Étude couplage circulation-production planctonique à méso-échelle dans le golfe du Saint-Laurent (Canada) via une approche par modélisation tridimentionnelle

La circulation à méso-échelle joue un rôle majeur sur la distribution, la structure et la productivité des écosystèmes planctoniques tant en milieu ouvert que côtier. Le golfe du Saint-Laurent est une mer côtière sub-arctique qui est caractérisée par des conditions hydrodynamiques hautement variables. Des processus à méso-échelle tels que des fronts, des tourbillons, des méandres et des résurgences côtières y génèrent une hétérogénéité spatiale de la productivité marine. Améliorer notre compréhension des liens entre la biologie et l'environnement physique est donc nécessaire afin d'évaluer les effets de la variabilité du climat sur la production planctonique du golfe. Dans cette optique, l'objectif général de la thèse était d'étudier l'influence de la circulation à méso-échelle sur la dynamique de la production planctonique du golfe du Saint- Laurent. A cette fm, un modèle tridimensionnel (3-D) haute résolution couplé physiquebiologie a été développé pour la première fois pour les eaux du Saint-Laurent. Le modèle d'écosystème planctonique est modérément complexe et prend en considération la compétition entre les chaînes trophiques herbivore et microbienne, caractéristiques du cycle de production planctonique du golfe. Le modèle biologique est couplé à un modèle prognostique couplé circulation-glace de mer gouverné par des forçages océaniques, atmosphériques et hydrologiques réalistes. Afin de répondre à l'objectif général, trois objectifs spécifiques ont été fixés. Le premier objectif spécifique (chapitre II) consistait à vérifier la robustesse écologique du modèle couplé physique-biologie à l'échelle régionale et à décrire qualitativement et quantitativement la variabilité sous-régionale du cycle saisonnier planctonique en réponse aux régimes hydrodynamiques variés qui caractérisent le système. Un cycle planctonique cohérent avec les observations rapportées dans le golfe a été produit par le modèle : (1) une floraison printanière dominée par le phytoplancton de grande taille, (2) la formation en été d'un maximum profond de chlorophylle a et une production primaire principalement régénérée, et (3) une augmentation de la proportion de la production nouvelle associée aux apports de nitrate dus au mélange automnal. La dynamique de la glace de mer est responsable de la variabilité sous-régionale du déclenchement de la floraison de printemps. Les champs de nitrate et de chlorophylle a simulés ont été validés avec succès à partir de mesures in situ coïncidentes dans le temps et l'espace obtenues dans le cadre du Programme de Monitorage Zonal Atlantique (PMZA). Le modèle a également mis en évidence le rôle majeur de l'activité à méso-échelle sur la production primaire annuelle qui montre une forte hétérogénéité spatiale (40-150 g C m-2 an-I). TI est apparu clairement que le golfe ne pouvait être considéré comme un système homogène. L'intensité de la floraison printanière étant similaire entre les sous-régions du GSL, la variabilité spatiale de la production primaire annuelle est due à des différences dans la production estivale associées à des conditions hydrodynamiques différentes. Le modèle a mis en lumière des zones de plus forte production associées à une plus forte activité de la chaîne trophique herbivore. Ce résultat suggère qu'en dehors de la période de floraison printanière, la production primaire soit localement du même ordre de grandeur que durant le printemps. En ce sens, la variabilité synoptique se compare en importance à la variabilité saisonnière. Compte tenu de la limitation imposée par les observations in situ en terme de validation spatiale, le second objectif spécifique (chapitre ID) visait à valider les solutions du modèle couplé à l'échelle régionale et synoptique à l'aide de données satellites de température de surface (AVHRR) et de couleur de l'eau (SeaWIFS). Une bonne correspondance qualitative et quantitative a été observée entre les valeurs de température de surface simulées et dérivées du radiomètre A VHRR. Une relation inversement linéaire reliant l'atténuation de la lumière due au matériel non-chlorophyllien à la salinité du modèle a été incorporée à la formulation du champ de lumière permettant ainsi de simuler explicitement la turbidité. La comparaison des valeurs de chlorophylle a simulées et dérivées des mesures du senseur Sea WIFS avec les valeurs mesurées in situ coïncidentes dans le temps et l'espace a révélé une surestimation substantielle par le senseur dans les eaux estuariennes, suggérant une contamination de ces valeurs par des composés optiques actifs (principalement de la matière organique colorée) présents dans l'eau. En revanche, les patrons spatiaux dérivés du senseur Sea WIFS ont montré une bonne correspondance avec les champs simulés de turbidité et ont ainsi permis de valider la variabilité saisonnière et synoptique de la circulation estuarienne. Au regard de ces résultats, il est apparu important de quantifier l'impact de la turbidité associée au panache estuarien sur la dynamique planctonique de l'estuaire et du golfe, constituant ainsi le troisième et dernier objectif spécifique de la thèse (chapitre IV). La nouvelle formulation reliant le coefficient d'atténuation diffuse due au matériel nonchlorophyllien à la salinité du modèle a permis de mieux simuler le déclenchement de la floraison printanière dans l'estuaire, où l'influence de l'écoulement des eaux douces est la plus marquée. De plus, les concentrations de nitrate simulées ont montré un meilleur accord avec les mesures in situ à deux stations fIxes du nord-ouest du golfe fortement affectées par l'écoulement des eaux estuariennes. Les flux latéraux de nitrate dans la couche de surface ont été augmentés dans tout l'ouest du golfe pour se rapprocher des estimations rapportées dans la littérature, mais la production primaire dans les sous-régions influencées par le panache estuarien a été réduite, soulevant ainsi un paradoxe. En conclusion, le modèle 3-D couplé physique-biologie a mis en lumière une variabilité à méso-échelle importante dans le golfe du Saint-Laurent qui devrait faire l'objet d'une attention particulière dans une perspective de prédire et d'évaluer les effets des changements climatiques sur la productivité du système. Des améliorations devront être apportées au modèle dans son aspect biogéochimique, avec une emphase particulière concernant la modélisation de la dynamique du phytoplancton dans les eaux estuariennes plus turbides dont l'importance au niveau régional s'avère majeure

Analysis of riverine suspended particulate matter fluxes (Gulf of Lion, Mediterranean Sea) using a synergy of ocean color observations with a 3-D hydrodynamic sediment transport model

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On the role of tides and strong wind events in promoting summer primary production in the Barents Sea

Tides and wind-driven mixing play a major role in promoting post-bloom productivity in subarctic shelf seas. Whether this is also true in the high Arctic remains unknown. This question is particularly relevant in a context of increasing Arctic Ocean stratification in response to global climatic change. We have used a three-dimensional ocean-sea ice-plankton ecosystem model to assess the contribution of tides and strong wind events to summer (June–August 2001) primary production in the Barents Sea. Tides are responsible for 20% (60% locally) of the post-bloom primary production above Svalbard Bank and east of the Kola Peninsula. By contrast, more than 9% of the primary production is due to winds faster than 8ms−1 in the central Barents Sea. Locally, this contribution reaches 25%. In the marginal ice zone, both tides and wind events have only a limited effect on primary production (<2%). Removing tides or winds faster than 8ms−1 promotes a regime more sustained by regenerated production with a f-ratio (i.e. the proportion of nitrate-based “new” primary production in the total primary production) that decreases by up to 26% (east of the Kola Peninsula) or 35% (central Barents Sea), respectively. When integrated over all Barents Sea sub-regions, tides and strong wind events account, respectively, for 6.8% (1.55TgC; 1TgC=1012gC) and 4.1% (0.93TgC) of the post-bloom primary production (22.6TgC). To put this in context, this contribution to summer primary production is equivalent to the spring bloom integrated over the Svalbard area. Tides and winds are significant drivers of summer plankton productivity in the Barents Se

Estimation of primary production in the Arctic Ocean using ocean colour remote sensing and coupled physical-biological models: strengths, limitations and how they compare

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Modeling the timing of spring phytoplankton bloom and biological production of the Gulf of St. Lawrence (Canada): Effects of colored dissolved organic matter and temperature

International audienceThe effects of colored dissolved organic matter (CDOM) from freshwater runoff and seasonal cycle of temperature on the dynamic of phytoplankton and zooplankton biomass and production in the Gulf of St. Lawrence (GSL) are studied using a 3-D coupled physical-plankton ecosystem model. Three simulations are conducted: (1) the reference simulation based on Le Fouest et al. (2005), in which light attenuation by CDOM is not considered and maximum growth rate (μmaxμmax) of phytoplankton and zooplankton are not temperature-dependent (REF simulation); (2) light attenuation by CDOM is added to REF simulation (CDOM simulation); and (3) in addition to CDOM, the μmaxμmax of phytoplankton and zooplankton are regulated by temperature (CDOM+TEMP simulation). CDOM simulation shows that CDOM substantially reduces phytoplankton biomass and production in the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE), but slightly reduces overall primary production in the GSL. In the LSLE, the spring phytoplankton bloom is delayed from mid-March to mid-April, resulted from light attenuation by CDOM. The CDOM+TEMP simulation shows that the spring phytoplankton bloom in the LSLE is further delayed to July, which is more consistent with observations. Annual primary production is reduced by 33% in CDOM+TEMP simulation from REF and CDOM simulations. Zooplankton production is the same in all three simulations, and export of organic matter to depth is reduced in CDOM+TEMP simulation, suggesting that temperature controlled growth of phytoplankton and zooplankton enhances the coupling between primary production and zooplankton production under the seasonal temperature cycle of the GSL

Mapping the Intertidal Microphytobenthos Gross Primary Production, Part II: Merging Remote Sensing and Physical-Biological Coupled Modeling

Microphytobenthos (MPB) at the sediment surface of intertidal mudflats are known to show a high spatial and temporal variability in response to the biotic and abiotic conditions prevailing at the mud surface. It makes long-term and large-scale monitoring of MPB Gross Primary Production (GPP) difficult to set up. In this study, we developed the first 3D physical-biological coupled model (MARS-3D) that explicitly simulates GPP of intertidal MPB at the mudflat scale, and we compared the outputs with in situ and space remote sensing MPB GPP data. We discuss the sources of discrepancies between the modeling and the remote sensing approach in the light of future developments to be done. For instance, the remote sensing algorithm provides a very synoptic view of the mudflat GPP. It is well-suited to achieve diagnostic estimates of MPB GPP at the synoptic spatial and temporal scale. By contrast, the MARS-3D model provides a more dynamic representation of the MPB activity and prognostic estimates of MPB GPP over the mudflat. It is very relevant to resolve the seasonal and inter-annual dynamics of MPB. Getting comparable GPP estimates derived from the remote sensing algorithm and 3D physical-biological coupled model will further require a better convergence in terms of equations structure, biological constants parameterization, and source data used (i.e., vegetation index vs. chlorophyll a). Setting a common parameterization in both the numerical model and remote sensing algorithm might be challenging in a perspective of mapping MPB PP over large mudflats from a synoptic to inter-annual time scale, but it could open the door to a new way of quantifying MPB GPP over large intertidal mudflats

On biotic and abiotic drivers of the microphytobenthos seasonal cycle in a temperate intertidal mudflat: a modelling study

Microphytobenthos (MPB) from intertidal mudflats are key primary producers at the land–ocean interface. MPB can be more productive than phytoplankton and sustain both benthic and pelagic higher trophic levels. The objective of this study is to assess the contribution of light, mud temperature, and gastropod Peringia ulvae grazing pressure in shaping the seasonal MPB dynamics on the Brouage mudflat (NW France). We use a physical–biological coupled model applied to the sediment first centimetre for the year 2008. The simulated data compare to observations, including time-coincident remotely sensed and in situ data. The model suggests an MPB annual cycle characterised by a main spring bloom, a biomass depression in summer, and a moderate fall bloom. In early spring, simulated photosynthetic rates are high due to mud surface temperature (MST) values close to the MPB temperature optimum for photosynthesis and because increasing solar irradiance triggers the onset of the MPB spring bloom. Simulated peaks of high P. ulvae grazing (11 days during which ingestion rates exceed the primary production rate) mostly contribute to the decline of the MPB bloom along with the temperature limitation for MPB growth. In late spring–summer, the MPB biomass depression is due to the combined effect of thermo-inhibition and a moderate but sustained grazing pressure. The model ability to infer biotic and abiotic mechanisms driving the seasonal MPB dynamics could open the door to a new assessment of the export flux of biogenic matter from the coast to the open ocean and, more generally, of the contribution of productive intertidal biofilms to the coastal carbon cycle

Mapping the Intertidal Microphytobenthos Gross Primary Production Part I: Coupling Multispectral Remote Sensing and Physical Modeling

International audienceThe gross primary production (GPP) of intertidal mudflat microphytobenthos supports important ecosystem services such as shoreline stabilization and food production, and it contributes to blue carbon. However, monitoring microphytobenthos GPP over a long-term and large spatial scale is rendered difficult by its high temporal and spatial variability. To overcome this issue, we developed an algorithm to map microphytobenthos GPP in which the following are coupled: (i) NDVI maps derived from high spatial resolution satellite images (SPOT6 or Pléiades), estimating the horizontal distribution of the microphytobenthos biomass; (ii) emersion time, photosynthetically active radiation (PAR), and mud surface temperature simulated from the physical model MARS-3D; (iii) photophysiological parameters retrieved from Production-irradiance (P-E) curves, obtained under controlled conditions of PAR and temperature, using benthic chambers, and expressing the production rate into mg C h −1 m −2 ndvi −1. The productivity was directly calibrated to NDVI to be consistent with remote-sensing measurements of microphytobenthos biomass and was spatially upscaled using satellite-derived NDVI maps acquired at different seasons. The remotely sensed microphytobenthos GPP reasonably compared with in situ GPP measurements. It was highest in March with a daily production reaching 50.2 mg C m −2 d −1 , and lowest in July with a daily production of 22.3 mg C m −2 d −1. Our remote sensing algorithm is a new step in the perspective of mapping microphytobenthos GPP over large mudflats to estimate its actual contribution to ecosystem functions, including blue carbon, from local and global scales