1 - Les provinces biogéochimiques de l'océan mondial.

2 - Modèle biogéochimique couplé 1D

3 - Flux de carbone simulé au site oligotrophe EUMELI.

4 - Cycles biogéochimiques dans l'océan austral.

5 - Simplifications des modèles biologiques.

6 - Modélisation biogéochimique 3D au site EUMELI.

7 - Modélisation biogéochimique 3D au site DYFAMED.

8 - Assimilation de données biogéochimiques.

Deux objectifs importants proposés par le programme JGOFS (Joint Global Ocean Fluxes Study) sont d'une part, la compréhension et la quantification des processus biogéochimiques qui contrôlent, dans l'océan, les variations des flux de carbone et des éléments associés, et, d'autre part, la prédiction des réponses de ces processus vis-à-vis des perturbations humaines et des changements climatiques.

Ce programme s'appuie sur un ensemble d'observations et sur la modélisation, laquelle constitue le moyen de globaliser les résultats obtenus à l'échelle locale. Nous présentons ici comment s'articulent les études de modélisation associées à ces programmes.

Cycles biogéochimiques et provinces océaniques
Les principaux processus qui gouvernent le cycle du carbone océanique sont bien identifiés: dynamique, thermodynamique et activité biologique participent aux variations de ce cycle depuis la surface de l'océan jusqu'au sédiment. Le couplage physique/biogéochimie est également bien observé: par exemple, le mélange vertical nourrit les couches de surface océanique en éléments nutritifs nécessaires à la croissance du phytoplancton lequel régule alors en partie la pénétration de la lumière et peut ainsi participer activement à la stabilité (ou l'instabilité) de la colonne d'eau. Si ces processus sont connus à priori, leurs paramétrisations et quantifications aux échelles locales ou planétaire ne sont pas encore validées. Comprendre et quantifier le couplage de ces processus est indispensable si l'on veut, soit identifier les perturbations des cycles biogéochimiques en réponse à des changements climatiques, rapides ou lents (e.g. variation de la température de l'océan), soit mesurer si une anomalie d'un ou plusieurs cycles biogéochimiques peut être à l'origine d'une perturbation climatique (e.g. variations rapides des paléoclimats). Une des difficultés réside dans les échelles caractéristiques à résoudre: une bonne représentation des échanges d'énergie au sein de l'océan, nécessite une résolution très fine (quelques kilomètres) qui impose d'importants temps calculs.

Des modèles biogéochimiques océaniques globaux sont actuellement développés au sein de notre communauté (PNEDC-CO2/PIGB) ou par nos partenaires étrangers. Les ressources numériques imposent des modèles globaux encore trop simplifiés tant sur la dynamique (modèles basse résolution) que sur la représentation de "la vie océane", pour laquelle contrairement à la dynamique, les équations prédictives ne sont pas établies. La plupart des modèles biologiques numériquement applicables à grande échelle sont basés sur un "triumvirat": la représentation NPZ (Nutritif-Phytoplancton-Zooplancton; parfois NPZD avec une composante Détritique) pour laquelle les paramétrisations biologiques sont uniques à l'échelle océanique mondiale. Or, il est clair, et notamment grâce aux observations effectuées dans le cadre de JGOFS, qu'une représentation moyenne de l'écosystème biologique ne convient pas à l'échelle planétaire et qu'il faut régionaliser l'océan pour mieux prendre en compte la biodiversité marine (figure 1). Le programme JGOFS-France a ciblé ses observations sur les sites Atlantique (EUMELI), Méditerranéen (DYFAMED-DYNAPROC, FRONTAL), Antarctique (ANTARES-KERFIX) et Pacifique (EPOPE). A ses opérations en mer ajoutons l'accent mis sur l'observation satellitale de la couleur de l'Océan (figure 1). La stratégie de l'opération JGOFS/Modélisation est de développer les paramétrisations couplées sur les sites observés et les périodes correspondantes (de la journée à l'interannuel), puis d'appliquer les modèles validés sur d'autres sites et à grande échelle en intégrant les codes biologiques dans des modèles 3D.

Tableau : Activités JGOFS-Modélisation

La modélisation dans JGOFS : développement et actualité
Les activités de modélisation dans JGOFS-France ont été initiées en 1988 parallèlement à la mise en place des programmes d'observations EUMELI et DYFAMED. A cette époque, plusieurs codes de modèles biologiques et biogéochimiques (unidimensionnel, 1D) ont été développés s'appuyant sur les modèles dynamiques connus pour bien représenter l'évolution temporelle de la température de surface et de la couche de mélange. Ces deux termes sont importants dans l'estimation des flux de carbone à l'interface air-mer, pour la détermination des apports de matières nutritives dans les couches superficielles, pour quantifier l'exportation de carbone ou pour étudier la migration des espèces zooplanctoniques. Par exemple, pour quantifier les échanges de CO2 entre l'océan et l'atmosphère, il faut simuler la pression partielle de CO2 dans les eaux de surface (pCO2), or celle-ci est très sensible aux variations de température. A titre indicatif, une variation de 1°C en température conduit à une variation de 15 µatm sur pCO2 (rappelons que le taux de croissance de pCO2 atmosphérique est d'environ 1.5 µatm/an). A la variété des sites et des échelles de temps observées (Mer Méditerranée, océans Atlantique, Pacifique et Austral; variations journalières, saisonnières, interannuelles) est associée une variété de projets de modélisation entre lesquels des liens étroits sont organisés (voir encart ci-dessus). En témoigne la mise au point d'un Modèle unidimensionnel Intégré pour décrire et quantifier les flux de carbone, de la surface de l’océan au sédiment superficiel (figure 2). Les paramétrisations, comme le nombre de variables, ont été choisies dans le souci d'utiliser ce modèle intégré dans des études 3D. Une fois validé, le Modèle Intégré, actuellement testé sur le site Oligotrophe d'EUMELI (figure 3) sera appliqué sur d'autres sites JGOFS-France (DYFAMED, KERFIX) ou sur les sites JGOFS internationaux (BATS en Mer des Sargasses et HOTS dans le Pacifique Nord).

Modélisations des cycles biogéochimiques marins
Les études de modélisation dans JGOFS peuvent être classées suivant deux catégories: les études de processus et les quantifications des cycles biogéochimiques à différentes échelles de temps (du cycle jour/nuit à l'interannuel). La première concerne le développement et l'amélioration des paramétrisations (modèle biologique, modèle bio-optique, rôle de la dynamique méso-échelle). Ces résultats sont utilisés dans la deuxième approche (applications de modèle couplé sur site).

Couplage des cycles biogéochimiques: exemple de l'océan austral
Contrairement à d'autres régions océaniques, l'océan austral est peu observé. Les campagnes océanographiques dans des conditions de mer extrêmes y sont délicates; l'interprétation des mesures satellitales dans des conditions souvent nuageuses est également difficile. La modélisation est dans ce contexte un outil indispensable pour apporter des réponses sur rôle de l'océan austral, tant en ce qui concerne les transferts interocéaniques de masse et de chaleur (problématique WOCE) ou les échanges avec l'atmosphère et la cryosphère (PNEDC-modélisation), que sur les questions liées aux cycles biogéochimiques: par exemple, identifier les facteurs limitants de la production primaire océanique dans cette région riche en sels nutritifs (région reconnue du type HN-LC, High Nutrients-Low Chlorophyll). L'étude développée dans l'opération JGOFS-Modélisation (figure 4) est basée sur un modèle biogéochimique 1D qui inclue un couplage carbone/azote (modèle GEOTOP précédemment testé dans le Pacifique Nord à la Station P, vers 50°N). Ce modèle est ici utilisé pour expliquer les processus qui gouvernent les cycles géochimiques observés à la station KERFIX, vers 50°S, dans le secteur Indien de l'Océan Austral. La nouvelle version inclue deux tailles de phytoplancton (notamment les diatomées composées de tests siliceux et très abondantes dans l'océan austral), deux tailles de zooplancton (séparation des taux de broutage), un réseau bactérien et la matière organique dissoute. Pour l'application à l'océan austral, le cycle du silicium a été rajouté dans le modèle GEOTOP. Comparé aux observations, le modèle résout correctement le signal saisonnier en sels nutritifs et chlorophylle (figure 4) et traduit le comportement spécifique du type HN-LC-LS (High Nutrients, Low Chlorophyll, Low Silicates) de la zone océanique étudiée, proche du front polaire antarctique.

Simplifications des processus biologiques
Actuellement, les ressources numériques ne permettent pas d'appliquer un modèle biogéochimique comme GEOTOP à l'échelle d'un bassin océanique dans un modèle 3D. Il est donc nécessaire de simplifier le modèle (réduire le nombre de variables) et tester les paramétrisations pour connaître les limites acceptables de simplification. Une bonne représentation couplée des processus de mélange et de sédimentation de particules à poids variables nécessite des pas de temps de l'ordre de 30 minutes. Les particules marines qui transportent le carbone par sédimentation, ont des poids variables (D1 et D2, figure 2) : certaines vont parcourir 100 m par jour; d'autres, plus légères, vont être remobilisées dans les couches de surface, par exemple, sous l'action d'un coup de vent. Simplifier un modèle biologique nécessite des études de processus spécifiques: tester les paramétrisations complexes sur des événements courts (coup de vent, tel qu'observé au cours de la campagne DYNAPROC); identifier le nombre de classes de taille de particules à prendre en compte sans sous-estimer ou sur-estimer les bilans des propriétés (carbone, azote); décrire les fonctions propres de l'écosystème avec une espèce zooplanctonique moyenne (pour une représentation NPZ utilisée dans les GCM). Des modèles complexes d'écosystème ont été développés (figure 5); ils fournissent les fonctions complètes qui sont ensuite traitées pour établir une fonction moyenne qui, une fois validée, pourra être utilisée dans une application 3D. Les segments bio-optiques des modèles couplés nécessitent aussi des simplifications: pour estimer au mieux le taux de chauffage océanique, l'énergie est décomposée suivant plus de 100 bandes spectrales. Dans un modèle biogéochimique 3D, il est "clair" qu'un éclairement ainsi décomposé coûte cher numériquement; on est amené à réduire cette décomposition (de tels tests sont par exemple effectués pour l'atlantique tropical, cadre d'une étude PIGB/PNEDC-CO2).

Modélisation 3D : impact de la méso-échelle
L'application de modèle 1D biogéochimique permet de mieux comprendre les mécanismes et leur interactions. Toutefois, certaines études ont démontré des limites d'utilisation de modèles 1D, notamment dans les régions animées par une forte circulation horizontale. Les travaux effectués sur le site EUMELI (figure 6), ont montré l'impact non négligeable de la dynamique méso-échelle sur l'activité biologique: lorsque cette dynamique est prise en compte, le modèle prévoit un doublement des productions primaire et exportée. L'étude 3D effectuée en Méditerranée dans la zone du site DYFAMED (figure 7) montre également comment la dynamique tourbillonnaire influe sur la répartition de biomasse phytoplanctonique. Pour l'instant, les études d'impact de la dynamique méso-échelle sont appliquées sur des domaines limités. Les applications saisonnières ou interannuelles à l'échelle d'un bassin océanique ne sont pas immédiates (e.g. variations des échanges de CO2 à l'interface air-mer avant, pendant et après un phénomène El Nino). D'autre part, les données biogéochimiques in-situ disponibles à grande échelle pour valider de tels modèles sont relativement rares en océanographie. On préfère, pour l'instant, travailler dans des zones pour lesquelles on dispose d'un ensemble cohérent de données temporelles permettant de tester les qualités et les défauts des paramétrisations. Dans ce contexte, les séries temporelles effectuées lors des campagnes JGOFS apportent des informations cruciales.

Assimilations de données biogéochimiques
Les techniques d'assimilation de données dans les modèles biogéochimiques ont été récemment développées. Cette technique peut être utilisée pour étudier l'ajustement des paramètres biologiques peu connus (figure 8) ou bien pour ajuster une physique mal représentée dans un modèle 1D. La technique permet aussi de tester la cohérence des processus modélisés pour décrire, de façon compatible, les bilans de chaleur, de carbone et de biomasse. Une erreur sur la diffusion verticale peut être sans conséquence pour le bilan annuel d'une propriété à faible gradient en profondeur (e.g. la température), mais désastreuse pour un paramètre qui présente de forts gradient verticaux, comme c'est le cas à la base de la couche de mélange, pour de nombreuses propriétés biogéochimiques. Dans une optique grande échelle, un objectif des études d'assimilation développées actuellement sur des bases uni-dimensionelles, est d'aboutir à des schémas techniquement prêts à accueillir des jeux de données satellitales (température de surface, couleur de la mer) dans les applications biogéochimiques 3D.

Utilisation des données satellitales
L'estimation de la production primaire à l'échelle globale (figure 1) est actuellement possible à partir de données satellitales (couleur de la mer) et d'un modèle bio-optique. Cette étude met en évidence les grandes provinces biogéochimiques de l'océan mondial évoquées précédemment (zones oligotrophes, mésotrophes et eutrophes). Etablie à partir de champs composites mensuelles, cette estimation climatologique décrit non seulement les distributions spatiales de la production primaire océanique, mais aussi ses variations saisonnières. L'estimation annuelle, ici de 38 Gigatonnes de carbone par an, représente une première étape, obtenue à partir des mesures du capteur CZCS (Coastal Zone Color Scanner) qui n'a pas fonctionné de façon continue. En particulier, pour palier à la pauvreté des mesures CZCS aux hautes latitudes sud (>50°S), il a été tiré profit des récentes mesures de chlorophylle de surface obtenues sur le site JGOFS-KERFIX dont le cycle saisonnier est présenté figure 4. L'échantillonnage qui sera obtenu avec les prochains capteurs sera plus étendu et plus précis que le CZCS : le capteur POLDER sur ADEOS (NASDA) a été lancé en Août 1996 et le capteur SeaWIFS (NASA) doit être en vol courant 1997.

Conclusions
La modélisation des cycles biogéochimiques marins est une activité de recherche primordiale au sein de JGOFS. Cette place sera favorisée par une communication sans cesse maintenue avec les équipes d'expérimentation ainsi qu'avec les études menées dans le cadre des programmes PNEDC-CO2 ou WOCE. Le but à atteindre est le passage d'une modélisation uni-dimensionnelle (applications locales) vers des applications tri-dimensionnelles (applications régionales ou globale). C'est dans cette optique que l'atelier de travail, organisé chaque année, associe les opérations JGOFS/Modélisation et PNEDC-CO2. Le dernier atelier, organisé en Juin 1996 a réuni ces deux communautés durant trois jours, et a également vu se joindre les modélisateurs du programme PIGB/PNOC.

Contact :
Nicolas Metzl
Laboratoire de Physique et Chimie Marine
Université P. et M. Curie - Case 134
4 Place Jussieu
75252 Paris cedex 05