Le programme "Ocean to Climate Seamless Forecasting System" développe une bouée dérivante de surface de nouvelle génération

Grâce à son programme de la Décennie des océans "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 GNSS de nouvelle génération. Extrêmement bon marché, de haute précision et intelligente, la bouée dérivante de surface GNSS développée offre des possibilités importantes pour améliorer l'observation et 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 de la mer en surface, 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 de la Décennie des océans, qui a démontré comment 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, également dans la circulation océanique à grande échelle et le changement climatique mondial.

Au cours de l'histoire, l'observation globale des océans a connu trois révolutions majeures. En 1978, le premier satellite de couleur de l'océan a rendu possible pour la première fois l'observation synchrone des océans 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 zones tropicales à point fixe a été établi, 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 en utilisant des satellites GNSS dont 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 de la détermination en ligne de la vitesse et de la position en temps réel et de haute précision d'une station unique GNSS à faible coût, de l'inversion en ligne et en temps réel de multiples éléments, y compris les éléments des vagues et la teneur en vapeur d'eau, de l'expansion et de la capture du spectre des vagues à large spectre, de la transmission et du contrôle du codage multi-éléments intégrés à la communication par messages courts (SMC) du satellite BeiDou, de l'optimisation des algorithmes à faible puissance et à haute performance, de la miniaturisation des bouées et de l'optimisation du suivi des vagues, etc. 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 et comparaisons d'observation sur le terrain montrent 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 réduits de façon spectaculaire : 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 pertinent, car il a entravé le déploiement d'un système complet d'observation des océans. Malgré des progrès notables au cours des 45 dernières années, les observations océaniques sont toujours confrontées à des coûts élevés et à une couverture éparse, ce qui nuit directement à la compréhension scientifique des processus océaniques et à la capacité de prévoir l'océan et le climat. En effet, la haute mer et la basse atmosphère ne sont pas seulement étroitement liées aux activités humaines en mer, mais sont également essentielles pour comprendre le changement climatique.

Sur la base de leurs premières découvertes, 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 les 10 variables ci-dessus, simultanément. 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 ondes de surface sera prise en compte de manière exacte 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, ainsi que capturer avec précision les vagues internes de l'océan, grâce à un logiciel de contrôle à intelligence artificielle. Les bouées GNSS de type D, en plus des 10 variables conventionnelles, peuvent mesurer le bruit sous-marin, 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 et plus encore. À l'avenir, grâce à de nouvelles avancées technologiques, elle pourra également détecter les tourbillons et mesurer précisément le niveau des marées mondiales, afin de mieux protéger les communautés côtières vulnérables du monde entier.

***

Lire l'article complet :

Liu et al. 2022. Mesures précises en temps réel des ondes de surface océaniques à l'aide de l'approche variométrique du GNSS. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125

Pour de plus amples informations, veuillez contacter :

M. Li Li, directeur du département de la coopération internationale ; scientifique principal, premier institut d'océanographie, ministère des ressources naturelles.
li.li@fio.org.cn