Apport des planeurs sous-marins pour le suivi des processus hydro-sédimentaires de la zone côtière

Contribution of autonomous underwater gliders to monitor suspended particulates matter dynamics in the coastal zone

• Auteur / Autrice : Mathieu Gentil
• Direction : Xavier Durrieu de Madron, François Bourrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanologie
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Formation et de recherche sur les environnements méditerranéens (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Devenon, Pierre Garreau, Anne Petrenko, Frédéric Marin, Wolfgang Ludwig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Devenon, Pierre Garreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lion, Golfe du (France)

Dynamique hydro-sédimentaire

Mots clés libres

Planeur-Acoustique

Optique

Dynamique sédimentaire

Evénement extême

Golfe du Lion

Méditerranée

Acoustics-Glider

Optics

Sediment dynamics

Extreme events

Gulf of Lions

Mediterranean

Résumé

La dynamique de la matière en suspension joue un rôle majeur dans la qualité de l’eau, les flux de carbone et la dynamique des écosystèmes de l’océan côtier. Cependant, l’imbrication des échelles spatiales (du mètre à la centaine de kilomètres) et temporelles (de la seconde à plusieurs mois) des processus côtiers rend l’étude de la dynamique hydro-sédimentaire délicate, notamment lors d’événements extrêmes, comme les tempêtes et les crues. L’amélioration de notre capacité à comprendre, simuler et prévoir la dynamique des sédiments dans la zone côtière nécessite d’améliorer la résolution, l’étendue et la durée des mesures océanographiques. Dans ce contexte, l’apport des planeurs sous-marins autonomes est examiné, leur conception permettant d’observer sur des périodes longues et à fine échelle l’hydrologie et l’hydrodynamique d’une partie ou de l’ensemble du plateau continental. L’objectif de cette thèse est d’élaborer une chaîne de traitement et d’explorer la capacité d’un planeur nouvellement équipé d’un profileur de courant acoustique à effet Doppler pour l’étude des processus hydro-sédimentaires, en particulier lors d’événements extrêmes. La méthodologie utilisée se base sur une analyse combinatoire de données provenant de plateformes traditionnelles (mouillages, navires, satellites), de simulations numériques et de données acquises in situ à partir des planeurs, au travers d’expériences conduites au niveau du panache rhodanien (campagnes de 2016 et 2017) et sur le plateau continental du Golfe du Lion (2018). La thèse détaille le développement et la validation d’une chaîne de traitement permettant d’analyser simultanément les données hydrologiques et hydrodynamiques de planeurs sous-marins. Le code source libre de cette « boîte à outils » a été mis à disposition de la communauté sur la plateforme GitHub. La première expérience a permis de détailler (i) les structures hydrologiques et hydrodynamiques à fine échelle de la région sous influence du panache du Rhône, (ii) l’apport des mesures acoustiques et optiques pour différentier les populations granulométriques (fines vs. agrégats) des particules en suspension, et enfin (iii) la complémentarité avec les données satellites de couleur de l’eau. La seconde expérience a permis d’observer la variabilité spatio-temporelle des courants et de la dynamique sédimentaire induits par une tempête d’est sur le plateau continental. Couplée à la modélisation numérique, elle a mis en évidence le rôle des vagues sur la resuspension au niveau du plateau externe, et permis de caractériser les trajectoires et l’étendue du transport particulaire durant cet événement énergétique. Ces résultats démontrent clairement l’intérêt des planeurs équipés de capteurs optiques et acoustiques pour le suivi des courants et de la turbidité dans la zone côtière sur des périodes de plusieurs semaines à plusieurs mois, essentiels pour capter des événements épisodiques de crues et tempêtes, principaux moteurs de la dynamique sédimentaire.

The dynamics of suspended particulate matter play a major role in water quality, carbon fluxes and ecosystem dynamics in the coastal ocean. However, the interlocking spatial (from meters to hundreds of kilometers) and temporal (from seconds to months) scales of coastal processes make the study of hydro-sedimentary dynamics challenging, especially during extreme events such as storms and floods. Improving our ability to understand, simulate and predict sediment dynamics in the coastal zone requires improving the resolution, extent and duration of oceanographic measurements. In this context, the contribution of autonomous underwater gliders, which allow the observation of fine-scale hydrology and hydrodynamics over part or all of the continental shelf, and over long periods of time, is investigated. The objective of this thesis is to develop the processing chain and to explore the capability of a glider newly equipped with an acoustic Doppler current profiler to study hydro-sedimentary processes, particularly during extreme events. The methodology used is based on a combined analysis of data from traditional platforms (moorings, ships, satellites), numerical simulations and data acquired in situ from gliders, through experiments conducted in the Rhone plume (2016 and 2017 campaigns) and on the continental shelf of the Gulf of Lion (2018). The thesis details the development and validation of a processing chain allowing the simultaneous analysis of hydrological and hydrodynamic data from underwater gliders. This open-source code of this “toolbox” was made available to the community on the GitHub platform. The first experiment detailed (i) the fine-scale hydrological and hydrodynamic structures of the region under the influence of the Rhone plume, (ii) the contribution of acoustic and optical measurements to differentiate the granulometric populations (fine vs. aggregates) of suspended particles, and (iii) the complementarity with satellite ocean colour data. The second experiment observed the spatiotemporal variability of currents and sediment dynamics induced by a strong easterly storm on the continental shelf. Coupled with numerical modeling, it highlighted the role of waves on resuspension on the outer shelf and made it possible to characterize the trajectories and extent of particle transport during this energetic event. The results clearly demonstrate the interest of gliders equipped with optical and acoustic sensors for monitoring currents and turbidity in the coastal zone over periods of several weeks to several months, essential for capturing episodic flood and storm events, the main drivers of sediment dynamics.