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

La circulation a meso-echelle joue un role majeur sur la distribution, la structure et la productivite des ecosystemes planctoniques tant en milieu ouvert que cotier. Le golfe du Saint-Laurent est une mer cotiere sub-arctique qui est caracterisee par des conditions hydrodynamiques hautement variables. Des processus a meso-echelle tels que des fronts, des tourbillons, des meandres et des resurgences cotieres y generent une heterogeneite spatiale de la productivite marine. Ameliorer notre comprehension des liens entre la biologie et l'environnement physique est donc necessaire afin d'evaluer les effets de la variabilite du climat sur la production planctonique du golfe. Dans cette optique, l'objectif general de la these etait d'etudier l'influence de la circulation a meso-echelle sur la dynamique de la production planctonique du golfe du Saint- Laurent. A cette fm, un modele tridimensionnel (3-D) haute resolution couple physiquebiologie a ete developpe pour la premiere fois pour les eaux du Saint-Laurent. Le modele d'ecosysteme planctonique est moderement complexe et prend en consideration la competition entre les chaines trophiques herbivore et microbienne, caracteristiques du cycle de production planctonique du golfe. Le modele biologique est couple a un modele prognostique couple circulation-glace de mer gouverne par des forcages oceaniques, atmospheriques et hydrologiques realistes. Afin de repondre a l'objectif general, trois objectifs specifiques ont ete fixes. Le premier objectif specifique (chapitre II) consistait a verifier la robustesse ecologique du modele couple physique-biologie a l'echelle regionale et a decrire qualitativement et quantitativement la variabilite sous-regionale du cycle saisonnier planctonique en reponse aux regimes hydrodynamiques varies qui caracterisent le systeme. Un cycle planctonique coherent avec les observations rapportees dans le golfe a ete produit par le modele : (1) une floraison printaniere dominee par le phytoplancton de grande taille, (2) la formation en ete d'un maximum profond de chlorophylle a et une production primaire principalement regeneree, et (3) une augmentation de la proportion de la production nouvelle associee aux apports de nitrate dus au melange automnal. La dynamique de la glace de mer est responsable de la variabilite sous-regionale du declenchement de la floraison de printemps. Les champs de nitrate et de chlorophylle a simules ont ete valides avec succes a partir de mesures in situ coincidentes dans le temps et l'espace obtenues dans le cadre du Programme de Monitorage Zonal Atlantique (PMZA). Le modele a egalement mis en evidence le role majeur de l'activite a meso-echelle sur la production primaire annuelle qui montre une forte heterogeneite spatiale (40-150 g C m-2 an-I). TI est apparu clairement que le golfe ne pouvait etre considere comme un systeme homogene. L'intensite de la floraison printaniere etant similaire entre les sous-regions du GSL, la variabilite spatiale de la production primaire annuelle est due a des differences dans la production estivale associees a des conditions hydrodynamiques differentes. Le modele a mis en lumiere des zones de plus forte production associees a une plus forte activite de la chaine trophique herbivore. Ce resultat suggere qu'en dehors de la periode de floraison printaniere, la production primaire soit localement du meme ordre de grandeur que durant le printemps. En ce sens, la variabilite synoptique se compare en importance a la variabilite saisonniere. Compte tenu de la limitation imposee par les observations in situ en terme de validation spatiale, le second objectif specifique (chapitre ID) visait a valider les solutions du modele couple a l'echelle regionale et synoptique a l'aide de donnees satellites de temperature de surface (AVHRR) et de couleur de l'eau (SeaWIFS). Une bonne correspondance qualitative et quantitative a ete observee entre les valeurs de temperature de surface simulees et derivees du radiometre A VHRR. Une relation inversement lineaire reliant l'attenuation de la lumiere due au materiel non-chlorophyllien a la salinite du modele a ete incorporee a la formulation du champ de lumiere permettant ainsi de simuler explicitement la turbidite. La comparaison des valeurs de chlorophylle a simulees et derivees des mesures du senseur Sea WIFS avec les valeurs mesurees in situ coincidentes dans le temps et l'espace a revele une surestimation substantielle par le senseur dans les eaux estuariennes, suggerant une contamination de ces valeurs par des composes optiques actifs (principalement de la matiere organique coloree) presents dans l'eau. En revanche, les patrons spatiaux derives du senseur Sea WIFS ont montre une bonne correspondance avec les champs simules de turbidite et ont ainsi permis de valider la variabilite saisonniere et synoptique de la circulation estuarienne. Au regard de ces resultats, il est apparu important de quantifier l'impact de la turbidite associee au panache estuarien sur la dynamique planctonique de l'estuaire et du golfe, constituant ainsi le troisieme et dernier objectif specifique de la these (chapitre IV). La nouvelle formulation reliant le coefficient d'attenuation diffuse due au materiel nonchlorophyllien a la salinite du modele a permis de mieux simuler le declenchement de la floraison printaniere dans l'estuaire, ou l'influence de l'ecoulement des eaux douces est la plus marquee. De plus, les concentrations de nitrate simulees ont montre un meilleur accord avec les mesures in situ a deux stations fIxes du nord-ouest du golfe fortement affectees par l'ecoulement des eaux estuariennes. Les flux lateraux de nitrate dans la couche de surface ont ete augmentes dans tout l'ouest du golfe pour se rapprocher des estimations rapportees dans la litterature, mais la production primaire dans les sous-regions influencees par le panache estuarien a ete reduite, soulevant ainsi un paradoxe. En conclusion, le modele 3-D couple physique-biologie a mis en lumiere une variabilite a meso-echelle importante dans le golfe du Saint-Laurent qui devrait faire l'objet d'une attention particuliere dans une perspective de predire et d'evaluer les effets des changements climatiques sur la productivite du systeme. Des ameliorations devront etre apportees au modele dans son aspect biogeochimique, avec une emphase particuliere concernant la modelisation de la dynamique du phytoplancton dans les eaux estuariennes plus turbides dont l'importance au niveau regional s'avere majeure.

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