des instruments de mesure en surface ou immergés en profondeur. Les mesures sont faites, soit par des navires océanographiques ou marchands, soit par des systèmes automatiques, fixes ou dérivants.

Les bouées TAO/TRITON

Le réseau TAO s’est développé progressivement pendant le programme international TOGA (1985-1994), avec la mise en place d’un réseau permanent de 70 bouées ATLAS (Autonomous Temperature Line Acquisition System) disposées dans le Pacifique équatorial entre 8°N-8°S et 165°E-95°W (Figure 21). Début 2000, le réseau s’est étendu au Pacifique ouest, avec la mise en place de bouées TRITON (Triangle Trans Ocean Buoys Network) entre 137°E et 165°E. Il fut renommé depuis, le réseau TAO/TRITON (McPhaden, 1995).
Ces bouées fixes (ou bouées ancrées, ou encore mouillages) permettent, en un lieu donné, de suivre tous les jours voire plusieurs fois par jour, l’évolution des paramètres océaniques tels que température, salinité et courants, sur les 500 premiers mètres de l’océan.
L’échantillonnage vertical varie entre l’est et l’ouest du bassin. A titre d’exemple, une dizaine de niveaux verticaux sont échantillonnés en température à 0°-155°W sur les 500 premiers mètres de l’océan. Par ailleurs, ces bouées sont équipées de capteurs qui mesurent des paramètres atmosphériques comme le vent, la pression atmosphérique, l’humidité relative, les précipitations, la température de l’air (cf. Figure 22). La quasi-totalité de ces mesures sont transmises par satellite, à un centre de traitement qui les met à disposition des utilisateurs en temps quasi réel. Les données sont téléchargeables librement à l’adresse http://www.pmel.noaa.gov/tao.
L’étalonnage des capteurs et la durée de vie limitée des batteries imposent des visites et un entretien régulier. Ce travail est actuellement effectué par l’équipe du PMEL (Pacific Marine Environmental Laboratory) pour les bouées TAO et par l’équipe du JAMSTEC (Japan Agency for Marine Earth Science and Technology) pour les bouées TRITON. Chaque ligne de mouillage est visitée environ tous les 6 mois, pour être réparée, nettoyée ou remplacée (Figure 22). Ces campagnes d’entretien permettent également d’effectuer des mesures (CTD, ADCP) lors du transit du navire océanographique, ces mesures étant en particulier utilisées pour l’étalonnage des capteurs situés sur les mouillages.
Dans cette thèse, nous utiliserons les mesures CTD réalisées pendant les campagnes de maintenance et transmises au World Ocean Data Base, ainsi que les mesures de courant issues des ADCP. A noter que ces mesures ADCP ne sont pas transmises en temps réel, les instruments se trouvant tous en subsurface. Les données ADCP sont donc disponibles environ 1 an après les mesures (d’où l’absence de données en 2007, cf. Figure 12, Bosc et al., 2009 page 112).

Les mesures CTD

Une sonde CTD (Conductivity, Temperature, Depth) mesure, à une station donnée, la température et la conductivité (et par conséquent la salinité) en fonction de la pression sur un profil vertical, de la surface jusqu’à une profondeur pré-établie. Le pas d’échantillonnage vertical est de l’ordre de 1 dbar (1 m environ), la précision de 0.005 pour la salinité et 0.001°C pour la température. Une station CTD peut durer 3 à 5h. La fréquence d’acquisition des CTD est, en général, de 24 Hz, les mesures sont ensuite le plus souvent moyennées sur 1 ou 2 dbar. Les CTD permettent donc une description de la colonne d’eau avec une très haute résolution verticale.

Thermosalinographes (TSG)

Les thermosalinographes (TSG) mesurent la température et la salinité de l’eau uniquement en « surface ». Ces instruments sont installés sur des navires marchands ou océanographiques. Leur installation sur des navires marchands permet d’échantillonner des lignes commerciales avec une grande régularité spatiale et temporelle, d’environ 1 à 3 sections par saison (Hénin et Grelet, 1996). La mesure se base sur l’analyse de l’eau de mer qui circule dans le système de refroidissement des navires où l’on introduit une dérivation vers le TSG (cf. Figure 24). Cela explique que les mesures de température sont difficilement exploitables car elles présentent un biais chaud de l’ordre de 0.5 à 1°C, variable selon le navire et le lieu où il se trouve. A noter également que cette eau est donc prélevée plus ou moins profond (entre 4m et 8m) selon le type et la charge du bateau.

Les profileurs Argo

Le projet Argo est une initiative commune des programmes CLIVAR et GODAE qui date de la fin des années 1990. C’est un projet international récent, d’observation in situ de l’océan, qui regroupe aujourd’hui 23 nations (12 nouveaux pays devraient se greffer au projet dans les années à venir). L’objectif est de créer un réseau global de flotteurs autonomes programmés pour fournir des profils verticaux de température et de salinité tous les 10 jours sur les 2000 premiers mètres de l’océan (Roemmich et Owens, 2000).

Réalisation des produits grillés des données thermohalines de surface

Suite à ces tests de validité, nous avons donc à notre disposition près de 30 000 couples de température et salinité de surface répartis de manière irrégulière dans le temps et dans l’espace (x,y). Afin d’étudier la structure de front de salinité, nous devrons calculer des gradients horizontaux. Il est donc nécessaire de réaliser des produits grillés de nos données de surface.

Choix du pas de grille

Après plusieurs tests de sensibilité, nous avons réalisé un produit grillé de 5° en longitude, 1° en latitude et 14 jours. Ces pas de grille représentent un compromis qui prend en compte la répartition spatio-temporelle des données et les échelles spatio-temporelles analysées. La répartition du nombre de données de salinité sur des rectangles de 5° longitude et 14 jours dans la bande 5°N-5°S en fonction de la longitude et du temps est présentée sur la Figure 29. Cette figure montre l’intérêt de l’ajout des données CTD et TSG qui permettent de bien compléter nos données Argo sur la période 2000-2003. A noter que 23% des pas de grille contiennent au moins une donnée entre 2003 et 2007.

Estimation de la position du front de salinité de surface

La position du front de salinité est, par définition, déterminée par la position du maximum de gradient zonal de salinité de surface (max ∂S/∂x). Cependant, la résolution horizontale des données ne permet pas toujours de calculer précisément le gradient zonal de SSS. Dans la littérature, plusieurs isohalines ont été utilisées pour repérer le front de salinité sur des périodes différentes : 34.4 (Maes et al., 2004), 34.6 (Maes et al., 2006a), 34.8 (Delcroix et al., 2007), ou 35 (Delcroix et McPhaden, 2002).
A partir de notre produit grillé, nous avons pu estimer la position du maximum de gradient de salinité (max ∂S/∂x) et la comparer à la position de plusieurs isohalines. A noter que la position de max ∂S/∂x est affectée au milieu du pas de grille zonal dans lequel se trouve max ∂S/∂x et, la position d’une isohaline est déterminée par interpolation linéaire entre les 2 points de grille contenant cette isohaline.

Réalisation des produits grillés des données thermohalines de subsurface

Pour déterminer l’épaisseur de la couche barrière de sel, il nous faut estimer la profondeur de la couche isotherme et la profondeur de la couche de mélange. Les profils verticaux de température et salinité ont, d’une part, été analysés per see, afin d’établir des statistiques sur la présence de la couche barrière et, d’autre part, été interpolés sur des points de grille réguliers pour faciliter l’étude de la variabilité des structures thermohalines.
Afin d’interpoler les données sur la verticale, nous nous sommes intéressés à leur répartition verticale. Pour les données Argo, la résolution verticale (dz) est inférieure à 5m pour environ 40% des données de la couche 0-200 m, et inférieure à 10m pour plus de 90% de ces données (cf. Tableau 2). La résolution verticale moyenne est de 5,8 m. Pour les CTD, 99,99% des données ont une résolution verticale inférieure à 5m. Ainsi nous choisirons de calculer les profondeurs des couches isothermes et de mélange à partir d’un produit de résolution verticale de 5m.

Interpolation verticale des profils (T, S) Argo et CTD

Nous avons effectué une interpolation sur la verticale sur chaque profil validé. Après différents tests visuels, nous avons choisi une interpolation par spline (de forme cubique) de résolution 5m (cf. Annexe 1). L’interpolation par spline (de forme cubique) permet de bien représenter la forme du profil vertical avec des courbures qui pourrait être mal représentées par une interpolation linéaire. La Figure 32 c-d illustre le résultat de l’interpolation verticale par spline sur un profil vertical Argo de données de température (c) et de salinité (d).
Après visualisation d’un nombre important de profils, nous avons réalisé que l’interpolation par spline pouvait créer des mesures interpolées non physiques lorsque la distance entre 2 données était trop importante par rapport à l’échelle de résolution verticale (5m ici). A titre d’exemple, la Figure 32 montre le cas d’un profil interpolé à 5m par spline avec des données manquantes sur 48m (entre 57m et 105m, a-b) et un autre cas avec des données manquantes sur 27m (entre 112 et 139m, c-d). Le premier cas illustre comment ce type d’interpolation peut générer des données potentiellement irréalistes pour la salinité entre 70 et 100 m (b). En revanche, le cas (c-d) avec des données manquantes sur 27m (juste audessus de notre limite de 25m fixées dans les tests de validité de nos données) montre l’efficacité de ce type d’interpolation. Ces 2 exemples justifient a posteriori l’élimination des profils ayant des données manquantes sur plus de 25m (cf. 5. a).

Produit grillé des différentes couches : comparaison des critères

Après avoir calculé les différentes couches à partir des profils individuels, nous avons réalisé un produit grillé pour la profondeur de la couche de mélange, la profondeur de la couche isotherme et l’épaisseur de la couche barrière de sel par interpolation linéaire horizontale et temporelle de même résolution que le produit de surface (5° en longitude, 1° en latitude et 14 jours).
Nous pouvons alors comparer les distributions longitude-temps des épaisseurs de couche barrière de sel suivant le critère considéré.