Modèles hydrodynamiques

La DO Nature étudie l’écosystème de la mer du Nord sur la base de modèles mathématiques. Nous transposons les mécanismes qui régulent la mer (tels que les courants, les vagues, les processus biologiques et sédimentologiques…) en formules mathématiques. Celles-ci sont rassemblées dans un système de comparaisons, dans une grille de la zone que nous voulons modéliser. Ces comparaisons sont exprimées en programmes informatiques, qui sont intégrés dans des ordinateurs performants et qui accélèrent la vitesse de calcul.

Modèles hydrodynamiques
Modèles

Les modèles mathématiques sont adaptés aux paramètres variables physiques (profondeur, courants, vagues, température, salinité), chimiques (principalement les hydrocarbures), biologiques (limités aux premiers maillons des chaînes alimentaires) et aux transports de sédiments et d’autres substances (polluantes), comme les hydrocarbures, ainsi qu’au calcul des changements de forme et de composition du fond marin. Ces paramètres variables sont réciproquement liés les uns aux autres, et le coefficient de complexité et d’incertitude suit une ligne ascendante, depuis la physique jusqu’à la biologie et le sédiment. Les résultats obtenus grâce aux modèles sont ensuite soigneusement comparés à toutes les observations effectuées sur le terrain, pendant des campagnes en mer, par des instruments à la surface ou sur le fond et par des satellites. C’est ce que l’on appelle la "phase de validation". Si les résultats obtenus à l’issue de la phase de validation sont insuffisants, cela signifie que les formules mathématiques sélectionnées pour décrire les processus réels ne sont pas satisfaisants. Au contraire, si ces résultats correspondent bien aux observations sur le terrain, cela signifie que les modèles pourront être utilisés non seulement pour la gestion de l’écosystème marin, mais aussi pour prédire certains paramètres. Cela permet de réduire les incertitudes des résultats calculés par le modèle, par exemple grâce à un meilleur réglage des paramètres. Il existe une technique plus pointue : l’assimilation des données, lors de laquelle les prévisions du modèle sont adaptées aux observations durant la simulation. Cette méthode permet aussi de calculer une marge d’erreur.

Ces modèles mathématiques sont d’abord et avant tout des outils de recherche destinés à tester les hypothèses scientifiques de manière virtuelle. Dans un tel cas, nous parlons de modèles en développement. Dès que de tels modèles ont atteint un stade de fiabilité acceptable, nous parlons de modèles opérationnels. Ces modèles peuvent fournir toutes sortes d’informations concernant la mer (prévision de la profondeur, des courants, des vagues…), tout comme les bulletins météorologiques peuvent prévoir le temps.

Vagues
COHERENS

Le modèle mathématique hydrodynamique mis au point et affiné par la DO Nature est le modèle tridimensionnel COupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas (COHERENS). Ce modèle mathématique est spécifiquement adapté aux régions marines de faible profondeur, comme notre côte, mais également les estuaires et les lacs. Le modèle est mis à la disposition des scientifiques gratuitement : il est déjà utilisé dans plus de 90 pays du monde entier !

Malgré la complexité de la génération actuelle de modèles marins et les capacités croissantes des ordinateurs, les résultats des simulations doivent toujours être considérés comme une approximation de la situation réelle en mer, et ce, contrairement à la plupart des observations. Néanmoins, le grand avantage est que les simulations numériques ont une dimension globale et donc une portée bien plus importante dans l’espace (via une grille fine) et dans le temps (tant dans le passé, que le présent et l’avenir). Les applications spécifiques sont :

  • Prévisions opérationnelles du niveau de l’eau (en mer et le long de la côte) et des courants pour les prochains jours ;
  • Propagation des nappes de pétrole ;
  • Transport de larves de poisson, ce qui est important pour l’évolution future des réserves halieutiques ;
  • Érosion ou sédimentation du littoral et des chenaux;
  • Prévisions climatiques pour les prochaines décennies ;
  • Efflorescence algale ;
  • Études de la biodiversité dans les zones naturelles protégées ;
  • Élaboration de scénarios spécifiques, comme l’impact d’une tornade, les conséquences d’un naufrage en mer, le calcul des paramètres pour le développement de structures de protection de la côté…
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