Bloom phenology, mechanisms and future change in the Southern Ocean.
Phénologie, méchanismes et changement future du cycle saisonnier phytoplanctonique.
Résumé
Primary production (PP) in the Southern Ocean (SO) plays a crucial role on atmospheric carbon uptake. PP in this ocean is highly iron-limited and presents a marked seasonal cycle. Such a seasonal cycle has a strong productive phase in late winter, called bloom, which distribution and intensity is highly variable. My PhD focus on two specific aspects of the PP in the SO: first, the mechanisms that drive such a bloom and its dynamics and, second, the elements able to control the bloom intensity at present and in the future. The first aspect (bloom phenology and mechanisms) was addressed by setting up a mechanistic approach based on a novel model configuration: a complex biogeochemical model (PISCES) forced by a 1D idealised physical framework. This methodology allowed me to conciliate the different bloom formation theories and to identify the SO bloom specificities. Moreover, I proposed how to use different bloom detection criteria to properly identify bloom from observations. Such criteria were then tested in a complementary observation-based approach (with satellite and in-situ data) to characterise different bloom phenologies and its spatial distribution in the SO. The second aspect (bloom intensity and future change) was also addressed by a twofold approach. First, using the 1D model, I studied how seasonal variability of vertical mixing combine light and Fe limitation to drive PP. Secondly, I used such an analysis to interpret PP trends observed in 8 coupled model climatic projections (CMIP5 models). My PhD thesis results allow for a better understanding of the physical and biological processes controlling phytoplankton growth. My conclusions also suggest how an alteration of these processes by Climate Change may influence PP in the whole SO, a key region for future climate evolution.
La production primaire (PP) dans l’Océan Austral joue un rôle crucial dans la capacité des océans à absorber le carbon atmosphérique. Elle est caract éris ée par une forte limitation en Fer et par un cycle saisonnier très marqué, présentant un bloom planctonique en fin d’hiver, plus ou moins intense selon les régions. Ma thèse est centrée sur la compréhension des mécanismes qui contrôlent ce bloom et sa variabilité, ainsi que sur les éléments, présents et futurs, qui contrôlent son intensité. J’ai abordé le premier aspect (phénologie et mécanismes) en mettant en place une approche mécaniste basée sur une nouvelle configuration du modèle biogéochimique PISCES forcé par un environnement physique 1D idéalisé. Cette méthodologie m’a permis de réconcilier les différentes théories sur la formation des blooms aux hautes-latitudes, d’identifier les spécificités du bloom de l’Océan Austral et de proposer des critères adaptés à sa détection dans les observations. En outre, les résultats de cette étude de modélisation ont été confrontés à ceux issues d’une deuxième approche, basée sur des observations satellitaires, ce qui a permis la localisation géographique des différentes phénologies de bloom que j’ai identifiées dans l’Océan Austral. Pour répondre au deuxième aspect (altération et changements futurs), j’ai également suivi une double approche. J’ai d’abord examiné comment les limitations par la lumière et par le fer se combinent, via la variabilité du cycle saisonnier du mélange vertical, et pilotent ainsi la production primaire dans l’Océan Austral actuel à l’aide de la configuration idéalisée présentée plus haut. Dans un deuxième temps, cette analyse a permis d’aider à l’interprétation des variations de PP observées dans les projections climatiques issues de 8 modèles couplés (CMIP5). L’ensemble de mes résultats permet de mieux comprendre les processus physiques et biologiques qui contrôlent la croissance du phytoplancton dans l’Océan Austral et d’appréhender comment la modification de ces processus peut entraîner des altérations de la PP dans une région clé pour l’évolution future du climat.
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