Laboratoire d’Océanographie Physique et Biogéochimique

Thèse de Vincent FAURE

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Modélisation couplée physique-biogéochimique tridimensionnelle : étude de l’écosystème pélagique du lagon Sud-Ouest de Nouvelle-Calédonie

Thèse soutenue le 26 Septembre 2006

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Résumé

Le lagon Sud-Ouest de Nouvelle-Calédonie est un écosystème tropical oligotrophique soumis à des pressions anthropiques croissantes dans une zone quasiment fermée par le récif barrière, l’isolant en grande partie du large. L’objectif de ce travail était de développer, valider et utiliser un modèle tridimensionnel couplé dynamique physique-biogéochimique, afin de caractériser la dynamique spatio-temporelle des flux de matières organiques dans le lagon et d’étudier la réponse de l’écosystème sous différents scénarios. L’importance du bactérioplancton dans les environnements oligotrophiques nous a conduit à intégrer la boucle microbienne au modèle biogéochimique, sous la forme de nouvelles variables d’état représentant les bactéries hétérotrophes et la matière organique dissoute. Alors que dans un premier temps nous considérions l’azote comme seul élément limitant de la production bactérienne, les premiers résultats nous ont conduits à intégrer également une limitation par le carbone. Une comparaison des formulations possibles de la représentation de la Chlorophylle a dans notre modèle nous a conduit à insérer une variable spécifique induisant un rapport C:Chl.a variable, dont le calcul repose sur le quota N:C des cellules phytoplanctoniques. En outre, le couplage entre le modèle hydrodynamique et biogéochimique a été modifié afin qu’il soit dynamique, permettant d’effectuer des simulations réalistes prenant en compte la variabilité à court terme des conditions environnementales. La comparaison de mesures de terrain avec des sorties de simulations réalistes a montré que le modèle reproduit avec une bonne précision la Chl.a et la production bactérienne. Cependant, le modèle sous-estime un certain nombre de variables, dont les sels nutritifs. Cela nous a conduit à mettre en perspective les différents forçages s’exerçant sur l’écosystème pélagique du lagon, et mal évalués jusqu’à présent, dont l’importance de la composition des eaux aux frontières du domaine (Sud-Ouest du lagon, eaux de la Mer de Corail), l’importance du couplage bentho-pélagique, ou encore l’apport d’azote nouveau par la diazotrophie. L’étude des simulations réalistes, ainsi que des scénarios prédictifs, a permis de fournir des informations sur les caractéristiques spatiales et temporelles du lagon. En particulier, l’importance de l’hydrodynamisme, résultant des vents réguliers et soutenus, maintient l’état oligotrophique du lagon, et confine les perturbations anthropiques et terrigènes aux baies proches de la ville de Nouméa.

Abstract

3D coupled physical-biogeochemical modelling : study of the pelagic ecosystem of the South-West lagoon of New Caledonia

The South-West lagoon of New Caledonia is an oligotrophic tropical ecosystem under increasing anthropogenic pressure, in a zone mainly enclosed by a barrier reef, and thus separated from open ocean waters. The aim of this work was to develop, validate, and use a three-dimensional physical-biogeochemical coupled model, in order to characterize the spatio-temporal dynamics of organic matter fluxes in this area and to study the ecosystem response under different scenarios. As bacterioplankton processes are essential in oligotrophic environments, we introduced the microbial loop to the biogeochemical model, through the addition of new states variables representing heterotrophic bacteria and dissolved organic matter. Whereas in a first attempt we considered nitrogen as the only limiting element of bacterial production, preliminary results led us to include a limitation by carbon as well. A comparison between different formulations of Chlorophyll a in our model convinced us to add a specific variable permitting to simulate a variable C:Chl.a ratio, computed from the N:C quota of phytoplankton cells. Besides, the hydrodynamical and biogeochemical models were dynamically coupled, allowing to perform realistic simulations taking into account the short term variability of environmental conditions. Comparisons between field data and model outputs showed that the model reproduces Chl.a and bacterial production in a good accuracy. However, the model underestimations of several variables, particularly nutrients, led us to highlight the different forcings affecting the lagoon, and poorly assessed at present, including the importance of boundary waters composition (South-West part of the lagoon, open ocean water), the importance of bentho-pelagic coupling and inputs of new nitrogen by diazotrophy. The study of realistic simulations, as well as predictive scenarios, permitted to provide information on the spatial and temporal characteristics of the lagoon. In particular, the importance of hydrodynamics, induced by regular and strong winds, preserved the lagoon oligotrophic status, and confined terrestrial and anthropogenic perturbations in bays around Nouméa City.

Exemple de sortie de modèle : Distribution de la Chlorophylle a, en µg/l (le 22/07/03, 30ème jour d’une simulation réaliste)