Étude de la variabilité des écosystèmes planctoniques et des cycles biogéochimiques dans le bassin Levantin : modélisation 3D couplée hydrodynamique-biogéochimique

Study of the variability of planktonic ecosystems and biogeochemical cycles in the Levantine basin by 3D coupled hydrodynamic-biogeochemical modeling

• Auteur / Autrice : Joelle Habib
• Direction : Claude Estournel, Milad Fakhri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Dadou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Ulses, Abed El Rahman Hassoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Zakardjian, Marilaure Grégoire, Thierry Moutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Teneur en oxygène

Phytoplancton marin

Bassin Levantin (mer Méditerranée)

Modèles mathématiques

Cycles biogéochimiques

Mots clés libres

Mer Méditerranée

Modélisation couplée

Oxygène dissous

Bassin Levantin

Carbone organique

Zone de convection

Mediterranean sea

Coupled modeling

Dissolved oxygen

Levantine basin

Organic Carbon

Convection zone

Résumé

La Méditerranée est une mer oligotrophe dont la dynamique est en partie forcée par des formations d'eau denses. Les Eaux Intermédiaires Levantines, formées principalement dans le Gyre de Rhodes, un gyre cyclonique persistant dans l'est de la Méditerranée, jouent un rôle clé dans la circulation thermohaline de l'ensemble des bassins est et ouest. Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre du projet PERLE (Pelagic Ecosystem Response to deep water formation in the Levant Experiment), vise à étudier la variabilité des cycles biogéochimiques et de l'écosystème pélagique dans le Bassin Levantin sur une période pluriannuelle à l'aide d’une approche de modélisation haute résolution 3D couplée. Pour cela, un modèle 3D couplé hydrodynamique-biogéochimique, SYMPHONIE-Eco3M-S, a été mis en place au niveau de la mer Méditerranée et pour la période entre 2011-2020. Il a été calibré et évalué à l'aide d'observations de campagnes, de satellites et de flotteurs BGC-Argo. L'évaluation du modèle montre qu'il reproduit assez bien les principales variabilités spatiales et temporelles observées. En se basant sur le modèle couplé, nous avons d'abord étudié la dynamique du carbone organique dans le Gyre de Rhodes. À l'échelle annuelle, le Gyre de Rhodes agit comme un écosystème autotrophe et une source de carbone organique pour les zones environnantes. La rigueur de l’hiver influence fortement le fonctionnement de l'écosystème phytoplanctonique et la variabilité de la dynamique du carbone organique de la zone : les années caractérisées par une forte perte de chaleur à la surface de la mer et un mélange profond montrent dans la couche supérieure une intensification de l’apport en nutriments des couches plus profondes, de la croissance du phytoplancton et des exportations de carbone organique vers des profondeurs intermédiaires et la zone environnante du Bassin Levantin. Ensuite, le modèle couplé a été utilisé pour quantifier la contribution des flux air-mer, des processus biologiques et des flux d'échange avec les mers voisines dans la variabilité de la dynamique de l'oxygène dissous dans le Bassin Levantin, et, à une échelle inférieure, le gyre de Rhodes. La Mer Levantine agit comme un puits d'oxygène pour l'atmosphère, avec des taux d'absorption maximaux dans le Gyre de Rhodes pendant l'hiver. La couche supérieure du Bassin Levantin s'est avérée être une source d'oxygène pour la couche intermédiaire et la mer Égée.

The Mediterranean is an oligotrophic sea where dynamics is driven in part by dense water formations. Levantine Intermediate Water (LIW), formed mostly in the Rhodes Gyre, a persistent cyclonic circulation in the eastern Mediterranean Sea, plays a key role in the thermohaline circulation of the entire eastern and western basins. This Ph.D. thesis work, carried out as part of the PERLE (Pelagic Ecosystem Response to deep water formation in the Levant Experiment) project, aims to study the variability of the biogeochemical cycles and pelagic ecosystem in the Levantine Basin, and in particular in response to the LIW formation, over a multi-annual period, using a high-resolution 3D coupled modeling approach. For that purpose, a 3D coupled hydrodynamic-biogeochemical model, SYMPHONIE-Eco3M-S, was implemented over the Mediterranean Sea and the period from 2011 to 2020. It was calibrated and assessed using cruises, satellite, and BGC-Argo float observations. The assessment of the model shows that it reproduces reasonably well the main spatial and temporal variability observed. Based on the coupled model, first we investigate organic carbon dynamics in the Rhodes Gyre. On an annual scale, the Rhodes Gyre acts as an autotrophic ecosystem and a source of organic carbon for the surrounding areas. Winter severity markedly influences the phytoplankton ecosystem functioning and organic carbon variability of the area: years characterized by strong heat loss at the sea surface and deep mixing show in the upper layer enhanced nutrient supply, phytoplankton growth, and exports of organic carbon towards intermediate depths and the surrounding Levantine Basin. Second, the coupled model was used to quantify the contribution of air-sea flux, biological processes, and exchange fluxes with the neighboring seas in the variability of the dissolved oxygen dynamics in the Levantine Basin, and at a lower scale, the Rhodes Gyre. The Levantine acts as an oxygen sink for the atmosphere, with maximum rates of uptake in the Rhodes Gyre during winter. The upper layer of the Levantine Basin was found to be a source of oxygen for the intermediate layer and the Aegean Sea.