Modélisation de l'impact du dépôt d'aérosols sur les cycles biogéochimiques de la mer Méditerranée

284 Pages·2017·29.65 MB·French

Modélisation de l'impact du dépôt
d'aérosols sur les
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de la mer Méditerranée
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 : Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay
T
N préparée à l'Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines
N
École doctorale n°129 Sciences de l'Environnement d'Île de France
(SEIF)
Spécialité de doctorat: Météorologie, Océanographie Physique
et Physique de l'Environnement
Thèse présentée et soutenue à Saclay, le 7 décembre 2017, par
Camille Richon
Composition du Jury :
Matthieu Roy-Barman
Professeur, LSCE/UVSQ Président
Marilaure Grégoire
Directrice de recherche, Université de Liège Rapporteur
Maria Kanakidou
Professeur, Université de Crète Rapporteur
Mélika Baklouti
Professeur, MIO/Université Aix-Marseille Examinateur
Cécile Guieu
Directrice de recherche, LOV/CNRS Examinateur
Jean-Claude Dutay
Directeur de recherche, CEA/LSCE Directeur de thèse
François Dulac
Directeur de recherche, CEA/LSCE Directeur de thèse
Titre : Modélisation de l'impact du dépôt d'aérosols sur les cycles biogéochimiques de la mer
Méditerranée
Mots clés : Biogéochimie, Méditerranée, Aérosols, Modélisation, Production Biologique,
Nutriments, Limitation
Résumé : Les observations et expériences ont Pour cela, le modèle NEMOMED8/PISCES a
montré que le dépôt d'aérosols pouvait entraîner été utilisé avec des forçages physiques et bio-
une augmentation de la quantité de nutriments géochimiques qui correspondent au scénario
disponible et ainsi favoriser la production d'évolution des conditions climatiques A2 du
biologique de la mer Méditerranée. Dans ce GIEC. Cette étude met en évidence une diminu-
contexte, cette étude propose pour la première tion de la productivité biologique de surface de
fois une quantification des effets du dépôt 10 % en moyenne dans l'ensemble du bassin en
d'aérosols en provenance de sources variées sur réponse à l'échauffement et à la stratification.
la biogéochimie de l'ensemble de la mer Les limitations en nutriments sont fortement
Méditerranée grâce à un modèle couplé modifiées et la sensibilité de la Méditerranée au
physique-biogéochimie haute résolution dépôt atmosphérique de nutriments change.
NEMOMED12/PISCES. Les résultats de cette thèse soulignent l'impor-
L'étude consiste à modéliser et analyser les ef- tance de l'atmosphère comme source de nutri-
fets du dépôt d'azote et de phosphate en prove- ments et en particulier d'azote et de phosphate.
nance de sources naturelles et anthropiques sur Les effets du dépôt atmosphérique sont va-
la biogéochimie de la Méditerranée. Pour cela, riables en fonction de la saison et de la localisa-
des modèles atmosphériques régionaux et glo- tion du dépôt et sont plus significatifs lors de la
baux permettant de représenter le dépôt d'aéro- saison stratifiée, lorsque les eaux de surface
sol ont été évalués et sélectionnés. Le modèle sont limitées en nutriments. Enfin, tout boule-
NEMOMED12/PISCES a été adapté pour versement de la productivité biologique est
prendre en compte ces nouvelles sources de nu- transmis rapidement le long de la chaîne tro-
triments. L'analyse des simulations a per mis de phique. Les résultats obtenus pourraient être
montrer que le dépôt atmosphérique représente précisés avec l'amélioration des modèles atmo-
environ 10 % des apports externes totaux de ni- sphériques
trates et 5 à 30 % des apports de phosphate en et l'obtention de nouvelles mesures de flux de
moyenne sur l'ensemble du bassin. Le dépôt dépôt et l'amélioration des connaissances sur les
peut également entraîner une augmentation de transformations physico-chimiques subies par
la production biologique jusqu'à 50 % grâce à la les aérosols avant et après leur dépôt en milieu
levée des limitations en nutriments. L'augmen- océanique. Par ailleurs, des scénarios plus pré-
tation de productivité observée est maximale cis concernant les changements climatiques sont
lors de la période stratifiée qui correspond en nécessaires an d'évaluer les évolutions des
Méditerranée à l'été. conditions biogéochimiques de la Méditerranée.
Les effets des changements climatiques Enfin, les récents développements du modèle
pourraient avoir des conséquences PISCES peuvent à présent permettre d'étudier
particulièrement importantes sur une région sen- la Méditerranée dans un contexte non redfiel-
sible comme la Méditerranée. C'est pourquoi les dien. Les résultats préliminaires indiquent que
évolutions de la biogéochimie du bassin dans un la productivité des groupes phytoplanctoniques
scénario de changement climatique ont été éva- diffère lorsque l'on prend en compte des ratios
lués au cours de cette thèse. /N/P intra-cellulaires variables.
Université Paris-Saclay
Espace Technologique / Immeuble Discovery
Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France
Title : Modeling aerosol deposition impacts on the Mediterranean biogeochemical cycles
Keywords : Biogeochemistry, Mediterranean, Aerosol, Modeling, Biological Production, Nutrients,
Limitation
Abstract : Observations and experiments The results of this thesis underline the impor-
showed that aerosol deposition can increase the tance of atmosphere as a nutrient source, in
amount of bioavailable nutrients and favor bio- particular for nitrogen and phosphate. Deposi-
logical production of the Mediterranean Sea. In tion effects vary according to the season and
this context, the present study yields for the the location. They are more important during
first time a quantification of the effects of the stratied period, when surface water is nutri-
aerosol deposition from various sources thanks ent limited. Also, any change in biological pro-
to the coupled physical-biogeochemical model ductivity is quickly transfered along the biolog-
NEMOMED12/PISCES. ical chain.
This study consists in modeling and analyzing To refine the results, the atmospheric models
the effects on the Mediterranean biogeochem- could be improved and more knowledge on de-
istry of atmospheric deposition of nitrogen and position fluxes and physical and chemical
phosphate from various natural and anthro- transformations of aerosols before and after de-
pogenic sources. For this purpose, regional and position would be necessary. Moreover, more
global atmospheric models representing aerosol precise scenarios concerning climate change ef-
deposition were evaluated and selected. The fects would be necessary in order to study the
NEMOMED12/PISCES model was modified future evolutions of biogeochemical conditions
to take into account these new nutrient sources. in the Mediterranean. Finally, the recent devel-
The analysis of the simulations showed that at- opments on the PISCES model make new stud-
mospheric deposition accounts for approxi- ies possible in a non redfieldian context. Pre-
mately 10 % of total external nitrate supply and liminary results indicate that the productivity of
5 to 30 % of phosphate supply on average over the different phytoplanktonic groups varies
the entire basin. Aerosol deposition can also in- with intracellular C/N/P ratios.
crease biological production up to 50 % thanks
to the lowering of nutrient limitations. The
maximal fertilizing effects are observed during
the stratied period which, in the Mediterranean
region, is summer.
The effects of climate change may be particu-
larly important in sensitive regions such as the
Mediterranean. Therefore, the evolutions of
basin scale biogeochemistry were evaluated un-
der a climate change scenario. The
NEMOMED8/PISCES model was used with
physical and biogeochemical forcings for the
IPCC A2 climate change scenario. This study
shows a reduction in basin scale surface pro-
ductivity by approximately 10 % triggered by
warming and stratification. Nutrient limitations
are modified and the Mediterranean Sea sensi-
bility to atmospheric deposition changes.
Université Paris-Saclay
Espace Technologique / Immeuble Discovery
Route de l’Orme aux Merisiers RD 128 / 91190 Saint-Aubin, France
1
LSCE : Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement
CEA : Commissariat (cid:224) l’Energie Atomique et aux Ønergies alternatives
MerMEx : Marine Mediterranean Experiment
https://mermex.mio.univ-amu.fr/
ChArMEx : Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment
http://charmex.lsce.ipsl.fr/
MISTRALS : Mediterranean Integrated STudies at Regional And Local Scales
http://mistrals-home.org/
Amonpapy,ilseraittellementfier...
"Ce que nous savons nous élève, ce que nous ignorons nous révèle."
C. De Troyes
“- Comment, recevant l’eau d’une quantité énorme de fleuves, la
Méditerranée ne déborde pas?
-LeProvidenceaprévucettecatastropheetamisdesépongesdans
la mer.”
Alphonse Allais
1
Remerciements
Lathèseestuntravaildelonguehaleinequines’achèvepasseul.C’estpourquoijevoudraisremercier
un certain nombre de personnes.
Tout d’abord merci aux membres du jury, mesdames Marilaure Grégoire et Maria Kanakidou d’avoir
accepté de lire et d’évaluer ce manuscrit. Merci également aux autres membres du jury : mesdames Mé-
lika Baklouti et Cécile Guieu qui ont également fait partie de mon comité de thèse. Un grand merci pour
tous vos conseils qui m’ont grandement guidé dans ce travail. Merci à Matthieu Roy–Barman d’avoir
accepté de présider ce jury.
Un grand merci aux autres membres de mon comité de thèse : Karine Desboeufs et Olivier Aumont
pour tous les échanges que nous avons eu sur mon travail et sur la thèse en général. Vos conseils ont été
précieux. Merci Olivier pour tout ce que tu m’as appris sur PISCES et sur la modélisation en général.
Merci Karine pour les bons moments que nous avons passé.
Enfin un énorme merci à mes directeurs de thèse : Jean–Claude Dutay et François Dulac. Vous avez
été absolument géniaux. Ma thèse s’est très bien passée quasiment de bout en bout, c’est en grande
partie grâce à vos conseils et à votre soutien et je mesure la chance que j’ai eue avec vous deux. Encore
une fois merci!
Merci à Yves Balkanski, Rong Wang, Laurent Bopp, Benoît Laurent, Jonathan Beuvier, Samuel Somot,
James Orr, Briac Le Vu, Julien Palmieri, Melika Baklouti, Nicolas Barrier, Karine Desboeufs, Cécile
Guieu, Pierre Nabat pour les belles collaborations en cours et à venir. Big thank you to Alessandro Ta-
gliabue for the post doc opportunity! Avec un coup de pouce de Jean–Claude, François, Laurent, Melika
et Cécile merci infiniment pour les recommandations!
Il y a également beaucoup de personnes qui m’ont aidé et "dépanné" lorsque j’ai eu des difficultés avec
le/les modèle(s) : Christian Ethé, Thomas Arsouze, Briac Le Vu, Julien Palmiéri, Mohammed Ayache,
Olivier Aumont... Merci pour votre patience! Merci également à mon parrain de thèse Pierre Sepulchre
pour les échanges que nous avons eus. Et merci encore à tous ceux que j’ai "dérangé" avec des questions
à un moment ou un autre, je pense en particulier à Jean–Yves, Patrick, Arnaud, Anne, Laurent, Yves et
j’en oublie sans doute... Un grand merci à Yves Balkanski pour les collaborations que nous avons eues et
que nous aurons encore j’espère. Merci pour toutes tes remarques et conseils sur la façon de rédiger un
article et de répondre aux reviewers qui m’ont beaucoup appris.
Et puis en thèse on rencontre plein de gens, d’autres thésards, des collègues, qui font tous de cette
expérience quelque chose d’unique. Je ne vais pas citer de noms parce que j’en oublierais. Mais si en
lisant ces lignes, vous vous souvenez d’un moment de partage, de rire autour d’un café ou d’une bière,
d’uneconversationendiabléeoupasàproposdetoutderien...Alorscemessagevousestdestiné!Etmerci!
Enfin j’ai eu la chance de participer à un projet un peu fou mais vraiment drôle : la création du jeu
déjà célèbre (ou presque) Climatic Tac! Un grand merci à toute cette équipe pour cette super ambiance
créatrice et pleine de bonne humeur, ça fait du bien quand on est en thèse! Nada, Catherine, Isabelle,
Priscilla, Aude, Claire, David (tous les David), Medhi, Alain et tous les autres, c’était super de travailler
là–dessus avec vous et de partager toutes ces réunions du vendredi. J’espère que ce projet ira très loin.
Et puis un dernier mot pour mes parents qui ont toujours été là pour moi et m’ont toujours soutenu,
mêmequandjelesabandonnepourpartiràMontpellier,àOslooubientôtàLiverpool!Mercipourtout.
Et à mes amis aussi qui sont toujours là, Estelle : pool party pour fêter ça?, Arno : on se voit au pub,
2
Aubin : check phytoplancton, see you in the U.K., guys;)
Il ne me reste plus qu’à vous souhaiter bonne lecture en paraphrasant ce que Julien m’a dit quand
je suis arrivée en thèse il y a 3 ans :
"Tu verras, la Méditerranée, c’est bien" :)
Table des matières
Liste des Abréviations 13
1 Introduction générale 15
2 Etat de l’art 19
2.1 Présentation générale de la Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Description de la circulation des masses d’eau en Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Les eaux de surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 Les eaux intermédiaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Les eaux de fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.5 Les événements transitoires affectant la circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 La Méditerranée : Mer oligotrophe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Description du rapport N/P particulier en Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Description de la productivité planctonique spécifique de la Méditerranée . . . . . 28
2.4 Rappels des principales sources externes de nutriments en Méditerranée . . . . . . . . . . 28
2.4.1 Les apports Atlantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 L’apport de nutriments par les fleuves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3 Les apports de nutriments par l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 Apports de nutritifs par les aérosols et leurs conséquences en mer Méditerranée . . . . . . 31
2.5.1 Sources d’aérosols dans le bassin méditerranéen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2 Les mesures du dépôt d’aérosols en Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.3 Devenir des aérosols lors du dépôt en milieu marin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 La modélisation de la biogéochimie de la Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7 Plan et objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Présentationsynthétiquedumodèlecoupléphysique–biogéochimieNEMOMED12/PISCES 43
3.1 Le modèle physique NEMOMED12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.1 Les hypothèses principales du modèle physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2 Configuration méditerranéenne MED12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Description des forçages atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.4 Les conditions aux frontières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.5 Les conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.6 Caractéristiques principales de la simulation physique . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 Le modèle biogéochimique PISCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.1 Variables d’intérêt et équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2 Apports externes de nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.3 Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Table des matières
3.3 Mise à l’équilibre des variables du modèle : le spin–up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 AdaptationdumodèlebiogéochimiqueNEMOMED12/PISCESpourl’étudedeseffets
du dépôt atmosphérique 63
4.1 Comparaisondudépôtdepoussièresnaturellessimuléespardeuxmodèlesatmosphériques
régionaux : ALADIN–Climat et RegCM4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.2 Le modèle ALADIN-Climat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.3 Le modèle RegCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.4 Bilan des quantités de poussières désertiques apportées sur le bassin . . . . . . . . 65
4.1.5 Comparaison des dépôts secs et humides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.6 Comparaison des proportions de particules de petite taille . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2 Ajustement des paramètres de PISCES pour prendre en compte les effets du dépôt de
poussières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Modifications apportées au modèle PISCES pour améliorer la représentation du dépôt
d’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.1 Présentation du modèle de dépôt d’azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.2 Développement du modèle PISCES pour prendre en compte le dépôt d’ammonium
atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Caractéristiques générales des simulations longues effectuées avec NEMOMED12/PISCES 77
4.4.1 Présentation des différentes simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.2 Analyse des évolutions interannuelles des traceurs biogéochimiques . . . . . . . . . 78
4.4.3 Comparaison des résultats des simulations avec des observations . . . . . . . . . . 85
5 Simulation des effets du dépôt atmosphérique de phosphate naturel et d’azote an-
thropique avec le modèle NEMOMED12/PISCES 95
5.1 Article : Modélisation des effets du dépôt atmosphérique d’azote et de phosphate issu des
poussières sur les bilans de nutriments et de production biologique de la Méditerranée
(Richon et al., 2017b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Effets complémentaires du dépôt mis en évidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.1 Effets sur les limitations en nutriments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2 Mise en évidence des effets à court terme du dépôt atmosphérique . . . . . . . . . 121
6 Simulation des effets du dépôt d’aérosols phosphatés issus de poussières et de la
combustion sur la biogéochimie de la Méditerranée 125
6.1 ModificationsdumodèlePISCESpourreprésenterlessourcesatmosphériquesdephosphate
issu de la combustion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.1 Présentation du modèle de dépôt de phosphore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.2 Modifications apportées au modèle PISCES pour prendre en compte les nouvelles
sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2 Articleenrévision:Modélisationdeseffetsbiogeochimiquesdudépôtdephosphateatmo-
sphérique issu des poussières désertiques et de la combustion sur la Méditerranée (Richon
et al., 2017a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 Diagnostics supplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3.1 Les effets potentiels du dépôt de particules d’origine biogénique et volcanique . . . 179
6.3.2 Effets du dépôt de phosphate sur la structure de la chaîne trophique . . . . . . . . 181
7 Un aperçu du futur : Inclusion du dépôt d’aérosols dans un scénario d’évolution de
la Méditerranée. 187
7.1 Article : Réponse de la biogéochimie de la Méditerranée au scénario A2 de changement
climatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Table des matières 5
7.2 Etude de la sensibilité future de la Méditerranée au dépôt d’aérosols . . . . . . . . . . . . 227
7.2.1 Présentation des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.2.2 Comparaison de l’influence du dépôt atmosphérique dans les conditions présentes
et futures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8 Discussion et perspectives 237
8.1 Principaux résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.1.1 Développements du modèle océanique NEMO/PISCES. . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.1.2 Développements des modèles atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.1.3 Effets du dépôt d’aérosols dans le futur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.2 Perspectives : Comportement non Redfieldien de la Méditerranée . . . . . . . . . . . . . . 242
8.2.1 Caractéristiques principales du modèle PISCES quota . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.2.2 Mise en place des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.2.3 Résultats préliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9 Conclusion générale 255
Bibliographie 261