Étude couplage circulation-production planctonique à méso-échelle dans le golfe du Saint-Laurent (Canada) via une approche par modélisation tridimentionnelle

La circulation à méso-échelle joue un rôle majeur sur la distribution, la structure et la productivité des écosystèmes planctoniques tant en milieu ouvert que côtier. Le golfe du Saint-Laurent est une mer côtière sub-arctique qui est caractérisée par des conditions hydrodynamiques hautement variables. Des processus à méso-échelle tels que des fronts, des tourbillons, des méandres et des résurgences côtières y génèrent une hétérogénéité spatiale de la productivité marine. Améliorer notre compréhension des liens entre la biologie et l'environnement physique est donc nécessaire afin d'évaluer les effets de la variabilité du climat sur la production planctonique du golfe. Dans cette optique, l'objectif général de la thèse était d'étudier l'influence de la circulation à méso-échelle sur la dynamique de la production planctonique du golfe du Saint- Laurent. A cette fin, un modèle tridimensionnel (3-D) haute résolution couplé physique-biologie a été développé pour la première fois pour les eaux du Saint-Laurent. Le modèle d'écosystème planctonique est modérément complexe et prend en considération la compétition entre les chaînes trophiques herbivore et microbienne, caractéristiques du cycle de production planctonique du golfe. Le modèle biologique est couplé à un modèle prognostique couplé circulation-glace de mer gouverné par des forçages océaniques, atmosphériques et hydrologiques réalistes. Afin de répondre à l'objectif général, trois objectifs spécifiques ont été fixés. Le premier objectif spécifique (chapitre II) consistait à vérifier la robustesse écologique du modèle couplé physique-biologie à l'échelle régionale et à décrire qualitativement et quantitativement la variabilité sous-régionale du cycle saisonnier planctonique en réponse aux régimes hydrodynamiques variés qui caractérisent le système. Un cycle planctonique cohérent avec les observations rapportées dans le golfe a été produit par le modèle : (1) une floraison printanière dominée par le phytoplancton de grande taille, (2) la formation en été d'un maximum profond de chlorophylle a et une production primaire principalement régénérée, et (3) une augmentation de la proportion de la production nouvelle associée aux apports de nitrate dus au mélange automnal. La dynamique de la glace de mer est responsable de la variabilité sous-régionale du déclenchement de la floraison de printemps. Les champs de nitrate et de chlorophylle a simulés ont été validés avec succès à partir de mesures in situ coïncidentes dans le temps et l'espace obtenues dans le cadre du Programme de Monitorage Zonal Atlantique (PMZA). Le modèle a également mis en évidence le rôle majeur de l'activité à méso-échelle sur la production primaire annuelle qui montre une forte hétérogénéité spatiale (40-150 g C m⁻² an⁻¹). TI est apparu clairement que le golfe ne pouvait être considéré comme un système homogène. L'intensité de la floraison printanière étant similaire entre les sous-régions du GSL, la variabilité spatiale de la production primaire annuelle est due à des différences dans la production estivale associées à des conditions hydrodynamiques différentes. Le modèle a mis en lumière des zones de plus forte production associées à une plus forte activité de la chaîne trophique herbivore. Ce résultat suggère qu'en dehors de la période de floraison printanière, la production primaire soit localement du même ordre de grandeur que durant le printemps. En ce sens, la variabilité synoptique se compare en importance à la variabilité saisonnière. Compte tenu de la limitation imposée par les observations in situ en terme de validation spatiale, le second objectif spécifique (chapitre ID) visait à valider les solutions du modèle couplé à l'échelle régionale et synoptique à l'aide de données satellites de température de surface (AVHRR) et de couleur de l'eau (SeaWIFS). Une bonne correspondance qualitative et quantitative a été observée entre les valeurs de température de surface simulées et dérivées du radiomètre AVHRR. Une relation inversement linéaire reliant l'atténuation de la lumière due au matériel non-chlorophyllien à la salinité du modèle a été incorporée à la formulation du champ de lumière permettant ainsi de simuler explicitement la turbidité. La comparaison des valeurs de chlorophylle a simulées et dérivées des mesures du senseur Sea WIFS avec les valeurs mesurées in situ coïncidentes dans le temps et l'espace a révélé une surestimation substantielle par le senseur dans les eaux estuariennes, suggérant une contamination de ces valeurs par des composés optiques actifs (principalement de la matière organique colorée) présents dans l'eau. En revanche, les patrons spatiaux dérivés du senseur Sea WIFS ont montré une bonne correspondance avec les champs simulés de turbidité et ont ainsi permis de valider la variabilité saisonnière et synoptique de la circulation estuarienne. Au regard de ces résultats, il est apparu important de quantifier l'impact de la turbidité associée au panache estuarien sur la dynamique planctonique de l'estuaire et du golfe, constituant ainsi le troisième et dernier objectif spécifique de la thèse (chapitre IV). La nouvelle formulation reliant le coefficient d'atténuation diffuse due au matériel non-chlorophyllien à la salinité du modèle a permis de mieux simuler le déclenchement de la floraison printanière dans l'estuaire, où l'influence de l'écoulement des eaux douces est la plus marquée. De plus, les concentrations de nitrate simulées ont montré un meilleur accord avec les mesures in situ à deux stations fixes du nord-ouest du golfe fortement affectées par l'écoulement des eaux estuariennes. Les flux latéraux de nitrate dans la couche de surface ont été augmentés dans tout l'ouest du golfe pour se rapprocher des estimations rapportées dans la littérature, mais la production primaire dans les sous-régions influencées par le panache estuarien a été réduite, soulevant ainsi un paradoxe. En conclusion, le modèle 3-D couplé physique-biologie a mis en lumière une variabilité à méso-échelle importante dans le golfe du Saint-Laurent qui devrait faire l'objet d'une attention particulière dans une perspective de prédire et d'évaluer les effets des changements climatiques sur la productivité du système. Des améliorations devront être apportées au modèle dans son aspect biogéochimique, avec une emphase particulière concernant la modélisation de la dynamique du phytoplancton dans les eaux estuariennes plus turbides dont l'importance au niveau régional s'avère majeure.

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