Grâce à son programme Décennie de l'Océan "Système de prévision sans faille de l'océan au climat (OSF)"le premier institut d'océanographie (FIO) du ministère chinois des ressources naturelles a créé une bouée dérivante de surface de nouvelle génération utilisant le système mondial de navigation par satellite (GNSS). Extrêmement peu coûteuse, très précise et intelligente, la bouée dérivante de surface GNSS développée offre d'importantes possibilités d'amélioration de l'observation et de la surveillance des océans.
La bouée dérivante de surface GNSS de nouvelle génération créée par le professeur Fangli Qiao, chercheur principal du programme OSF et directeur général adjoint de FIO, et son équipe, utilise les signaux libres des satellites GNSS pour obtenir avec précision 10 variables importantes : la position géographique, l'heure, la hauteur, la période et la direction des vagues de surface, la vitesse et la direction des courants de surface, la température et la salinité de la mer en surface et la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère.
Cette réalisation s'appuie sur des années de recherche fondamentale menée par le professeur Qiao, également membre du conseil consultatif deDécennie de l'Océan , qui a démontré que les vagues océaniques à petite échelle jouent un rôle crucial dans la circulation océanique à grande échelle et dans le système climatique, en modulant le mélange des couches supérieures de l'océan et les flux air-mer. C'est pourquoi l'observation des vagues océaniques de surface est d'une importance vitale en soi, ainsi que pour la circulation océanique à grande échelle et le changement climatique mondial.
L'observation globale des océans a connu trois révolutions majeures au cours de l'histoire. En 1978, le premier satellite de couleur de l'océan a rendu possible pour la première fois l'observation synchronisée de l'océan à grande échelle. Dans les années 1980, le développement des réseaux de bouées tropicales a commencé, et le réseau mondial d'observation continue à grande échelle des tropiques a été mis en place, ce qui a considérablement amélioré les capacités de surveillance et de prévision de l'oscillation australe El Niño. Au début du 21e siècle, une initiative mondiale d'observation des océans - Array for Real-time Geostrophic Oceanography (Argo) - a été lancée. Aujourd'hui, environ 4 000 bouées Argo sont en service dans les océans du monde entier, observant un profil vertical environ tous les 10 jours, et faisant de la surveillance en temps réel de l'océan en trois dimensions une réalité. Le programme Argo fait également partie du Système mondial d'observation de l'océan (GOOS), codirigé par la Commission océanographique intergouvernementale de l'UNESCO. Le coût élevé reste le goulot d'étranglement et le grand défi de l'observation des océans, bien que des efforts considérables et une série de réalisations techniques aient été accomplis.
Depuis 2016, grâce à une coopération multidisciplinaire marine approfondie et à l'utilisation de satellites GNSS, y compris le BeiDou, l'équipe du professeur Qiao a réalisé des percées techniques dans la conception du matériel de bouée et le traitement des données. Il s'agit notamment d'une station GNSS unique à faible coût, d'une détermination en ligne de haute précision et en temps réel de la vitesse et de la position, d'une inversion en ligne et en temps réel de plusieurs éléments, y compris les éléments des vagues et la teneur en vapeur d'eau, d'une expansion et d'une capture du spectre des vagues, d'une transmission et d'un contrôle du codage multi-éléments intégrés à la communication par messages courts (SMC) du satellite BeiDou, d'une optimisation des algorithmes à faible consommation et à haute performance, d'une miniaturisation des bouées et d'une optimisation du suivi des vagues, et bien plus encore. Ces progrès ont permis d'améliorer considérablement la précision de l'inversion, d'éviter le coût des services de correction différentielle de précision et de réduire considérablement la charge de communication.
Les résultats de plusieurs expériences d'observation sur le terrain et de comparaisons démontrent que la précision de cette nouvelle bouée révolutionnaire est comparable à celle d'autres instruments de mesure des vagues couramment utilisés, tels que le Waverider, avec une différence de seulement quelques centimètres. Les coûts d'observation ont également été considérablement réduits : le coût de la bouée GNSS est inférieur de 90 %. En d'autres termes, le coût d'observation de la nouvelle bouée GNSS est inférieur à 10 % de celui du système actuel.
Cet aspect financier est particulièrement important, car il a entravé le déploiement d'un système complet d'observation des océans. Malgré les progrès notables réalisés au cours des 45 dernières années, l'observation des océans reste confrontée à des problèmes de coûts élevés et de couverture éparse, ce qui entrave directement la compréhension scientifique des processus océaniques et la capacité à prévoir l'océan et le climat. En effet, la haute mer et la basse atmosphère sont non seulement étroitement liées aux activités humaines en mer, mais elles sont également essentielles pour comprendre le changement climatique.
Sur la base de leurs premières conclusions, le professeur Qiao et son équipe développent quatre types de bouées GNSS. Les bouées GNSS de type A constituent la configuration de base, qui permet d'obtenir simultanément les 10 variables susmentionnées. Les bouées GNSS de type B sont capables de capturer cinq variables atmosphériques supplémentaires, à savoir la vitesse et la direction du vent, la température, l'humidité et la pression atmosphérique. En déployant un grand nombre de bouées GNSS de type B, l'observation en temps réel des flux air-mer à grande échelle deviendra une réalité, et la contribution des vagues de surface sera prise en compte dans le calcul des flux air-mer. Les bouées GNSS de type C peuvent mesurer la température de l'eau de mer et la structure de la salinité de 0 à 300 mètres, en plus des 10 variables conventionnelles, et capturer avec précision les vagues internes de l'océan, grâce à un logiciel de contrôle de l'intelligence artificielle. Quant aux bouées GNSS de type D, elles peuvent mesurer, en plus des 10 variables classiques, le bruit sous-marin, ce qui peut être utilisé pour surveiller les mammifères marins et protéger l'écologie marine.
La nouvelle bouée GNSS développée par FIO est intelligente, ce qui signifie qu'elle peut automatiquement effectuer des observations intensives à tout moment en fonction des besoins, tels que les zones de grandes vagues, les vagues internes, les risques océaniques, etc. À l'avenir, grâce à de nouvelles avancées technologiques, elle visera également à détecter les tourbillons et à mesurer avec précision le niveau des marées à l'échelle mondiale, ce qui permettra de mieux protéger les communautés côtières vulnérables dans le monde entier.
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Lire l'article complet :
Liu et al. 2022. Real-time precise measurements of ocean surface waves using GNSS variometric approach. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125
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Li Li, directeur du département de la coopération internationale ; scientifique principal, premier institut d'océanographie, ministère des ressources naturelles
li.li@fio.org.cn