La modélisation couplée physique biogéochimie en Mer Méditerranée

La variabilité spatiale et temporelle de la Méditerranée ainsi que la complexité des processus biologiques et des interactions entre la dynamique et la biogéochimie nécessitent le recours à la modélisation couplée dans un plan tridimensionnel afin de pouvoir en définir au mieux les contours et de mettre en évidence les subtilités de ce système du point de vue de la biogéochimie. Les premiers modèles à avoir pris en compte ces aspects de couplage hydrodynamiquebiogéochimie ont eu une approche unidimensionnelle représentant la dynamique d’une colonne d’eau, généralement représentative d’un sous-bassin. L’exemple le plus connu est celui de la station DYFAMED (43.5°N ; 7.25°E), au large de la côte niçoise. La présence d’une station de mesures hydrométéorologique donnant les propriétés dynamique et hydrologique, ainsi que d’une station de prélèvements biologiques et biogéochimiques, a abouti à une expertise sur les propriétés planctoniques de la colonne d’eau. Toutes ces observations ont permis la mise en place et la validation de modèles. L’application de modèle 1D sur cette station est aussi liée au fait que cette dernière se trouve dans un environnement dit « pélagique », faiblement influencée par le courant nord et suffisamment à l’intérieur du gyre nord pour que l’advection horizontale y soit considérée faible. Les premiers modèles couplés 3D physique-biogéochimie pour le bassin méditerranéen ont été proposés par Crispi et al. (1998) et Crise et al. (1999). Ces derniers ont mis en évidence notamment la distribution hétérogène de la nitracline sur l’ensemble du bassin méditerranéen. Plus récemment Lazzari et al (2012) ont présenté une biorégionalisation du bassin en identifiant plusieurs régimes trophiques. Ils ont montré l’importance des processus physiques sur la dynamique phytoplanctonique dans les différentes biorégions. D’autre part, Macias et al. (2014) ont mis en lumière l’importance des processus biogéochimiques en subsurface, les structures de maximum de chlorophylle la modélisation couplée physique biogéochimie en Mer Méditerranée 40 profond étant présent dans 73% des régions profondes du bassin. D’après ces auteurs, 62% de la production primaire annuelle aurait lieu dans ces structures. D’autre part, plusieurs études (Tusseau et al. 1997 ; Lacroix and Nival, 1998 ; Lacroix and Grégoire, 2002) ont montré l’importance de la boucle microbienne pour une représentation correcte de la production primaire régénérée dont le rôle est prépondérant pendant la période stratifiée.

Les modèles couplés physique-biogéochimie

Notre étude a reposé sur deux modèles couplés physique-biogéochimie régionaux : NEMO-Eco3m-S et SYMPHONIE-Eco3m-S. Les champs physiques puis le modèle biogéochimique sont présentés dans les deux sous chapitres suivants 

Les champs physiques

Les champs physiques utilisés pour forcer en “mode offline” (soit la lecture en temps différé des champs physiques archivés dans des fichiers) la modélisation biogéochimique ont été calculés d’une part avec SYMPHONIE (modélisation à l’échelle du bassin occidental) et d’autre part avec NEMO (modélisation à l’échelle du bassin méditerranéen). Le modèle SYMPHONIE est développé par le laboratoire d’Aérologie et le modèle NEMO par le consortium européen du même nom (http://www.nemo- 41 ocean.eu/). Ces deux modèles calculent les équations primitives pour la quantité de mouvement, les traceurs physiques, le niveau de la mer et les variables de la fermeture turbulente sur une grille Arakawa type C à l’aide de méthodes numériques aux différences/volumes finis conservant les principaux invariants linéaires (masse, quantité de mouvement, chaleur et sel) et non linéaires (énergie mécanique). Les deux modèles font l’hypothèse de Boussinesq et d’équilibre hydrostatique. Les différences notables se situent principalement au niveau des choix de la coordonnée verticale et de certaines paramétrisations (la turbulence notamment). Le modèle SYMPHONIE utilise un système de coordonnée sigma (surfaces de calcul déformables, tangentes aux surfaces limites de fond et de surface) et le modèle NEMO utilise une grille géopotentielle (surfaces de calcul normales à la gravitation terrestre). Le modèle SYMHONIE paramétrise les effets de la turbulence sous-maille avec soit le schéma de Gaspar (1990) (majoritairement utilisée dans cette thèse) soit le schéma K-epsilon, alors que la version de NEMO mise en œuvre par MERCATOR sur la Méditerranée utilise le schéma de Blanke et Delecluse (1993). Le modèle SYMPHONIE est décrit en détail dans Marsaleix et al 2008, 2009, 2011, 2012 et le modèle NEMO dans Madec (2014). 4.2.2 Le modèle biogéochimique (Eco3m-S) 42 Figure 4.1: Représentation schématique du modèle Eco3m-S Eco3m-S est un modèle biogéochimique multi-nutriment et multi-boites décrivant la dynamique du plancton pélagique. Le modèle décrit l’évolution temporelle de 33 variables d’état déjà présentes dans la version décrite par Herrmann (2007) et Auger (2011) ainsi que d’une variable représentant l’oxygène dissous que nous avons ajouté durant ma thèse. Le modèle représente les cycles des éléments suivants : l’azote (N), le phosphore (P), le silicium (Si), le carbone (C) et l’oxygène dissous (O2d) et la chlorophylle (Chla). Le modèle est constitué des 8 compartiments suivants : la matière inorganique (ou sels nutritifs), le phytoplancton, le zooplancton, les bactéries, la matière organique dissoute, la matière organique particulaire et l’oxygène. Ce modèle est une version nouvellement calibrée et complétée de la version du modèle présentée par (Hermann et al. 2013 ; Auger et al. 2014). Les équations d’état sont présentées dans les sections suivantes.