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DEVELOPPEMENT D’UN ALGORITHME DE
DETECTION DES GROUPES DE PHYTOPLANCTON
DOMINANTS A L’ECHELLE GLOBAL
La méthode PHYSAT
La méthode PHYSAT est décrite schématiquement sur la figure 4.1.1. Elle repose sur les différents critères établis dans le chapitre précédent et permet d’obtenir des cartes de groupes dominants de phytoplancton à partir de données SeaWiFS. Ainsi, les critères de validité et de caractérisation des spectres de nLw* définis au chapitre précédent ont été utilisés pour traiter les données SeaWiFS de niveau 3, pour l’année 2001 et à une résolution de 9 Km. Ces données sont disponibles facilement depuis le site web de la NASA/GSFC/DAAC ( http://oceancolor.gsfc.nasa.gov ) . La première étape du traitement des données journalières consiste à écarter tous les pixels de ciel clair dont l’épaisseur optique en aérosols est supérieure à 0.15 ou dont la chlorophylle a est plus petite que 0.04 mg.m-3 ou plus grande que 3 mg.m-3. Pour chaque pixel restant, les luminances spécifiques nLw* sont calculées selon l’équation 3.1.1. Les critères définis à la table 3.2.1 sont alors utilisés pour identifier, si possible, le groupe de phytoplancton dominant correspondant à chaque pixel. Les pixels dont le spectre de nLw* ne correspondant à aucun des groupes dominants sont considérés comme étant valides, mais sont associés à un groupe supplémentaire appelé « assemblages de phytoplancton non identifiés ». En supposant que la variabilité des groupes de phytoplancton dominants est suffisamment faible dans le temps, les cartes journalières SeaWiFS à une résolution de 9km ont été rééchantillonées (un pixel retenu sur quatre et une ligne sur quatre) pour obtenir des cartes au quart de degré, plus facilement stockables et utilisables (15 fois moins volumineuses en termes d’espace disque, par exemple). Ces cartes peuvent également par la suite être utilisées pour réaliser des cartes mensuelles au degré. Pour cela chaque « boîte » de 1° par 1° se voit associée le groupe le plus fréquent et détecté pour au moins 50% des pixels valides, sur l’ensemble des pixels au quart de degré inclus dans la « boîte ». Lorsque aucun groupe ne domine ou que les pixels « assemblages de phytoplancton non identifiés » sont majoritaires, la « boîte » au degré est associée à aucun groupe dominant. L’hypothèse selon laquelle un groupe de phytoplancton peut être associé à une boîte de 1° par 1°, pour une période mensuelle, n’est évidemment pas valable dans le cas de floraisons rapides ou de régions frontales très dynamiques, mais ceci reste limité à de petites zones et n’influence pas les résultats globaux. L’influence du changement de résolution, du kilomètre à un quart de degré ou au degré, a cependant été analysé plus en détail et les résultats sont disponibles en annexe. La figure 4.1.2 montre le résultat du traitement PHYSAT pour la seule journée du 30 Décembre 2001, et les cartes de concentration en chlorophylle a et d’épaisseur optique associées. On observe alors qu’une proportion assez élevée de pixels (58% pour ce jour) est directement labellisée par PHYSAT en termes de groupes dominants. Dès ce premier test, on observe des structures de couleurs uniformes dans les régions où les critères de qualité des données SeaWiFS sont remplis. Cela semble indiquer que la méthode PHYSAT, élaborée à l’aide de données extraites le long du trajet GeP&CO, permet de labelliser une grande partie des régions océaniques du globe. Ce résultat a marqué le début d’une nouvelle partie de cette thèse, en rendant possible le traitement de l’ensemble des données SeaWiFS en vue d’observer les groupes phytoplanctoniques dominants.
Premiers résultats globaux pour l’année 2001
La figure 4.2.1 montre les cartes mensuelles de 2001, au quart de degré, des synthèses PHYSAT. Ces résultats globaux montrent de larges structures persistantes, caractérisées au premier abord par une dominance des Prochlorococcus et des cyanobactéries dans les eaux oligotrophes tropicales alors que les haptophytes et les diatomées sont dominants dans les eaux plus riches des hautes et moyennes latitudes. D’une manière générale, on observe que le cycle saisonnier est nettement marqué dans les hautes latitudes où les haptophytes dominent en hiver et où de larges régions de floraisons de diatomées apparaissent en été. L’extension de ces floraisons de diatomées est particulièrement importante dans l’Océan Austral au mois de Janvier. Quelques régions, comme le nord de l’Océan Indien et l’Atlantique équatorial, sont souvent associées à des pixels non classés en raison de la présence presque permanente d’épaisseurs optiques fortes. Par contre, de larges zones de pixels « non identifiés » dans l’Océan Austral sont certainement dues à la présence de groupes dominants non échantillonnés lors des campagnes GeP&CO, comme les Phaeocystis. Cette hypothèse sera abordée plus en détail dans la suite de ce chapitre. En dehors de ces zones particulières, les pixels « non identifiés » sont assez rares à l’échelle du mois. Cela montre que les données SeaWiFS, extraites le long du trajet des campagnes GeP&CO, prennent bien en compte la majorité de la variabilité des nLw* à l’échelle mondiale. Notons que si le résultat du 3.2.3 recommande la prudence concernant la distinction des groupes SLC et Prochlorococcus, on observe tout de même sur la figure 4.2.1 des structures bien définies pour chacun de ces deux groupes. Cela tend donc à montrer qu’il existe bien un signal spécifique pour chaque groupe, que l’on retrouve sous la forme de structures cohérentes. Parallèlement certains pixels peuvent, dans certains cas, être associés à un mélange de ces deux groupes, ce qui explique peut-être les quelques pixels « isolés » que l’on retrouve sur les cartes mensuelles. Notons également que les comparaisons des résultats PHYSAT avec les cartes standard de chlorophylle a SeaWiFS (Figure 4.2.2) montrent que les fortes valeurs de chlorophylle a sont majoritairement associées à la présence de diatomées, comme attendu, ou d’haptophytes. Cependant, il n’y a pas de corrélation forte visible entre les groupes de phytoplancton dominants et les cartes de concentrations en chlorophylle a. Notons que les cartes PHYSAT mensuelles de la figure 4.2.2 sont présentées au degré de résolution. On observe ainsi que cette façon de présenter les observations PHYSAT donne des cartes plus homogènes visuellement. La figure 4.2.3 confirme que de larges plages de valeurs de chlorophylle a peuvent être associées à chaque groupe de phytoplancton. Cela montre que la chlorophylle a, seule, n’est pas suffisante pour identifier les assemblages de phytoplancton même si quelques relations entre chlorophylle a et groupe dominant peuvent être trouvées : les diatomées sont toujours associées à des valeurs fortes de chlorophylle a alors que les très faibles concentrations (<0.07 mg.m-3) sont associées au Prochlorococcus. Par contre, pour les concentrations en chlorophylle a entre 0.1 et 0.4 mg.m-3, qui représentent la majorité de l’océan global (voir figure 4.2.2), chaque groupe de phytoplancton dominant peut être trouvé avec une contribution équivalente. Étant donné que PHYSAT à été développé à partir de 15% des mesures GeP&CO, il est possible d’utiliser le reste de la base de données pour une étude plus générale de validation des cartes présentées sur la figure 4.2.1 . Cette analyse montre que la distribution des groupes de phytoplancton le long du trajet « Le Havre – New York » est en accord avec les eaux relativement riches dominées par les haptophytes en janvier et les diatomées au printemps. De même, sur le trajet entre « Panama » et « Tahiti », Dandonneau et al. 2004 montre que les Prochlorococcus et les cyanobactéries sont les groupes dominants tout au long de l’année ce qui est également en accord avec les cartes PHYSAT mensuelles. De façon générale, les résultats obtenus pour l’année 2001 par PHYSAT sont en accords avec les résultats de Dandonneau et al. 2004, résumés au chapitre 2 de ce manuscrit.
Significations des régions non labellisées
La variabilité du phytoplancton marin, à l’échelle globale, ne se résume bien évidemment pas aux quatre groupes détectés par PHYSAT. Par exemple les cryptophytes, chrysophytes et chlorophytes ne sont pas considérés par la méthode PHYSAT, tout comme certains groupes connus pour leur rôle particulier dans la biochimie marine, comme les fixateurs d’azote « trichodesmium » ou de carbonate de calcium, les coccolithophoridés. Cela est en partie dû aux spécificités des campagnes GeP&CO. En effet, si ces campagnes ont échantillonné une large couverture saisonnière et une grande variété de types d’eau, elles n’ont pas rencontré de floraisons de trichodesmium ou de coccolithophoridés, ne permettant donc pas par la suite d’identifier les spectres éventuels de ces groupes. De plus, lors de l’élaboration de la méthode PHYSAT, les pigments caroténoïdes comme l’alloxanthine et la prasinoxanthine, marqueurs des groupes chryptophytes et prasinophytes, n’ont pas pu être pris en compte car ils sont souvent présents seulement à l’état de trace ce qui augmente le risque d’erreurs dans la mesure. Comme évoqué dans la section précèdente, PHYSAT ne parvient pas à labelliser certaines zones, en particulier dans l’Océan Austral. La forme de ces « patchs », leur persistance et leur saisonnalité laisse penser qu’ils pourraient être le lieu d’apparition de groupes aux propriétés optiques particulières, comme par exemple des floraisons de phaeocystis ou de coccolithophoridés, non rencontrés pendant les campagnes GeP&CO. Cette hypothèse doit bien sûr être validée. PHYSAT, tel que défini jusqu’ici, à l’aide des inventaires de pigments, ne représente pas de façon exhaustive l’ensemble des groupes dominants les eaux du globe. Il est donc intéressant à ce stade de se pencher sur les zones non labellisées en partant à la recherche d’éventuels autres groupes. En l’absence de mesures in-situ systématiques, j’ai adopté une approche empirique basé sur l’étude des spectres de nLw* dans chacune de ces zones pour tenter de trouver une correspondance avec ce que l’on sait de la distribution géographique des groupes non échantillonnés pendant GeP&CO.
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