Axe transverse

Axe transverse:
COUPLAGE Physique-Biogéochimie-Biologie et Mesures-Modèles
Acronyme : COUPLAGE P2B2M
Responsable : Andrea Doglioli
Programmes :
HYMEX, MERMEX, HYMEREX, CASCADE, COSTAS, BIOMED, MOOSE, MACROES, FOCEA,
JellyWatch, ANTARES, MEUST, MORSE-MED, MALINA.
Introduction générale
La spécificité de cet axe réside dans le
regroupement
d’expérimentateurs
et
de
modélisateurs dont les préoccupations scientifiques
sont centrées autour de l’étude du couplage entre
les processus physiques, biogéochimiques et
biologiques.
Notre objectif est de faire progresser la
connaissance sur ces processus qui interagissent
au sein des écosystèmes marins afin d'obtenir une
meilleure
caractérisation
des
cycles
biogéochimiques marins.
Nos thématiques de recherche s'organisent
le long d'un continuum côte-large et surface-fond et
se concentrent sur certaines échelles spatiales et
temporelles considerées comme clefs. Notre
méthodologie de travail veut favoriser les mesures
multi-parametriques et l'interaction entre modèles
numériques et observation.
Objectifs scientifiques
Depuis les travaux historiques de Riley [1942] et
Sverdrup [1953] sur le rôle de la turbulence verticale
sur le déterminisme de la floraison planctonique
printannière, ou ceux de Haury et al. [1978] sur le
rôle de la dynamique océanique sur la distribution
spatiale du plancton (à l'origine de la notion de
« patchiness »), il est admis que la physique de
l'océan affecte la dynamique des communautés
planctoniques. Le lien avec la géochimie est
identifiable dès les années 60 via les travaux de
Dugdale [1967] sur la limitation de la production
planctonique par les sels nutritifs. L'émergence de
la problématique du réchauffement climatique lié au
cycle du carbone, amenant la notion de « pompe
biologique » [Raven and Falkowski, 1999], a encore
considérablement
renforcé
cette
vision
pluridisciplinaire de l'océan et la nécessité d'étudier
conjointement et aux échelles spatio-temporelles
pertinentes les processus physiques et biogéochimiques.
Au premier titre de ces échelles, la méso-échelle
joue un rôle clef dans la dynamique, dans les
transports de chaleur et de matière et dans le
contrôle de l’activité biologique (Fig.1).
Fig.1 Variation verticale de l'isopycne due à la
présence de deux tourbillons adjacents et de signe
opposé (Tirée de MCGillicuddy, 1998).
L’activité hydrodynamique de mésoéchelle a été
mise en évidence dès les années 1960, mais a
pleinement été révélée par les observations
satellitales (SST, CZCS, TOPEX) ou par les
flotteurs dérivants [e.g. Reverdin et al., 2001]. Les
études numériques utilisant la résolution appropriée
montrent toute l’importance de ces processus, en
particulier dans le contexte du couplage avec les
processus biogéochimiques (sensu largo), que ce
soit à l’échelle d'un bassin océanique [McGillicuddy,
1998] ou à celle d’un tourbillon ou d’un front [Lévy,
2003]. Les confirmations expérimentales de ces
effets sont difficiles à obtenir, principalement pour
des raisons d'adéquation entre les stratégies
expérimentales étudiant l'hydrodynamique et celles
étudiant la biogéochimie [Mémery et al., 2005].
Différentes campagnes océanographiques dont le
COM a été ou est maître d’œuvre ont permis
d'apporter des éléments importants concernant le
rôle de ces processus en Méditerranée (TaupierLetage et al., 2003, Petrenko, 2003; Petrenko et al.,
2005; Petrenko et al., 2008; Moutin, 2008), mais ce
manque de connaissance reste particulièrement
criant pour l'océan côtier [IMBER, 2005] où le rôle
des processus de méso- à subméso-échelle est très
difficile à appréhender, tant du point de vue de la
distibution des espéces et des grandeurs
géochimiques associées que du point de vue des
transferts de matière côte/large et surface/fond.
À plus petite échelle, la turbulence verticale et, dans
le cas particulier des zones de formation d'eaux
profondes, la convection hivernale, jouent un rôle
tout aussi important par leurs effets sur
l’enrichissement nutritif de la couche éclairée ainsi
que le transfert de matière vers le fond. Une bonne
connaissance des processus physiques conduisant
à la stratification (déstratification) de la colonne
d’eau est donc primordiale pour une bonne
résolution du cycle saisonnier de production. De
plus, la turbulence peut modifier la compétition pour
obtenir l'énergie radiative entre des espèces
phytoplanctoniques en suspension et d’autres
espèces qui sédimentent dans la colonne d'eau
[Huisman et al., 2004] et peut donc jouer une rôle
sur la succession des espèces à l'échelle
saisonnière. L'évaluation du mélange vertical induit
par la turbulence est aussi un point clef pour
l'évaluation de la dispersion du zooplancton, dont
les
gélatineux
(méduses),
affectant
donc
possiblement la structure de l'écosystème. A
l’échelle globale, une augmentation de cette
stratification est prédite suite au réchauffement
climatique et la prise en compte d'une
représentation fine de la turbulence dans les
modèles couplés est susceptible de grandement
modifier les bilans biogéochimiques à cette échelle
globale [Klein and Lapeyre, 2009].
Cette stratification étant aussi fortement
dépendante de l’activité physique à méso-échelle
qui est peu ou mal prise en compte dans les
modèles globaux et, dans le même temps, la
turbulence agit en retour sur cette même activité
méso-échelle. Par exemple, il n’existe pas d’accord
actuellement sur un modèle « biogéochimique »
conceptuel des tourbillons pour lesquels deux
schèmas opposés sont proposés : le modèle fermé
(le tourbillon peut être assimilé à un réacteur isolé
de l’extérieur) et le modèle ouvert [Olaizola et al.,
1993, Nencioli et al., 2008]. Par contre, la
représentation par l’un ou l’autre de ces modèles
conceptuels semble dépendre de l’hydrodynamisme
local, en particulier au regard du rôle de la
turbulence.
Problematiques
méthodologiques
et
perspectives
La modélisation couplée physique/biogéochimie
est, dans ce contexte du couplage physique/biogéochimie, une branche d'activité qui a connu un
formidable essort depuis les 20 dernières années.
Basé sur l'équation fondamentale de conservation
de la matière et profitant d'outils modèlisation
physique de plus en plus performants, cette
modélisation couplée permet de simuler la réponse
de l’écosystème planctonique en terme de
production et de biomasse, ainsi que les flux
géochimiques associés, à la variabilité des
conditions océaniques, incluant les processus de
haute fréquence (cycles diurnes des marées et du
transfert radiatif, précipitations), de basses
fréquences
(passages
des
perturbations
atmosphériques)
et
saisonniers
(variations
saisonnières des débits d’eaux douces, convection
hivernale, stratification estivale). L'intégration de
cette variabilité sur des échelles annuelle, pluriannuelle, voire séculaire, donne accés à des
estimations quantitative fiables des grandeurs
biogéochimiques et des groupes écologiques
fonctionnels en réponse à la variabilité du « climat »
océanique.
Les
récents
développements
d'instrumentation
permettant
les
mesures
biogéochimiques in situ et en continu (e.g. ISUS qui
permet la mesure de nitrate à haute fréquence)
donnent la possibilité d'explorer l'influence des
processus
physiques
sur
les
processus
biogéochimiques pour un continuum d'échelles
spatiales et temporelles. Ces mesures sont
primordiales pour permettre de calibrer et valider
aux mêmes échelles temporelles les processus
simulés
par
les
modèles
physiques
et
biogéochimiques couplés. Ils sont également
fondamentaux pour calibrer et valider les produits
satellites qui vont permettre de comparer aux
mêmes échelles spatiales les résultats des
simulations de modélisation couplée. Ces mesures
in situ et satellites pourront être utilisées ensembles
pour
les
assimiler
dans
les
modèles
biogéochimiques afin de diagnostiquer les
processus à améliorer pour mieux simuler les
variables biogéochimiques.
Le groupe partage aussi une culture commune dont
la caractéristique principale est de privilégier une
approche duale modélisation/observation associant
étroitement les données de terrrains ("vérité in situ")
et les expériences numériques conjointes ("vérité in
silico"). L'hypothèse de base de cette démarche est
que le processus réel (ou combinaison de
processus) est vraissemblablement entre cette
vérité in situ, par nature incompléte et/ou
fragmentaire, et cette vérité in silico, par nature
virtuelle mais plus complète du point de vue de la
résolution spatio-temporelle. La démarche qui
permet d'approcher les processus réels est
itérative : les données soulèvent de nombreuses
questions, l'analyse des sorties numériques répond
à certaines d'entre elles, confirmant ou rejetant
certaines hypothèses; ces données numériques
génèrent à leur tour d'autres hypothèses qui, pour
être vérifiées, nécessitent un retour aux données via
les expérimentations/observations in situ etc. Il est
bien
entendu
que
les
interactions
modèles/observations ne se limitent pas pas à cette
démarche itérative conceptuelle, l'équipe partageant
aussi une culture bien ancrée en terme de validation
systématique des modèles [e.g., Petrenko et al.,
2005; Le Fouest et al., 2006].
En regroupant des membres de toutes les cinq
équipes du MIO, cet AT veut développer une forte
synergie à l'intérieur du futur Institut. Ainsi il pourra
non seulement constituer un groupe de travail
important à l'intérieur des programmes déjà en cour
tel que HYMEX (en particulier WG1) et MERMEX
(en particulier WP1), mais aussi être noyau de
proposition pour des nouveau projets à plus long
terme (appels d'offres ANR, LEFE, EC2CO,
MERCATOR, FP7, etc.).
Thèmes de recherches
2.1 Processus physiques et fonctionnement de
l'écosystème pélagique
Baklouti M., Bonnet S., Carlotti F., Dekeyser I., Diaz
F., Doglioli A., Gauduchon M., Leblanc K., Manté
C., Moutin T., Nerini D., Petrenko A., Pinazo C.,
Poggiale J-C., Van Wambeke F., Zakardjian B.,
Zhou M.
- Modélisation des processus d'advection-dispersion
caractérisant la distribution des organismes et des
concentrations biogéochimiques.
Programmes: HYMEX, MERMEX, HYMEREX,
CASCADE, ANTARES, MEUST.
Ce WP veut se concentrer sur le couplage en milieu
pélagique hauturier et côtier. Une attention
particulière sera portée à l’étude des phénomènes
physiques
de
mesoet
submeso-échelle
horizontales, ainsi qu’à l’étude de la dispersion et du
mélange vertical turbulent.
Détails:
- Influence des structures tourbillonnaires sur les
processus biogéochimiques;
- Influence de la dispersion et du mélange sur la
distribution des grandeurs biogéochimiques et des
organismes;
- Influence des processus physiques induits par le
vent sur la disponibilité nutritive.
Programmes: HYMEX, MERMEX, HYMEREX,
CASCADE,
COSTAS,
BIOMED,
FOCEA,
JellyWatch, MALINA, MORSE-MED, LATEX
(valorisation), BOUM (valorisation).
2.4
Mesures
multi-paramétriques
et
modélisation numérique couplée
Baklouti M., Carlotti F., Dekeyser I., Doglioli, A.,
Gauduchon M., Lefèvre D., Manté C., Nerini D.,
Petrenko A., Pinazo C., Tamburini C., Zakardjian
B., Zhou M.
Ce WP se concentre sur le développement de
nouvelles méthodologies de mesure et de
modélisation numérique pour l'étude du couplage.
Détails:
-observations à long terme multi-paramétriques;
-amélioration des dispositifs de mouillages
instrumentes;
-développement des dispositifs lagrangiens multiparamétriques;
-développement des algorithmes de couleur de
l'eau;
-calibration et validation des modèles couplés
physique-biogéochimique;
-assimilation de données in situ et satellitales dans
les modèles couplés physique-biogéochimique.
Programmes: HYMEX, MERMEX, HYMEREX,
MOOSE (exploitation des données d'observation),
FOCEA, ANTARES, MEUST, MORSE-MED,
MASSILIA, LATEX (valorisation).
2.2 Processus physiques et échanges aux
interfaces
Continent/Océan,
Air/Mer
et
Eau/Sédiment
Baklouti M., Chevalier C., Doglioli A., Goutx M.,
Petrenko A., Pinazo C.
Ce WP se concentre sur le couplage entre
processus physiques et biogéochimiques aux
interfaces Continent/Ocean eau/Sediment. La
thématique sera développée en forte liason avec
l'axe ECHANGE.
Détails:
-Impact des processus physiques sur les apports
nutritifs et de contaminants;
-Impact des processus physiques sur le contrôle
des interactions entre écosystèmes benthique et
pélagique;
-Impact des processus physiques à l'interface
air/mer.
Programmes: HYMEX, MERMEX, HYMEREX,
CASCADE, MASSILIA.
2.3 Processus physiques et biogéochimiques
dans l'écosystème pélagique profond
Dekeyser I., Doglioli A., Goutx M., Lefèvre D.,
Petrenko A., Pinazo C., , Sempere R., Tamburini
C., Taupier-Letage I., Zakardjian B.
Ce WP se concentre sur le couplage entre
processus physiques et biogéochimiques dans
l'ocean obscur. La thématique sera développée en
forte liason avec l'axe EMBE.
Détails:
Identification
des
processus
physiques
caractérisant la circulation profonde;
- Variabilité spatiale et temporelle des courants
profonds;
- Développement des mesures multi-paramétriques
pour l'identification des échelles spatiales et
temporelles caractérisant le couplage entre la
physique, la biogéochimie et la biologie du milieu
profond;
Moyens mis en œuvre
Mouillages (MOOSE, JULIO, 42°N5°E, ANTARES),
Capteur de turbulence (SCAMP), ADCP, capteurs
de nitrates (ISUS). ADCP et appareils tractés pour
l'observation du zooplankton (LISST). Flotte côtière.
Plateaux techniques MIO. Base de données
satellitales.
Cluster de PC Linux pour le calcul intensif et
parallèle
(participant
au
projet
Grille
Interdisciplinaire de Calcul Intensif d'Aix-Marseille –
GICIAM).
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