Les cétacés grands plongeurs, cachalots Physeteridae et Kogiidae, et baleines à bec Zipiidae, sont des espèces marines rares. Leur faible densité, aire de distribution étendue et faible disponibilité en surface génèrent de faibles taux d’observations. Cette particularité constitue un défi pour la modélisation d’habitat de ces espèces, préalable à leur conservation. Les modèles doivent gérer l’abondance de zéros qui limitent leur capacité à inférer des résultats écologiquement cohérents. Cette thèse vise donc à trouver une méthodologie adaptée aux jeux de données abondants en zéros, à déterminer comment les variables environnementales influencent la distribution des grands plongeurs et à prédire les zones potentielles qu’ils utilisent. Tester la capacité de prédiction de différents modèles d'habitat confrontés à un nombre décroissant d’observations a permis de souligner la pertinence d’un modèle, même si un minimum de 50 observations est nécessaire pour fournir des prédictions fiables. Des données issues de différentes campagnes visuelles ont été assemblées afin de produire les premières cartes de densités de grands plongeurs à l’échelle de l’océan Atlantique Nord et la mer Méditerranée. Les densités les plus élevées sont prédites dans les eaux entre 1500 et 4000 m de profondeur et près des fronts thermiques, particulièrement le long des pentes continentales et à l'ouest de l'océan Atlantique Nord. Par ailleurs, l’analyse de la transférabilité des modèles a montré une variation des habitats préférentiels en fonction des écosystèmes. Finalement, cette thèse permet de discuter les défis de la modélisation statistique appliquée aux espèces rares et les applications de gestion associées. / Deep-diving cetaceans, sperm- and beaked whales Physeteridae, Kogiidae and Ziphiidae, are rare marine species. Due to their low densities, wide distribution ranges and limited presence at the water surface, visual surveys usually result in low sighting rates. This paucity of data challenges the modelling of their habitat, prerequisite for their conservation. Models have to cope with a great number of zeros that weakens the ability to make sound ecological inferences. Consequently, this thesis aimed at finding a methodology suitable for datasets with a large number of zeros, determining how environmental variables influence deep-diver distributions and predicting areas preferentially used by these species. By testing the predictive performance of various habitat models fitted to decreasing numbers of sightings, I selected the most suitable model and determined that at least 50 sightings were needed to provide reliable predictions. However, individual surveys can rarely provide sufficient deep-diver sightings thus I merged many visual survey datasets to produce the first basin-wide deep-diver density maps in the North Atlantic Ocean and the Mediterranean Sea. Highest densities were predicted in waters from 1500-4000 m deep and close to thermal fronts ; hotspots were predicted along the continental slopes, particularly in the western North Atlantic Ocean. In addition, a model transferability analysis highlighted that habitat drivers selected by the models varied between contrasted large ecosystems. Finally, I discussed challenges related to statistical modelling applied to rare species and the management applications of this thesis.

Le milieu marin est un espace difficile à étudier et notre connaissance des cétacés et des oiseaux marins présente encore de nombreuses lacunes, notamment concernant leur distribution au large. Le milieu marin pélagique est caractérisé par une forte variabilité spatiotemporelle, les différents processus écologiques composant cet écosystème étant très dynamiques dans le temps et l'espace. Il est donc crucial pour ces espèces marines d'anticiper ces variations afin de se maintenir dans le milieu. Grâce à des campagnes en mer à grandes échelles réalisées en Manche, Golfe de Gascogne et Méditerranée occidentale, cette thèse vise à améliorer la connaissance de la distribution des cétacés et oiseaux marins dans ces régions, et explorer l'impact de la variabilité spatiotemporelle de l'océan sur leur écologie. Ce travail se focalise notamment sur deux échelles temporelles, les variations saisonnières et interannuelles. Dans un premier temps, nous étudierons les variations de préférences d'habitats des espèces étudiées à ces deux échelles. Les cétacés et oiseaux marins étant des espèces longévives caractérisées par de longues périodes d'apprentissage au début de leur vie, nous explorerons également comment la réponse à la saisonnalité varie en fonction de l'expérience chez une espèce commune dans la région, le fou de Bassan. Enfin, nous finirons par explorer les liens prédateurs-proies dans le Golfe de Gascogne, en considérant notamment l'accessibilité de ces proies en termes de taille et de profondeur. Ainsi, cette thèse nous permettra de discuter les implications de ce travail concernant l'écologie des cétacés et oiseaux marins, ainsi que leur conservation. / Marine ecosystem is hard to study and several gaps remain in our understanding of cetaceans and seabirds, particularly regarding their at-sea distributions. The pelagic ecosystem is characterised by an important spatiotemporal variability, thanks to the space and time dynamics of its constituting ecological processes. Top predators thus have to anticipate this variability to sustain themselves in the ecosystem. Based on large-scale surveys across waters of the English Channel, Bay of Biscay and north-western Mediterranean Sea, this thesis aimed at improving knowledge regarding the distribution of cetaceans and seabirds in the area, and to explore the impact of ocean spatiotemporal variability on their ecology. This work focused on two temporal scales, the seasonal and interannual variability. We first explored the variations of habitat preferences of studied species at these two temporal scales. Cetaceans and seabirds being long-lived species characterised by long learning periods in their early life, the response to seasonality was investigated according to age and experience in northern gannets, the most abundant seabird species in the area. Finally, the predator-prey association within the Bay of Biscay was also explored, by contrasting prey accessibility in terms of size and depth. The implications of this work regarding the ecology of marine top predators, as well as their conservation, are finally discussed.