[PDF] Formation et devenir des masses deau en Méditerranée nord

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Université Toulouse III - Paul Sabatier

Ecole Doctorale des Sciences de l"Univers, de l"Environnement et de l"Espace THESE pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L"UNIVERSITE DE TOULOUSE

Discipline :Océanographie

présentée et soutenue par

Marine Herrmann

le 04 décembre 2007

Formation et devenir des masses d"eau en

Méditerranée nord-occidentale

Influence sur l"écosystème planctonique pélagique Variabilité interannuelle et changement climatique Directrice de thèse :Claude EstournelCo-directeur de thèse :Frédéric Diaz devant le jury composé de :

Frank Roux, LA, Toulouse,Président

Michel Crépon, LOCEAN, Paris,Rapporteur

Louis Prieur, LOV, Villefranche sur Mer,Rapporteur Xavier Durrieu de Madron, CEFREM, Perpignan,Examinateur

Bernard Quéguiner, LOB, Marseille,Examinateur

Samuel Somot, CNRM, Toulouse,Invité

Claude Estournel, LA, Toulouse,Directrice de thèse Frédéric Diaz, LOB, Marseille,Co-directeur de thèse

Laboratoire d"Aérologie

UMR5560 CNRS, UPS, Observatoire Midi-Pyrénées

14 avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse, France

2

Remerciements

Je tiens avant tout à remercier du fond du coeur Claude Estournel. D"abord de m"avoir proposé un sujet de thèse passionant, puis d"avoir été toujours disponible pour répondre à mes questions, m"aider à prendre des décisions et m"aiguiller dans la bonne direction, tout en me laissant une grande indépendance. J"ai énormément apprécié son regard critique et constructif sur mon travailet nos discussions qui m"ont beaucoup appris sur l"océanographie régionale. Merci ensuite à Frédéric Diaz d"avoir co-encadré ma thèse etaffronté sans faiblir mon avalanche de questions sur la modélisation biogéochimique. Un grand merci aussi à Caroline Ulses pour son énorme travail sur le modèle biogéochimique. Merci à Michel Crépon, Louis Prieur, Bernard Quéguiner, Xavier Durrieu de Madron, Frank Roux et Samuel Somot d"avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse et de s"être intéressés à mon travail. Travailler au sein de l"équipe d"océanographie côtière du Laboratoire d"Aérolo- gie et du POC a été un réel plaisir. Merci en particulier à Patrick Marsaleix qui est un pédagogue incroyable capable de répondre à absolument toutes les questions qu"on peut lui poser sur SYMPHONIE et sur la modélisation océanique. Je suis reconnaissante à Florent Lyard de son aide dans l"utilisation d"XSCAN, qui a été absolument sans faille et qui m"a évité bon nombre de crises de nerfs. J"ai beau- coup apprécié travailler avec Jérôme-dit-Boubou et j"espère que notre collaboration continuera. Spéciale dédicace à Caroline, puis à Jochem, avec qui j"ai affronté les extrêmes thermiques du bureau A129. Merci enfin à tous les autres membres, plus ou moins occasionels, du POC : Francis, Cyril, Ivane, Pierre, Matthieu, Florence, Nadia, Julien, Muriel, Clément, Jérôme, Laurent, Claire, Gabriel, Baptiste, Yohann et tous ceux qui ont un jour fait l"expérience d"assister à une réunion POC... La collaboration avec les chercheurs du CNRM a été absolumentprimordiale pour moi. Travailler avec Samuel Somot, qui n"est jamais à cours d"énergie, d"idées ou de commentaires, est réellement motivant. Merci à Florence Sevault pour sa pa- tience infinie et sa disponibilité, ainsi qu"à Michel Déqué pour ses commentaires

éclairés et éclairants.

Un grand merci à tous les informaticiens du labo pour leur disponibilité, leur patience et leur compétence : Serge, Didier, Laurent, Jeremyet Juan. Merci aussi à Monique, Gisèle et Karine sans qui je n"aurais jamais surmonté les multiples pièges et énigmes de l"administration. Merci à Jean-François qui a été mon tuteur de mo- nitorat et m"a aidée à m"intégrer dans l"équipe enseignante, et à Raoul, Sylvain et 3 Francis qui n"ont pas eu peur de me laisser parler devant des étudiants, inventer et surveiller des examens et corriger des copies. Parce que le labo, c"est aussi les pauses cafés, les conversations dans le couloir, les discussions passionées qui se prolongent bien au delà durepas, le canal à velo, les soirées animées chez les uns et les autres, les barbecues chez Philippe, les sorties mon- tagnes et les journées ski, les concerts au Capitole, merci àClotilde, Aline, Caroline, Julien, Franck, Marie-Pierre, Christelle, Bastien, Marc, Ivane, Jochem, Amandine, Marielle, Boubou, Erwan, Nico, Serge, Philippe, Sylvain, Patrick, Claude, Francis, Cyril, Dominique et tous ceux qui font la vie du labo... Merci aussi aux copains toulousains, Fabi, Alban, la FFL Sud-Ouest et leur bon fond, Ol, Ben, Jérome, Mariu, J-B, Sophie, Thomas, Margot, Manu et ses desserts, Tilman et sa voisine, Romain et son cassoulet et tous ceux que j"oublie... Je n"aurais jamais parcouru ce bout de chemin sans l"amour et le soutien incon- ditionnel de mes parents Hans et Claude et de ma soeur Iris.

Enfin, merci à Alexis.

4

Table des matières

1 Introduction11

I Contexte et Outils17

2 Hydrodynamique de la Méditerranée nord-occidentale 19

2.1 La circulation océanique générale et les principales masses d"eau dans

le bassin ouest - Méditerranéen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 La formation d"eau dense en Méditerranée nord-occidentale . . . . . . 22

2.2.1 La convection profonde au large . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.2 La convection sur le plateau continental . . . . . . . . . . .. 26

3 Les écosystèmes pélagiques planctoniques en Méditerranée nord-

occidentale31

3.1 Une production primaire fortement liée à la circulationocéanique . . 32

3.2 Les apports atmosphériques et terrestres . . . . . . . . . . . .. . . . 34

3.3 La modélisation des écosystèmes planctoniques en Méditerranée nord-

occidentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.3.1 Les modèles couplés unidimensionnels . . . . . . . . . . . . .. 36

3.3.2 Vers des modèles multi-compartiments et multi-nutriments . . 37

3.3.3 Les modèles couplés tridimensionnels . . . . . . . . . . . . .. 38

3.4 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

II Les outils numériques 41

4 Le modèle numérique de circulation océanique régionale : SYM-

PHONIE43

4.1 Les équations du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Le schéma de fermeture de la turbulence . . . . . . . . . . . . . . .. 45

4.3 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3.1 A la surface libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3.2 Au fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.3 A l"embouchure des fleuves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.4 Aux frontières latérales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 La discrétisation des équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 49

4.4.1 La discrétisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4.2 La discrétisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.4.3 La séparation des pas de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5

TABLE DES MATIÈRES

4.5 Implémentation du modèle SYMPHONIE en Méditerranée Nord-Occidentale 51

5 Le modèle biogéochimique Eco3M-MED 55

5.1 Le phytoplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.1.1 La production primaire brute . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1.2 L"exsudation de carbone organique dissous (COD) . . . .. . . 60

5.1.3 La respiration autotrophe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.1.4 L"absorption des nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.1.5 L"exsudation de matière organique dissoute à la suitede l"ab-

sorption des nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.1.6 La respiration liée à l"absorption de sels nutritifs .. . . . . . . 63

5.1.7 La synthèse de la chlorophylle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.1.8 La mortalité naturelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.2 Le zooplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.2.1 La prédation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.2.2 Lemessy feeding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.2.3 L"égestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.2.4 La respiration basale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.2.5 L"excrétion et la respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.2.6 La mortalité par prédation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.3 Le compartiment bactérien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.3.1 L"absorption de matière organique dissoute . . . . . . . .. . . 67

5.3.2 La croissance bactérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.3.3 L"absorption et l"excrétion de matière inorganique dissoute . . 67

5.3.4 La respiration bactérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.3.5 La mortalité bactérienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.4 La reminéralisation de la matière organique particulaire . . . . . . . . 69

5.5 La nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.6 Mise en équation des processus et de leurs interactions .. . . . . . . 70

5.6.1 Le phytoplancton (?1,?2,?3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.6.2 Le zooplancton (Z1,Z2,Z3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.6.3 Les bactéries (B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.6.4 La matière organique particulaire de petite taille(DP) . . . . 71

5.6.5 La matière organique particulaire de grande taille(DG) . . . . 72

5.6.6 La matière organique dissoute (MOD) . . . . . . . . . . . . . 72

5.6.7 Les sels nutritifs (ν1,ν2,ν3,ν4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6 Le couplage entre le modèle de circulation SYMPHONIE et le mo-

dèle bigéochimique Eco3M-MED77

6.1 Le principe du couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

6.2 L"atténuation de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

6.3 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.3.1 A la surface libre et au fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.3.2 A l"embouchure des fleuves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.3.3 Aux frontières latérales ouvertes . . . . . . . . . . . . . . . .. 80

6

TABLE DES MATIÈRES

III Formation et devenir de l"eau dense en Méditerranée nord-occidentale81

7 Influence de la résolution spatiale des modèles océaniques sur la

représentation de la convection profonde en Méditerranée nord- occidentale et impact de la convection sur la circulation 83

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7.2 A case study : winter 1986-87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.3 Tools and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7.3.1 The eddy-permitting oceanic model (EPOM) : OPAMED . . .92

7.3.2 The eddy-resolving oceanic model (EROM) : SYMPHONIE .93

7.3.3 Atmospheric forcing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

7.4 Impact of the model resolution on the deep convection representation 97

7.4.1 Evolution of the water masses characteristics . . . . . .. . . . 97

7.4.2 Mixed layer depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.4.3 Geographic characteristics of the convection zone . .. . . . . 102

7.4.4 Mesoscale structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7.4.5 Energetic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.4.6 Buoyancy analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

7.4.7 Surface formation, storage, mixing and export of DW . .. . . 111

7.5 Effect of deep convection on the NWMS circulation . . . . . . . .. . 114

7.5.1 Effect of deep convection on the boundary circulation and the

overturning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.5.2 DW spreading during and after deep convection : role ofthe

boundary current and the mesoscale structures . . . . . . . . . 117

7.5.3 Restratification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

8 Influence de la résolution spatiale du forçage atmosphérique sur la

représentation numérique de la convection profonde 127

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8.2 Dynamical downscaling of the ERA40 reanalysis . . . . . . . . .. . . 132

8.2.1 The downscaling method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

8.2.2 Comparison of atmospheric datasets . . . . . . . . . . . . . . 133

8.3 Impact of atmospheric forcing resolution on deep convection modeling 134

8.3.1 The oceanic model : SYMPHONIE . . . . . . . . . . . . . . . 134

8.3.2 Time evolution of the convection event . . . . . . . . . . . . .135

8.3.3 Deep convection spatial characteristics . . . . . . . . . .. . . 135

8.3.4 Circulation during the convection event . . . . . . . . . . .. . 136

8.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

9 Impact de la variabilité atmosphérique interannuelle et du change-

ment climatique sur la formation et l"exportation d"eau dense sur le plateau du golfe du Lion139

9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

9.2 Tools and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

9.2.1 Modeling strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

9.2.2 The numerical eddy-resolving regional oceanic model. . . . . 150

9.2.3 Dense water criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7

TABLE DES MATIÈRES

9.3 Impact of interannual variability on the dense water formation and

transport under present-day climate conditions . . . . . . . . .. . . . 153

9.3.1 Formation of dense water over the shelf . . . . . . . . . . . . .155

9.3.2 Elimination of dense water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9.3.3 Export of dense water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

9.3.4 Comparison with available data . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

9.4 Impact of climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

9.5 Extrapolation to the whole present and future periods . .. . . . . . . 164

9.6 Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

9.6.1 Sensitivity test to the dense water criteria . . . . . . . .. . . 168

9.6.2 Sensitivity to the parameters of the regional oceanicmodel . . 169

9.6.3 Sensitivity to the water flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.6.4 Sensitivity test to the Atmospheric Regional Climate Model

(ARCM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

9.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

IV Modélisation de l"écosystème planctonique pélagique en Méditerranée nord-occidentale : cycle annuel, variabilité interannuelle et changement climatique 187

10 Cycle annuel de l"écosystème planctonique pélagique pendant l"an-

née de référence de la période actuelle 191

10.1 Evolution saisonnière de l"écosystème planctonique pélagique . . . . . 192

10.1.1 Les nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

10.1.2 Le phytoplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

10.1.3 Le zooplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

10.1.4 La matière organique dissoute (MOD) et particulaire(MOP) . 202

10.1.5 Les bactéries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.2 Les processus biogéochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 205

10.2.1 La production primaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

10.2.2 L"absorption d"azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

10.2.3 Fixation et rejet de dioxyde de carbone . . . . . . . . . . . .. 208

10.2.4 Exportation de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

10.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

11 Influence de la variabilité interannuelle atmosphérique et océanique

sur l"écosystème planctonique pélagique pour la période actuelle 231

11.1 Les caractéristiques hydrodynamiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . 232

11.2 Variabilité interannuelle de l"écosystème planctonique pélagique . . . 232

11.2.1 La disponibilité en nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . .235

11.2.2 Le phytoplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

11.2.3 La matière organique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

11.2.4 Le zooplancton et les bactéries . . . . . . . . . . . . . . . . . .240

11.3 Variabilité interannuelle des processus biogéochimiques . . . . . . . . 241

11.3.1 La production primaire brute (PPB) . . . . . . . . . . . . . . 241

11.3.2 L"absorption d"azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

11.3.3 La fixation et le rejet de CO

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

8

TABLE DES MATIÈRES

11.3.4 L"exportation de carbone organique vers le fond . . . .. . . . 247

11.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

12 Influence du changement climatique sur l"écosystème planctonique

pélagique249

12.1 Les caractéristiques hydrodynamiques . . . . . . . . . . . . .. . . . . 250

12.2 Influence du changement climatique sur l"évolution de l"écosystème

planctonique pélagique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

12.2.1 La disponibilité en nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . .250

12.2.2 Le phytoplancton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

12.2.3 La matière organique dissoute et particulaire . . . . .. . . . . 259

12.2.4 Le plancton hétérotrophe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

12.3 Influence du changement climatique sur les processus biogéochimiques 261

12.3.1 La production primaire brute . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

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