Variabilité passée et changements futurs des fronts océaniques dans le canal du Mozambique et influence sur les écosystèmes marins

Past and future variability of ocean fronts in the Mozambique Channel and influence on marine ecosystems

• Auteur / Autrice : Floriane Sudre
• Direction : Vincent Rossi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Océanographie
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MIO - Institut Méditerranéen d'Océanographie, UM 110
• Jury : Président / Présidente : Anne Molcard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Rossi, Lionel Renault, Boris Dewitte, Michael Roberts, Marina Levy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lionel Renault, Michael Roberts

Mots clés

Mots clés libres

Mésoéchelle

Fronts océaniques

Tourbillons

Fine échelle

Océan indien

Canal du Mozambique

Mesoscale

Fine scale

Eddies

Ocean fronts

Indian Ocean

Mozambique Channel

Résumé

Les fronts sont des structures omniprésentes dans l'océan qui délimitent les transitions entre des eaux aux propriétés distinctes. Dans certains cas, les fronts peuvent être des acteurs majeurs de la variabilité climatique ainsi que des zones de biodiversité exceptionnelles, suscitant ainsi un grand intérêt interdisciplinaire. Les fronts de petite échelle, en particulier, qui durent de quelques jours à quelques semaines sur des échelles spatiales de dizaines à centaines de kilomètres, sont difficiles à étudier sur des échelles de temps multidécennales. Leur cycle de vie court et leur imprévisibilité les rendent difficiles à observer in situ, tandis que leur échelle spatiale fine implique des coûts importants en termes d'instruments et de calculs dans les études satellitaires et de modélisation. Le Canal du Mozambique (CM) est un laboratoire idéal pour étudier ces fronts de petite échelle en raison de sa turbulence et de sa biodiversité. Le CM est également de taille raisonnable, ce qui permet des analyses de modélisation multidécennales à haute résolution. Cette thèse a pour objectif d'évaluer la variabilité spatiale et temporelle des fronts dans le CM, ainsi que leur réponse au réchauffement climatique. Nous analysons tout d'abord des données de température issues de satellites et de models pour décrire la variabilité saisonnière des fronts thermiques dans le CM au cours des dernières décennies. Les fronts sont identifiés par un seuil, correspondant à 30% de la distribution des gradients thermiques dans le CM. Nous montrons que les gradients thermiques sont maximum sous la couche de mélange, suggérant qu'ils sont largement associés à des dynamiques de subsurface. Nous suggérons que leur variabilité saisonnière dans le CM est modulée par l'activité des tourbillons de mésoéchelles et des cellules d'upwelling régionales. Des tendances observationnelles montrent un changement significatif dans l'activité des tourbillons dans le CM dû au réchauffement climatique. Ainsi, et à la lumière des premiers résultats, nous émettons l'hypothèse qu'un réchauffement climatique entraînerait également des changements significatifs dans l'activité des fronts. Nous réalisons donc une expérience de downscaling dynamique à l'aide d'un modèle régional à haute résolution pour vérifier cette hypothèse. Nos résultats montrent que les activités des tourbillons et des fronts augmentent dans le nord du CM et diminuent au sud de 17°S. Les régions du CM les plus affectées par les projections de réchauffement climatique en termes de turbulence et de fronts chevauchent des habitats clés pour la mégafaune marine. Bien que plusieurs études aient démontré que les fronts de petite échelle jouent un rôle structurant dans les écosystèmes planctoniques, les interactions entre ces fronts et la mégafaune marine demeurent largement méconnues. Nous proposons donc une base de données de fronts issues d'observations satellitaires, pour l'étude des interactions entre la megafauna marine et les fronts dans le sud-ouest de l'Océan Indien. Cette base de données fournit deux diagnostics frontaux complémentaires : des gradients thermiques et des structures Lagrangiennes cohérentes convergentes. L'identification des fronts à partir de ces deux champs de données se fait à l'aide de seuils statistiques, qui sont inclus dans le dataset pour plusieurs écorégions. L'examen de la variabilité passée et future des fronts océaniques à petite échelle, présenté dans cette thèse, apporte des éléments clés pour la compréhension des ecosystems marins et des flux biogéochimiques à fine échelle dans le CM, encore à déterminer. Les conclusions de cette étude pourraient fournir des éléments supplémentaires en faveur de l'établissement de zones de conservation dans le CM intégrant les caractéristiques des fronts océaniques et adaptées aux projections climatiques.

Fronts are ubiquitous ocean structures delineating transitions between waters of distinct properties. Previous studies have shown how they can be major actors of climate variability as well as hotspots of biodiversity, thereby drawing a significant cross-disciplinary interest. Fine-scale fronts in particular, lasting for a few days to a few weeks over spatial scales of tens to hundreds of kilometers, are difficult to study on multidecadal timescales. Their short life-cycle and unpredictability makes them elusive to in-situ observations, while their fine spatial scale involves hefty instrumental and computational costs in satellite and modeling studies. The Mozambique Channel (MC) is an ideal laboratory to study those fine-scale fronts due to its energetic flow and rich biodiversity. The MC is also sensibly-sized which enables high-resolution multidecadal modeling analyses. This thesis thus aims to propose a description of where and when fronts are most frequent in the MC and how this variability responds to projected climate warming. We first analyze satellite and modelled sea temperature data to describe the seasonal variability of thermal fronts in the MC over the past decades and up to 1000 m. Thermal fronts are identified via statistical thresholding as the top 30% of the thermal gradient distribution in the MC. We show that horizontal thermal gradients peak below the surface mixed layer, suggesting that they are largely associated to dynamics of the ocean interior rather than to mixed-layer processes. We also find that front dynamics are regionally dependent, and we argue that the seasonal variability of thermal fronts in the MC is driven by both the mesoscale eddy activity and regional upwelling cells. Observational trends exhibit a significant change in the eddy activity within the MC in response to climate warming. Hence, and in light of the first results, we hypothesize that changes in eddy activity would result in significant changes in front activity as well. We thus perform a dynamical downscaling experiment using a high-resolution regional model to explore how eddy and front variability respond to projected warming in the MC. We find that both eddy and front activities are projected to increase in the northern MC and decrease south of 17°S, suggesting that the thermal fronts most affected by the warming perturbation are those forming on the edge of eddies. The regions of the MC most affected by the projected climate warming in turbulence and fronts overlap key habitats for marine megafauna. While several studies have shown that fine-scale fronts structure plankton ecosystems, little is known about their interactions with highly mobile marine megafauna. Investigating the relationship between marine megafauna and ocean fronts involves both high-resolution front maps and animal tracking data. To this end, we propose a ready-to-use and publicly-available high-resolution observational front dataset focused on the Southwest Indian Ocean. This dataset provides two complementary front diagnostics: thermal gradients (on a 1 km grid, over 2003-2020) and attracting Lagrangian Coherent Structures (on a 1.56 km grid, over 1994-2020). Fronts are then identified with statistical thresholds, which are included into the dataset for relevant ecoregions. The comprehensive examination of past and future variability of fine-scale ocean fronts presented in this thesis leads to significant implications for marine ecosystems and fine-scale biogeochemical fluxes within the MC, which are yet to be determined. The findings brought by this research can contribute to developing conservation areas that are both aware of ocean fronts and adaptive to climate changes.