Doctorant F/H Développement de modèles simplifiés de la dynamique océanique de surface et sub-surface dans un contexte d'observations de nouvelle génération

Le centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique est un des huit centres d’Inria et compte plus d'une trentaine d’équipes de recherche. Le centre Inria est un acteur majeur et reconnu dans le domaine des sciences numériques. Il est au cœur d'un riche écosystème de R&D et d’innovation : PME fortement innovantes, grands groupes industriels, pôles de compétitivité, acteurs de la recherche et de l’enseignement supérieur, laboratoires d'excellence, institut de recherche technologique.

Dans le cadre d’un partenariat (vous pouvez choisir entre)

• en lien avec le projet ANR "ModITO" et le projet ERC STUOD

L’ objectif est de

développer des modèles simplifiés et leur implémentation numérique pour la simulation de la dynamique océanique

Thèse de doctorat encadrée par Noé Lahaye et Etienne Mémin, au sein de l'équipe Odyssey.

Contexte scientifique du projet

L'océan joue un rôle essentiel sur l'évolution du climat via le transport de chaleur et de carbone qu'il opère, et impacte de manière directe nos sociétés (via la pêche ou les évènements extrêmes, par exemple). 

Dans ce contexte, cette thèse vise à développer des modèles numériques pour la simulation de la dynamique océanique de manière simplifiée. 

Le but, globalement, est d'améliorer notre aptitude à reconstruire et prédire les courants et des différentes variables dynamiques (courants, hauteur du niveau de la mer) et thermodynamiques pertinentes (salinité, température).

Des moyens inédits d'observations de l'océan ont été déployés ces dernières années : par exemple, 2023 a vu la mise en orbite du satellite SWOT (Surface Water and Ocean Topography, mission NASA/CNES), fournissant une mesure précise de la hauteur du niveau de la mer sur des fauchées de 120 km de large. 

Un autre exemple est le déploiement de bouées dérivantes à la surface via le Global Drifter Program (NOAA), qui donnent une mesure du courant de manière quasiment continue dans le temps via des relevés GPS horaires. 

En dépit de ces progrès majeurs concernant les moyens d'observations, et des avancées également conséquentes en  modélisation numérique à haute résolution, la qualité des reconstructions de la dynamique océanique \textbf{contrainte par les observations} reste largement insuffisante à ce jour. 

La raison principale est le caractère essentiellement mal posé du problème d'optimisation sous-jacent : l'observation de l'océan est extrêmement parcellaire (essentiellement à la surface, et avec un échantillonnage spatial et/ou temporel de faible résolution), tandis que la dynamique de l'océan est continue, tri-dimensionnelle et composée d'une multitude d'échelles spatiales et temporelles interagissant entre elles. 

Outre le coût de calcul prohibitif, le raffinement des modèles numériques nécessaire pour capturer la complexité de cette dynamique ne fait qu'empirer le caractère mal contraint du problème d'optimisation, limitant drastiquement notre aptitude à produire des estimations précises se basant sur des observations. 

Une stratégie pour répondre à ce blocage consiste à développer des modèles simplifiés de la dynamique océanique et à les enrichir pour pouvoir capturer au maximum la complexité de la dynamique océanique tout en limitant le nombre de degrés de libertés du modèle \cite{UbelmannEtAl2016}.

C'est la voie que l'on propose d'explorer dans cette thèse. 

Etude envisagée

Le coeur du travail de thèse consistera à développer et analyser des modèles de la dynamique océanique dérivés des équations "verticalement moyennés", appelés modèles "Rotating Shallow Water" (RSW), et leur limite asymptotique à faible nombre de Rossby (nombre adimensionnel caractérisant l'importance de la rotation de la Terre), appelée limite "Quasi-Géostrophique" (QG). 

Les modèles QG permettent notamment de filtrer des processus à relativement haute fréquence, dont les ondes d'inertie gravité (perturbations en courant et densité qui se propagent dans l'océan et on une signature sur les courants et la pression en surface), une propriété qui s'est avéré historiquement essentielle pour les problématiques de couplage modèle/données en météorologie par le passé et qui reste pertinente aujourd'hui.  

Ces modèles RSW et leur limite QG peuvent être formulés à un seul niveau vertical (fournissant une vision moyenne de la dynamique sur une profondeur donnée), ou à plusieurs couches ou modes verticaux, consistant en une réduction de la dimension verticale explicitement ajustable. 

Dans une première étape, le travail portera sur la gestion des courants dans l'océan profond, qui sont en partie découplée de la dynamique en surface et donc difficile à contraindre par des observations en surface. 

Dans cette optique, on formulera un modèle avec une couche de surface active et une couche inférieure dont les variables descriptives sont inconnues. 

On développera plusieurs approches permettant de traiter et gérer cette incertitude -- l'hypothèse nulle, qui constitue une approximation grossière bien que couramment utilisée dans les approches actuelles, consistant à considérer la couche inférieure comme passive (sans courant). 

La suite de la thèse s'inscrira dans la continuité, en complexifiant la structure verticale du modèle (ajout de couches), ou le modèle lui même (exploration de la projection de RSW vers QG et paramétrisation stochastique des incertitudes).

Plusieurs outils autours de ces modèles ont été développés au sein de l'équipe Odyssey ces dernières années. 

D'une part, une approche en projection permettant de passer d'un modèle RSW à un modèle QG en conservant une même formulation -- et notamment un même modèle numérique -- a été formulée récemment et implémentée dans un code numérique (article en cours de préparation). 

D'autres part, un cadre stochastique (Location Uncertainty -- LU) permettant de gérer l'impact des petites échelles -- non-résolues -- et des incertitudes sur la dynamique explicitement résolue par le modèle, aujourd'hui reconnu dans la communauté, est l'objet de plusieurs travaux au sein de l'équipe visant à le déployer dans des configurations réalistes.

Dans cette thèse, on mobilisera conjointement ces deux outils pour développer des modèles de la dynamique océanique qui peuvent être couplés de manière pertinentes aux observations. 

Le travail consistera donc en 1) le développement de modèles mathématiques, ayant des niveaux de simplification différente, 2) leur implémentation sous forme de codes numériques à partir de codes pré-éxistant et 3) la validation et l'évaluation de leur performance sur des cas tests idéalisés et réalistes. 

Compétences techniques et niveau requis :

Langues :

Compétences relationnelles :

Compétences additionnelles appréciées :

• Restauration subventionnée
• Transports publics remboursés partiellement
• Possibilité de télétravail à hauteur de 90 jours annuels
• Prise en charge partielle du coût de la mutuelle

Salaire mensuel brut de 2100€ les 2 premières années et de 2200€ la troisième.