Il est entendu qu'une représentation correcte de la dynamique océanique est une condition nécessaire à toute modélisation biogéochimique de l'océan global. C'est pourquoi dans ce projet nous prendrons un grand soin à établir une étroite collaboration avec les dynamiciens de l'équipe ECUME du LODyC en charge du développement et de l'évaluation du modèle ORCA. En outre, des liens seront constitués avec le projet PNEDC BILBO coordonné par G. Madec (LODyC). Outre l'étude de la variabilité océanique, en particulier dans l'océan austral, réalisée avec le modèle ORCA global, ce projet inclut également un volet validation de la circulation océanique par les traceurs géochimiques tels que les CFCs et le C14 qui apparaissent complémentaires d'une étude purement dynamique du système. Ces travaux apporteront des informations très utiles et cruciales au projet présenté ici. 

1. Développement des modèles biogéochimiques

L'essentiel des développements présentés ci-dessous seront réalisés, étudiés et validés dans une première étape au moyen de modèles 1D appliqués à des sites spécifiques auxquels de nombreuses données de qualité sont disponibles mais également représentant des réalités biogéochimiques différentes. Ces stations sont la station DYFAMED en mer Ligure, les stations HOT et BATS dans les gyres subtropicales nord du Pacifique et de l'Atlantique, la station NABE dans l'Atlantique Nord, la station P dans le Pacifique Nord et Kerfix dans le secteur Indien de l'océan Austral. Concernant le module sédimentaire, des stations de la mer d'Arabie seront également envisagées du fait de l'abondance des données sédimentaires collectées dans cette région. Le modèle 1D sera construit à partir de modèle ORCA.  Une telle version existe actuellement et sera donc reprise dans cette étude. L'avantage de cette approche est de bénéficier du faible temps de calcul intrinsèque aux modèles 1D tout en effectuant les développement dans le système OPA ce qui rend son extension aux études 3D très aisée.

1. Zone euphotique

Le modèle de productivité primaire qui servira comme base de développement est le modèle PISCES, utilisé actuellement dans des études globales. La conception de ce modèle est identique  à celle des modèles classiques en compartiments (Fasham et al., 1990 ; Doney et al., 1996), mais un certain nombre d'améliorations ont été introduites. Par exemple, le modèle possède deux compartiments de phytoplancton (le nanophytoplancton et les diatomées), deux compartiments de zooplancton, deux compartiments de détritus, caractérisés par des vitesses de sédimentation différentes et un compartiment de matière organique dissoute semi-labile (durée de vie de quelques dizaines de jours à plusieurs années). En outre, ce modèle inclut la co-limitation par différents éléments nutritifs : les nitrates, les phosphates, les silicates et le fer. Enfin, la variation du rapport C/Chl est explicitement représentée en reprenant l'approche de Geider et al. (1998). Cette relative complexité se justifie par l'importance des processus de régénération et d'export dans le cycle du carbone, processus qui ne peuvent pas bien être pris en compte sans une représentation minimale de la structure en taille des particules et de la matière organique dissoute. En outre, la distinction entre diatomées et nanophytoplancton permet de reproduire les caractéristiques des zones HNLC du fait de différences de pression du broutage par le zooplancton et une efficacité différente à utiliser les éléments nutritifs disponibles.

D'autres modèles de production primaire existent actuellement au sein du LODyC, en particulier le modèle BIOMELL développé par M. Lévy et F. Olivier (Lévy et al., 1998 ; Olivier, 2000). Au cours de cette année, la convergence de ces modèles et de PISCES vers un modèle commun sera entreprise. En particulier, les travaux réalisés par F. Olivier au cours de sa thèse sur le couplage silicium/azote seront repris. Basée sur les processus proposés par Flynn et Martin-Jézéquel (2000), l'absorption de Si est partiellement découplée de celle en azote ce qui permet de décrire de façon mécaniste les variations du rapport Si/N dans les cellules de diatomées. Ce découplage sera étendu au Fer pour rendre compte de l'augmentation du rapport Si/N en cas de limitation par le Fer (Hutchins and Bruland, 1998 ; Franck et al., 2000). De plus, ces modèles considèrent deux sources différenciées d'azote pour le phytoplancton, les nitrates et l'ammonium alors que PISCES ne représente qu'une seule source d'azote indifférenciée. Cette distinction sera reprise dans ce modèle commun avec une représentation explicite de la nitrification. En outre, il apparaît probable que les cellules de phytoplancton dans les systèmes limités par le Fer s'adaptent pour prendre plus efficacement l'ammonium même en présence de concentrations relativement élevées de nitrates (par ex : Armstrong, 1999). Cet effet du fer sur la préférence en ammonium sera introduite en reprenant dans une première étape la paramétrisation simple de Moore et al. (1999).

Parallèlement à ce travail de rationalisation des modèles biogéochimiques existants, deux développements principaux seront entrepris dans le modèle biologique :

1. tout d'abord, un représentation explicite des organismes fixateurs de l'azote sera introduite. Ces organismes (principalement Trichodesmium spp.) jouent un rôle biogéochimique important du fait de leur capacité à s'affranchir de la disponibilité en nitrates ou en ammonium en prenant directement l'azote dissous dans l'eau. La fixation de N2 représente une source importante d'azote dans l'océan, en apportant un fraction significative de l'azote nouveau dans les gyres subtropicales (Carpenter et Roman, 1991 ; Karl et al., 1997). De plus, la floraison de Trichodesmium spp. change la composition élémentaire de la matière organique et peut faire passer le système d'une limitation par l'azote à une limitation par le phosphore. Ce travail s'appuiera sur des travaux de modélisation existant aussi bien en local (Hood et al., 2001 ; Fennel et al., 2002) qu'en global (Moore et al., 2001). Ce développement nécessitera de représenter explicitement les cycles de l'azote et du phosphore. Au cours de cette année, une première approche «simpliste» sera adoptée dans laquelle des rapports C/P fixes seront utilisés pour les différents réservoirs planctoniques. Ainsi la valeur canonique de 16/1 sera imposée à tous les réservoirs excepté Trichodesmium spp. A ces dernières sera affectée la valeur de 45/1 proposée par Letelier et Karl (1996). Pour les compartiments organiques particulaires et dissous, le rapport sera laissé libre en fonction de leur origine.

2. Ensuite, la boucle microbienne actuellement absente du modèle PISCES sera explictement représentée. Elle joue un rôle important dans la biogéochimie marine en assurant la régénération de la matière organique et ainsi en fournissant une part importante des nutriments consommés par le phytoplancton (Azam, 1998), en représentant une source de nourriture pour le microzooplancton (par ex., Rivkin et al., 1999), mais aussi en étant en compétition avec le phytoplancton pour les nutriments (par exemple, le Fer (Maldonado et Price, 1999)). Dans une première étape, la paramétrisation existant dans le modèle BIOMELL du LODyC sera reprise. Cette dernière reprend la formulation proposée par Fasham et al. (1990). Néanmoins, l'excretion d'azote par les bactéries sera rendue variable dépendant du rapport C/N du substrat (Goldmann et Dennett, 2000). L'introduction des bactéries dans le modèle PISCES requerra de représenter la matière organique dissoute labile.

2. Zone aphotique

Pour l'heure, l'ensemble des processus de dynamique des particules est décrit de façon simpliste dans les modèles biogéochimiques. Des profils quasi-exponentiels de redistribution (Suess, 1980 ; Martin et al. 1987), qui attribuent à chaque fraction particulaire une profondeur moyenne de pénétration, sont utilisés. Cette approche est loin d'être satisfaisante. Le développement d'un module permettant de rendre compte des processus physiques de coagulation/désaggrégation de la matière organique dissoute et particulaire se fera dans le cadre du projet européen ORFOIS (coord. C. Heinze) par I. Kriest  au MPIM de Hambourg. Son introduction dans le modèle biogéochimique sera effectuée ultérieurement au cours de l'année 2003.

Outre la description des processus physiques, un travail sera entrepris sur les mécanismes responsables de la transformation de la matière organique en composés inorganiques. Ceux-ci sont multiples et font intervenir le zooplancton et la boucle microbienne (Bishop et al., 1987, Sasaki et al., 1988). Pour l'instant, dans le modèle PISCES, seule la respiration hétérotrophe du zooplancton est représentée, et ceci uniquement dans la zone euphotique. Banse (1990) a montré que la dynamique du flux de particules sous la zone euphotique était largement influencée par la distribution verticale du zooplancton. Les processus de broutage et de respiration hétérotrophe du zooplancton seront étendus à l'ensemble de la colonne d'eau. Cette extension concernera également l'activité microbienne (voir ci-dessus).

3. Modèle diagénétique

Le modèle diagénétique HAMOCC2s (Heinze et al., 1999) retenu pour le couplage au modèle 3D du cycle global du carbone océanique simule la distribution de quatre traceurs solides (carbone organique, silice biogénique, carbonates, et fraction terrigène) et six traceurs dissous (oxygène, phosphate, nitrate, alcalinité, carbone inorganique dissous et silice dissoute) dans les sédiments océaniques bioturbés. Les flux de particules et la concentration des traceurs dissous dans les eaux de fond sont imposés à l'interface eau-sédiment. La colonne sédimentaire est découpée en couches successives. Pour tenir compte de l'observation que les gradients de concentration sont plus forts dans le voisinage immédiat de l'interface eau-sédiment, l'épaisseur des couches augmente avec la profondeur. A chaque pas de temps et pour chaque couche, l'accumulation équivaut au dépôt moins les pertes attribuées aux réactions. Les principales réactions décrites sont (1) la dégradation de la matière organique par voie oxique et suboxique (réduction des nitrates), (2) la dissolution de la silice biogénique et (3) la dissolution des carbonates. Les substances dissoutes sont échangées entre couches adjacentes et avec les eaux surnageantes par diffusion moléculaire. La fraction solide est soumise à l'advection et à la bioturbation. A l'équilibre, le flux d'enfouissement balance les flux d'entrée (rivières, dépôts atmosphériques). Ces derniers sont prescrits et le taux d'enfouissement n'est donc pas un grandeur pronostique. En revanche, la distribution spatiale de ce taux est pronostique et peut servir de validation du modèle par comparaison avec les observations.

Au cours de cette année, l'essentiel du travail consistera au couplage de ce modèle sédimentaire avec le modèle biogéochimique 3D ainsi qu'à sa validation tout d'abord au moyen de modèles 1D appliqués à des sites précis. Néanmoins, certaines améliorations seront apportées notamment sur les cinétiques de dissolution des carbonates et de la silice biogénique. En outre, la dégradation de la matière organique sera étendue à la dénitrification.

2. Procédures d'intégration et de couplage

Ce point, quoique très technique, est néanmoins un aspect essentiel de la modélisation 3D à l'échelle du globe. En effet, la recherche d'une meilleure résolution spatiale de l'océan, la complexification des modèles biogéochimiques et l'adoption d'un module sédimentaire rendent le système très coûteux en terme d'heures de calcul mais aussi en temps de réalisation d'une simulation (le temps entre sa soumission sur le supercalculateur et la réception de résultats exploitables). Ceci est d'autant plus vrai pour les simulations à l'équilibre ou les études de variabilités  longues (~1000 ans) et paléoclimatiques. Etant donnés les projets d'améliorations envisagées ici, la réalisation de simulations longues avec le système complet apparaît impossible en l'état sans user de techniques d'accélération de convergence.

 Pour les simulations longues du modèle biogéochimique complet (zone euphotique, colonne d'eau et sédiments), la technique d'accélération de convergence DEGINT (Aumont et al., 1998) sera adoptée. Cette approche repose sur l'idée que la simulation est d'autant plus courte que le système initiale est proche de son état d'équilibre. Elle ne fonctionne que pour les simulations à l'équilibre de type offline, c'est-à-dire dans le cas où la dynamique océanique a été simulée auparavant indépendamment. La résolution des champs dynamiques est dégradée d'un facteur quatre en moyennant les grandeurs physiques de sorte que les flux d'eau et de traceurs entre les cellules du modèle soient conservés. Cette technique peut être appliquée plusieurs fois successivement selon la résolution initiale du modèle. Elle permet à chaque étape une accélération d'un facteur environ 8 de la convergence du modèle. Les sorties du modèle dégradé sont ensuite utilisées en entrée du modèle de plus haute résolution, permettant de réduire son intégration à quelques centaines d'années contre plusieurs milliers d'années si un état initial quelconque était choisi. Cette technique a été appliquée avec succès à la configuration PISCES/ORCA actuelle avec deux dégradations successives et permet de réduire de seize fois environ le temps d'intégration nécessaire pour des simulations longues dites à l'équilibre.

 Néanmoins, l'utilisation de DEGINT ne sera pas suffisante pour les simulations visant à l'étude des sédiments marins. En effet, les processus sédimentaires mettent en jeu des échelles de temps très contrastées qui vont de la saison pour le recyclage des flux déposés à l'interface eau-sédiment aux échelles géologiques pour la fraction du flux qui est enfouie. Ainsi, un temps d'intégration d'au moins 20000 ans est nécessaire pour équilibrer les flux d'enfouissement sédimentaire. Pour cela, en plus de DEGINT, nous nous proposons d'utiliser la technique de «burst coupling». Dans cette approche, l'intégration off-line de la composante lente du système est alternée avec l'intégration du système couplé dans son ensemble. Dans notre cas, les sédiments off-line seront intégrés pendant 100 ans, la colonne d'eau (concentration des traceurs dissous et flux de particules) étant imposé comme forçage sans rétroaction des sédiments sur la composition des eaux de fond. Puis, le système couplé complet sera intégré 10 ans. Ce facteur 10 est purement empirique et sera adapté en fonction des problèmes concrets. Une manière supplémentaire d'accélerer la convergence du modèle sédimentaire consiste à initialiser la distribution des traceurs sédimentaires soit à partir de données (Archer, 1996 ; Jahnke, 1996), soit à partir des sorties d'un modèle de plus basse résolution (HAMOCC2s).

Etudes globales 3D

Au cours de cette année, deux types de simulations globales 3D seront réalisées :

1. des simulations climatologiques saisonnières afin de valider et d'étudier le comportement du modèle biogéochimique. Les nouveaux développements seront analysés tout d'abord indépendamment puis collectivement afin d'en déterminer l'importance respective dans les cycles du carbone et des éléments associés. Toutes ces simulations seront dites à l'équilibre le temps d'intégration variant de quelques milliers d'années à plusieurs dizaines de milliers d'années selon que les sédiments seront inclus ou pas. Ce travail global fera suite aux études de processus 1D. On s'attachera également à réaliser une « cartographie » climatologique des flux air-mer de CO2 et d'O2 et d'en déterminer la sensibilité aux différents processus représentés par le modèle.

2. des simulations interannuelles sur la période 1948-2000 utilisant les champs de forçage NCEP.  Ces simulations ne concerneront dans cette première année que la version actuelle du modèle PISCES avant d'être étendues aux versions plus complètes et complexes du modèle les années suivantes. Les impacts sur la biogéochimie marine de certains phénomènes majeurs seront plus particulièrement analysés : l'oscillation ENSO, la variabilité décennale dans le bassin Pacifique (PDO), la variabilité décennale dans le bassin Nord-Atlantique (NAO) en lien avec le programme national POMME. Une attention particulière sera portée au bassin Pacifique dans son ensemble. En effet, les analyses physiques et biologiques ont montré l'existence de transitions brutales entre deux états dans tout le bassin au cours des années 1977-1978 et en 1989 (Climate Shift) (Venrick et al., 1987 ; Ebbesmeyer et al., 1991 ; Hare et Mantua, 2000 ; Miller et Schneider, 2000). Ainsi, le Pacifique central s'est refroidi alors que les bords est, ouest et sud se sont réchauffés. En outre, la fréquence des évènements El Nino s'est notablement accrue. Par ailleurs, la variabilité interannuelle dans l'océan austral (particulièrement, l'Antarctic Circumpolar Wave) ne sera pas étudiée en tant que telle dans ce projet mais dans le cadre d'une collaboration avec C. Le Quéré du MPI de Jena.

La validation de ces simulations se fera par l'utilisation de données satellitales et in situ. Les premières permettront d'évaluer la capacité du modèle à reproduire la chlorophylle de surface ainsi que sa variabilité saisonnière et interannuelle en utilisant les produits SEAWiFS, CZCS et POLDER. Pour les données in situ, une grande variété de mesures sera considérée. Par exemple, les bases de données du NODC permettront une validation grande échelle de la distribution des nitrates, phosphates, silicates et chlorophylles. En outre, leur période de couverture devrait permettre une évalutation, tout au moins partielle, de la variabilité interannuelle prédite par la modèle. D'autre part, différentes compilations de données concernant l'export de particules sous la zone euphotique (J. Dunne, Princeton University), les mesures de trappes à sédiments profondes, l'activité bactérienne (R. Rivkin, University of Newfoundland, Canada) seront utilisés pour apprécier les résultats du modèle, en particulier le module de colonne d'eau. Enfin, des compilations de données sédimentaires (Archer, 1996 ; Jahnke, 1996 ; le projet SINOPS coordonné par E. Maier-Reimer) devraient non seulement permettre de valider le modèle sédimentaire, mais également de mieux contraindre la contribution des diatomées à la production totale, l'export de carbone organique depuis la zone euphotique ainsi que le rapport des flux de carbone organique et inorganique (rain ratio). La série de campagnes dans l'Atlantique Nord, dans le cadre du projet POMME, apparaît comme un moyen particulièrement intéressant et puissant pour la validation du modèle, plus spécifiquement dans la zone aphotique où les données sont rares et souvent peu complètes. Cette campagne s'intéresse en effet au devenir de la matière organique produite en surface dans les 400 premiers mètres de l'océan. De nombreuses mesures ont été réalisées afin de caractériser les mécanismes de reminéralisation de la matière organique.