Le zooplancton et le micronecton sont les deux premiers échelons animaux de la chaine trophique marine. Bien que de tailles très différentes (200μm à 2mm pour le zooplancton, 2 à 20cm pour le micronecton), ces deux groupes d'espèces variées partagent un comportement singulier : les migrations nycthémérales. Ces migrations journalières entre la profondeur de jour et la surface de nuit induisent des flux de matière organique très importants entre les différentes profondeurs de l'océan. L'étude des cycles biogéochimiques océaniques a une grande importance pour l'étude du changement climatique. Cette étude est notamment conduite à travers le développement de modèles globaux de circulation océanique et de biogéochimie. La suite logique de ces développements est donc la modélisation du zooplancton et du micronecton. La gamme de modèles SEAPODYM modélise avec parcimonie la chaine trophique depuis le zooplancton jusqu'aux prédateurs supérieurs à l'aide de trois modèles. Cette thèse présente le modèle de biomasse de zooplancton SEAPODYM-LTL (pour lower trophic level, niveau trophique bas), ainsi qu'une analyse de sa sensibilité aux forçages. En effet, la particularité de ces modèles est leur forçage offline par des champs de courants, température et production primaire produits par d'autres modèles. Le modèle SEAPODYM-LTL est également comparé au modèle PISCES (NPZD), et présente des performances similaires à ce dernier dans le cas testé. Afin d'améliorer les prédictions du modèle SEAPODYM-MTL (mid-trophic level, i.e. le modèle de biomasse de micronecton), une méthodologie d'assimilation de données a été mise en place pour affiner la paramétrisation utilisée. Des données d'acoustique active (38kHz) sont donc utilisées pour enrichir le modèle. Cette méthodologie a été conçue autour d'un cas test présenté dans cette thèse. L'extension du jeu de données acoustiques assimilées au modèle a permis de mettre en évidence le besoin de mieux modéliser les profondeurs des couches verticales de SEAPODYM. Cela a été réalisé à l'aide du jeu de données acoustiques évoqué précédemment. Cette étude est également présentée dans cette thèse. / Zooplankton and micronecton are the first marine trophic levels. Different by their size (200μm to 2mm for zooplankton, 2 to 20cm for micronekton), this two groups undergo diel vertical migration from depth by day to the surface during the night. These migrations create major organic matter fluxes between the deep ocean and the surface. Biogeochemical cycles are of great importance for climate change studies. These studies are conducted with ocean global circulation model and biogeochemical model. The way to go is develop low and mid-trophic level modelling approaches. SEAPODYM ensemble of models are three parsimonious model of biomass at diverse level of the trophic chain, from zooplankton to top predators. This thesis introduce the zooplankton biomass model SEAPODYM-LTL (lower trophic level) and a forcing fields sensitivity analysis. Indeed, these model are forced off line by currents, temperature and primary production fields produced by other models. SEAPODYM-LTL has also been compared to PISCES (NPZD) and both have similar performance score in this study. In order to improve SEAPODYM-MTL (mid trophic level) predictions, a data assimilation framework has been developed to find a better parameterisation. 38kHz active acoustic data have been used to improve the model. This methodology has been develop thanks to a test case that we present in this thesis. The gathered acoustic dataset permitted to show the need of a better definition of vertical layer depths. It has been developed using the acoustic dataset. The related study is presented in this thesis.

Des données acoustiques sont collectées en continu lors de campagnes écosystémiques pour détecter les bancs de poissons d’espèces commerciales et en quantifier l’abondance. Ces données multifréquences contiennent également des informations sur des agrégations de cibles plus petites qui se présentent sous forme de couches diffusantes. Il existe une grande diversité de couches diffusantes dont l’aspect sur les échogrammes, la réponse fréquentielle et la composition spécifique varient. L'objectif de cette thèse est de définir les types de couches diffusantes rencontrées lors de la campagne PELGAS, de décrire leurs distributions spatiales à méso-échelle, de les comparer à celles des autres compartiments de l'écosystème, et d'examiner la composition taxonomique des couches diffusantes résonantes à fine échelle. Une méthode de classification non supervisée des échos appliquée aux données PELGAS permet de définir des « paysages acoustiques » structurés spatialement. Ces paysages acoustiques sont dominés par des réflecteurs porteurs de bulles de gaz résonnant aux fréquences halieutiques et ne sont corrélés à aucun compartiment de l'écosystème pélagique issus de PELGAS2013. La composition biologique de couches diffusantes denses est étudiée à fine échelle en combinant par des approches directe et inverse les résultats de leur échantillonnage acoustique et biologique. Les résultats montrent que la réponse acoustique des couches diffusantes denses est dominée par celle de bulles de gaz incluses dans des larves de poissons (e.g. Sardina pilchardus}), et dans des organismes micronectoniques, qui sont peu ou pas échantillonnés avec les outils de collecte biologique. / Fisheries acoustic data are continuously collected during ecosystemic surveys to detect fish schools of commercial species and to quantify the fish abundance. These multifrequency data also contain information about smaller target aggregations producing ubiquitous Sound Scattering Layers (SSLs) on the echograms, with quite diverse shape, frequency responses and taxonomic compositions. In this work, we focus on the SSLs observed in spring in the Bay of Biscay during the PELGAS surveys. The objectives are: i) to classify SSLs, ii) to describe their spatial meso-scale distribution, iii) to investigate their relationships with other ecosystem components, and iv) to investigate the taxonomic composition of resonant SSLs at fine scale. A Multiple Correspondence Analysis based method for non supervised echoes classification is applied to PELGAS multifrequency data to define constrasted and spatially structured “acoustic landscapes”. Acoustic landscapes are dominated by frequency responses of gas-bearing organisms, whose gas inclusion might resonate at the fisheries acoustic frequencies. No correlation is found between the spatial distributions of acoustic landscapes and those of other pelagic ecosystem components indices. The biological composition of resonant SSLs is investigated by jointly applying forward and inverse approaches to fine scale acoustic and biological data collected in the same dense SSL. Results suggest that the dense SSLs may be comprised of fish larvae (e.g. Sardina pilchardus) and larger micronektonic gas-bearing organims that are so far very poorly sampled by non-acoustic devices.

Pour comprendre le fonctionnement d'un écosystème, il est essentiel de comprendre l'organisation du réseau trophique associé. Dans les eaux océaniques du sud-ouest de l'océan Indien (10-60°S, 35-90°E), si la répartition de la production primaire et la distribution des prédateurs supérieurs sont bien connues, un manque de connaissance demeure en ce qui concerne la distribution des différents organismes composant l'échelon trophique intermédiaire et ce, malgré leur importance écologique (pompe biologique et rôle trophique clé) et potentiellement économique (ambitions de pêche dans un futur proche). Pour combler ce manque, ce travail de thèse s'est concentré sur les distributions horizontale et verticale et la composition des organismes micronectoniques de cette région. La distribution du micronecton a donc été étudiée à méso- et large-échelle à partir d'enregistrements acoustiques (38 kHz). En termes de distribution verticale, une structuration en trois couches principales a été mise en évidence ; l'intensité et l'épaisseur de ces couches variant selon la période du jour (migrations nycthémérales) et les conditions océaniques (tourbillons océaniques à méso-échelle et fronts océaniques à large-échelle). En ce qui concerne la distribution horizontale, le sud-ouest de l'océan Indien a été caractérisé par des eaux (10 – 800 m) plus riches aux latitudes subtropicales, en été comme en hiver. Mais chaque type d'organisme ayant ses propres caractéristiques écologiques, il était important de pouvoir décrire les distributions propres à chaque groupe biologique composant ce micronecton. Une approche acoustique bifréquence (38 et 120 kHz) a permis de distinguer les crustacés micronectoniques des petits poissons mésopélagiques contenant une vessie natatoire gazeuse dans les eaux est de Kerguelen. En termes de distribution horizontale et de densité globale estimée, les crustacés micronectoniques dominaient les eaux océaniques à l'est de Kerguelen. Sur la verticale, deux types de structuration ont été mis en évidence : une structure agrégative et une structure en couches. Les crustacés micronectoniques ont été caractérisés par une structuration en couches, de jour comme de nuit, alors que les autres organismes sondés (les poissons ayant une vessie natatoire gazeuse notamment) présentaient une structuration mixte composée d'agrégats et de couches le jour et composée uniquement de couches la nuit. En résumé, l'approche acoustique utilisée dans ce travail a permis de décrire la distribution et la composition des organismes micronectoniques et fournit une base descriptive essentielle sur le micronecton du sud-ouest de l'océan Indien. / To understand the functioning of an ecosystem, it is essential to understand the organization of its associated food web. While the distribution of primary production and top predators in the Southwest Indian Ocean's oceanic waters (10-60 ° S, 35-90 ° E) are well known, a lack of knowledge remains regarding the distribution of mid-trophic level organisms, despite their ecological (biological pump and key trophic role) and potentially economic (commercial fisheries in the near future) importance. To fill this gap, this work focused on the horizontal and vertical distribution and composition of micronektonic communities in this region. Micronekton comprises relatively small organisms (1 to 20 cm long) able to swim freely without being unduly affected by currents. Micronekton distributions have been studied at meso- and large-scale using acoustic recordings (38 kHz). A vertical structure in three layers has been identified ; the intensity and thickness of these layers vary depending on the considered time period (diel migration) and ocean conditions (meso-scale oceanic eddies and large-scale oceanic fronts). Horizontaly, the Southwestern Indian Ocean harbours the richest waters (10-800 m) in subtropical latitudes in summer and winter times. Since every organism has its own ecological characteristics, it was important to separatly describe the distribution of biological groups composing micronekton. A bi-frequency acoustic approach (38 and 120 kHz) allowed the distinction of micronektonic crustaceans from small mesopelagic gas-filled swimbladder fish in waters east of Kerguelen where micronektonic crustaceans where dominant in terms of overall acoustic density. Two distinct types of vertical structure were highlighted : an aggregative and a layer structure. Micronektonic crustaceans were characterized by layering, day and night, while other organisms (gas-filled swimbladder fish in particular) exhibited structure mixing aggregates and layers during the day, but only composed of layers during the night. In summary, the acoustic approach used in this work helped to describe the distribution and composition of micronektonic organisms and provides an essential knowledge base on the micronekton of the southwest Indian Ocean.