Les océans virtuels s'attaquent aux problèmes du monde réel : Centre de développement des modèles océaniques dédiés aux applications du MPO

Tous les jours, des milliards de tonnes d'eau de mer circulent en aval et en amont dans la baie de Fundy, entre la Nouvelle-Écosse et le Nouveau-Brunswick, phénomène à l'origine des marées les plus hautes au monde. Pour examiner le potentiel de captage d'énergie verte de cette incroyable force de la nature, la province de Nouvelle­Écosse a approuvé, en 2008, un projet pilote de capture de l'énergie marémotrice de 12 millions de dollars dans le passage Minas du fond de la baie de Fundy. Trois turbines d'essai seront installées dans le secteur pour que l'on puisse examiner les possibilités techniques, environnementales et économiques de construction d'une installation de turbines immergées à grande échelle.

Les répercussions potentielles d'un tel projet sur la baie de Fundy sont au cœur d'une étude menée par David Greenberg, Ph.D., chargé de recherche scientifique à l'Institut océanographique de Bedford (IOB) du MPO. M. Greenberg travaille à la conception d'un modèle océanographique pour évaluer les répercussions d'une installation sur le courant, les niveaux élevés de l'eau et la formation de limon ou de boue dans les environs. Les recherches déjà menées indiquent que les barrages du fond de la baie de Fundy augmentent les niveaux d'eau des marées à certains endroits et les diminuent à d'autres endroits.

Leadership et coordination au niveau national dans la modélisation de l'océan

La recherche se déroule sous la supervision du CMOA — le Centre virtuel de développement des Modèles Océaniques dédiés aux Applications du MPO. Hébergé par l'IOB, le Centre supervise, coordonne et dirige l'élaboration de modèles océanographiques et d'applications prioritaires pour le ministère des Pêches et des Océans (MPO). À court terme, le Centre met l'accent sur la recherche sur le climat et l'Arctique, la recherche régionale axée sur les écosystèmes et des études d'ordre général ou portant sur un site en particulier.

On entend par modèles océanographiques des programmes d'ordinateur qui représentent l'océan en trois dimensions et son évolution au fil du temps. Ces programmes s'appuient sur des données océanographiques recueillies au moyen de satellites d'observation et de mesures directes de conditions comme la température, la salinité et les courants. Étant donné que l'atmosphère peut également exercer une influence sur l'océan, les modèles comprennent aussi des données atmosphériques comme le stress causé par le vent, les précipitations, l'évaporation et la couverture nuageuse. Les modélisateurs désignent ces données par le terme « forçage atmosphérique ». En s'appuyant sur ces renseignements, on peut se servir du modèle pour prédire diverses caractéristiques et divers comportements des océans au fil du temps.

« Le CMOA a entre autres pour objectif la conception d'un ensemble commun d'outils de modélisation qui peut être partagé et enrichi avec le temps », déclare Brenda Topliss, directrice du CMOA. Par exemple, le groupe de travail sur les eaux littorales du Centre examine en détail le modèle des volumes finis d'océanologie côtière (FVCOM) dans le cadre du projet de capture de l'énergie marémotrice, ainsi que des travaux en aquaculture, sur la dispersion du pétrole, la circulation maritime et l'évaluation des risques.

Le CMOA rassemble des participants de laboratoires de recherche du MPO des quatre coins du pays et d'autres participants à des projets de collaboration entre des ministères et organismes fédéraux et des universités, surtout l'Université Dalhousie et l'organisme français Mercator Océan. « Il importe de constituer un réseau de modélisateurs, parce que nous travaillons avec d'autres groupes scientifiques à des modèles couplés, et parce que le code est de plus en plus imposant et complexe », rapporte Brenda Topliss.

Modélisation à échelle réduite pour les applications littorales

Le modèle de David Greenberg, une version modifiée du FVCOM, comprend la profondeur de l'eau, des représentations numériques de la côte et des équations mathématiques sur le mouvement qui agit sur l'écoulement de l'eau, comme les marées, la rotation de la Terre, le frottement de fond, la viscosité et les forces gravitationnelles. Le code du modèle a également été modifié pour que l'on obtienne une simulation de l'eau qui entre en contact avec une turbine au lieu de simplement circuler en aval et en amont, avec les marées.

« Les turbines captent l'énergie de l'eau et la ralentissent, ce qui peut mener à l'accumulation de limon (de la boue) à de nouveaux endroits. À son tour, cela peut avoir des répercussions sur les oiseaux et la faune aquatique, comme les coques, qui vivent dans le fond de l'eau ou qui s'y nourrissent », dit-il.

Des données sur le courant et les marées, à la fois récentes et anciennes, peuvent «confirmer» le modèle. « Nous faisons retourner le modèle dans le passé et ensuite nous l'exécutons pour voir s'il peut reproduire les observations passées du monde réel », rapporte David Greenberg. « Une fois que le modèle sera complet, nous serons en mesure d'obtenir des résultats au cours de la prochaine année environ et d'entreprendre des études à grande échelle sur des installations de turbines mises à l'échelle. »

Modélisation à grande échelle : s'inspirer de NEMO

Pour les projets d'échelle mondiale, à l'échelle d'un bassin (c.-à-d. tout l'Atlantique Nord ou tout le Pacifique Nord) et pour la plupart des projets de modélisation à l'échelle régionale, le Centre a adopté le modèle océanographique NEMO, élaboré en France par Mercator Océan. Il a été conçu pour examiner de nombreux éléments différents et à des échelles temporelles allant de quelques heures à des milliers d'années, ainsi qu'à des échelles spatiales allant d'un mètre au monde entier.

En collaboration avec Environnement Canada et la Défense nationale, les chercheurs du CMOA peaufinent le modèle NEMO et l'adaptent aux applications canadiennes au moyen d'un programme appelé CONCEPTS — Réseau opérationnel canadien de systèmes couplés de prévision environnementale (CONCEPTS). À l'aide de ce programme, il est possible d'élaborer des versions à l'échelle d'un bassin (soit Atlantique et Pacifique) et à l'échelle globale du modèle couplé atmosphère-océan-glace.

« Une fois que nous aurons adapté NEMO au Canada et prouvé qu'il est stable et qu'il pointe vers la bonne direction, Environnement Canada procédera au jumelage avec son modèle atmosphérique pour améliorer les prévisions météorologiques », rapporte Brenda Topliss. Le couplage permet au modèle atmosphérique de moduler le modèle océanique, et à l'océan de moduler les conditions atmosphériques, comme c'est le cas dans la nature. Cette collaboration avec les spécialistes de l'atmosphère aidera également le MPO à améliorer ses modèles océanographiques pour nombre de ses applications.

« Les modèles à grande échelle permettent de mieux comprendre la variation du climat océanique — les variations naturelles de température, de courant et d'autres conditions océaniques qui surviennent d'une journée, d'une année et d'une décennie à l'autre. Ils nous aident également à mieux comprendre les courants et la température à l'échelle régionale, comme sur le plateau continental », ajoute Brenda Topliss.

C-NOOFS

En collaboration avec le CMOA et CONCEPTS, Fraser Davidson, Ph.D., du Centre des pêches de l'Atlantique Nord-Ouest du MPO à St. John's, Terre-Neuve, dirige actuellement un projet pilote de trois ans qui vise à prévoir l'état de l'Atlantique Nord-Ouest en temps presque réel. Le projet vise particulièrement les eaux de la côte est du Canada. Le Système opérationnel de prévision océanique Canada Terre-Neuve (C-NOOFS) produit des prévisions et des analyses des conditions océaniques, y compris les courants, les températures, la salinité et les vagues. Ces prévisions ont déjà servi à améliorer le logiciel de planification des opérations de recherche et sauvetage de la Garde côtière canadienne.

Modélisation à l'échelle régionale pour prédire les courants et la dispersion océaniques

À l'échelle régionale, David Brickman, Ph.D., chargé de recherche scientifique à l'IOB, travaille à adapter le modèle NEMO pour en faire un modèle de la circulation océanique du golfe du Saint-Laurent, de la plateforme Scotian, du golfe du Maine et de la baie de Fundy, afin de déterminer les meilleurs endroits de vidange des eaux de ballast pour les navires empruntant les voies navigables intracôtières. L'objectif consiste à réduire le risque d'introduire dans les eaux canadiennes des espèces potentiellement envahissantes qui proviennent de l'étranger.

Les citernes d'eau de ballast des navires sont remplies d'eau pour leur conférer une stabilité lorsqu'ils voyagent sans cargaison. Lorsque le navire prend une cargaison, l'eau de ballast est déversée dans l'océan, ainsi que toute forme de vie qui peut s'y trouver.

L'Organisation maritime internationale recommande que les navires changent leur eau de ballast au milieu de l'océan pour réduire les risques qu'une espèce voyage d'un port à l'autre. Les navires qui empruntent les voies navigables intérieures n'atteignent cependant pas le milieu de l'océan. Pour remédier à cela, David Brickman se sert de son modèle pour estimer les conditions de l'océan pour la journée et les cinq jours qui suivent, et pour formuler des prévisions quotidiennes de l'endroit qui présente le moins de risque pour la vidange des eaux de ballast le long des 11 voies maritimes les plus fréquentées de la côte est. Les prédictions reposent sur des facteurs comme les courants océaniques, le vent et les propriétés de la dispersion.

Nous en sommes actuellement à l'étape de la démonstration du modèle; cependant, une fois le modèle peaufiné, Transports Canada compte ajouter les données produites par le modèle aux autres avis qu'il fournit aux capitaines de navires.

« Les modèles s'appuient sur ce que nous savons déjà de la nature et des lois mathématiques qui régissent le comportement de l'océan, de l'atmosphère et de la glace», signale Brenda Topliss. « À mesure que nous développerons nos connaissances de ces processus naturels, notre capacité de modéliser l'environnement du passé, du présent et de l'avenir s'améliorera. »

Pour en apprendre davantage au sujet de CMOA, veuillez cliquer ici.