Coastal oceans play an important role in the carbon cycle and are hotspots of ocean primary production and ocean acidification. These coastal regions are strongly influenced by rives, especially in the Arctic. Despite the importance of the riverine delivery of carbon and nutrients, their effect on the Arctic Ocean is still poorly understood due to hostile conditions and the consequently low number of observations. This thesis aims at improving our understanding of the influence of Arctic riverine delivery of carbon and nutrients by using ocean biogeochemical models.The first part of the thesis evaluated the model skills of the ocean biogeochemical model NEMO-PISCES in the Arctic Ocean. By analyzing model results at different horizontal resolutions, the importance of lateral influx from the adjacent oceans for anthropogenic carbon cycle in the Arctic Ocean wasdemonstrated. These results were then used to adjust a previously published data-based estimate of anthropogenic carbon storage in the Arctic Ocean and the corresponding ocean acidification.In the second part, a pan-Arctic observation-based dataset of riverine carbon and nutrient fluxes was created. This dataset was then used to force the ocean biogeochemical model and the river fluxes were quantified. River fluxes have been shown to sustain up to 24% of Arctic Ocean primary production, to reduce the air-sea CO2 uptake by 20%, and to reduce surface ocean acidification seasonally. Eventually, idealized simulations were made to quantify the sensitivity of the Arctic Ocean biogeochemistry to future changes in riverine delivery of carbon and nutrients. Sensitivities are of small magnitude on a pan-Arctic scale, importance in the coastal areas, and the dominant factor close to river mouths. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The northwestern (NW) continental shelf of the Black Sea undergoes seasonal hypoxia. The benthic environment, the exchanges at the water-sediment interface and the diagenetic reactions are influenced by this phenomenon. In the framework of the BENTHOX project, two field cruises were conducted on the shelf in spring 2016 and in summer 2017.The first part of this investigation concerned the study of the impact of low oxygen levels in bottom waters on the diagenetic reactions. The microprofilings of geochemical parameters and the flux measurements showed both spatial and temporal variabilities in the benthic compartment of the NW continental shelf for the two seasons studied. The areas closest to the coasts exhibited the most important fluxes of oxygen consumption and of sulfate. These regions were strongly influenced by riverine inputs inducing a higher productivity and in turn resulting in an increase in the fluxes of organic matter deposited on the seabed.The diagenetic reactions were impacted by seasonal deoxygenation in bottom waters. The oxic respiration was less important in the summer as reflected by the shallower penetration depth of dissolved oxygen. Since 1995, the diffusive oxygen uptake (DOU) reported during hypoxic period indicated that the concentration of dissolved oxygen played an important role in the benthic exchange fluxes. Furthermore, a shallower reduction of sulphate and of Mn- and Fe-oxides observed in the sediments evidenced the impact of low oxygen levels on the diagenetic cascade. As a consequence, the benthic mineralization of organic matter was affected. During summer 2017, the oxic mineralization of organic carbon was less important and the contribution of the reducing species to oxygen consumption increased. The anaerobic mineralization of organic matter became thus the dominant process during the period of deoxygenation.The second part concerned the study of the sulfur and iron cycling in the shelf sediments during the low oxygen event of summer 2017. The sediments from the station close to the mouth of the Danube and that near the Dnieper exhibited a signature of detrital material different from that of the upper crust. The inputs of organic matter, in particular transported by the rivers, could influence the signal. The sediments of the NW shelf investigated were however of marine origin.Following the sulfate reduction already observed and mentioned above, the hydrogen sulfides produced were rapidly consumed as suggested by the low concentrations of acid volatile sulfide (AVS) and of the dissolved sulfide. The presence of pyrite in the upper layers of the sediments close to the water-sediment interface was plausible because the formation of pyrite in the water column had been reported due to the higher resistance of pyrite to oxidation compared to AVS (Wijsman et al. 2001). A non steady-state deposition was observed as suggested by Wijsman et al. (1999). It was characterized by an abrupt drop in the pyrite content caused possibly by fluctuations in salinity, dissolved O2 concentrations and organic matter fluxes.The non-reactive iron constituted the principal fraction of the total iron present in the sediments. Its contribution fell in the range reported for the marine sediments of the continental margins. A spatial variation of the concentration of highly reactive iron was nevertheless observed. Near the Dnieper mouth, the contents of reactive iron were lower and could be attributed to the less important fluvial inputs, to the sorption and/or precipitation processes or yet to the reallocation of the reactive iron of the shelf deposits towards the sediments in deep and euxinic waters.The last part of this thesis concerned the biogeochemistry of metals (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co and Cd) during the early diagenesis and the assessment of enrichment and pollution of these metals in the sediments of the shelf. The results showed that trace metals are probably linked to iron and manganese oxides as well as to sulphides. Ni and Zn could be involved in adsorption onto and co-precipitation with Fe- and Mn-oxides. Cu seemed to be associated preferentially to sulphides but no clear correlation was found. The enrichment and pollution of these metals in the shelf sediments showed spatial variability. The Danube delta area was enriched in Ni, Cu and Zn while the Odessa region was enriched in Co and Cd. The pollution of shelf sediments ranged from “unpolluted” to “very highly polluted”. Since the late 20th century, the heavy metal contents in shelf sediments remained stable in the Odessa region but increased in the Danube delta area. / Le plateau continental du Nord-Ouest de la Mer Noire subit une hypoxie saisonnière. L'environnement benthique, l'échange à l'interface eau-sédiment et les réactions diagénétiques sont influencés par ce phénomène. Dans le cadre du projet BENTHOX, deux campagnes de prélèvement ont été menées sur le plateau au printemps 2016 et à l'été 2017 dans le but de comprendre ces changements.La première partie de cette recherche concerne l’impact des faibles concentrations en oxygène dans les eaux de fond sur les réactions diagénétiques. Les micro-profils de paramètres géochimiques et les mesures de flux ont montré des variabilités spatiales et temporelles dans le compartiment benthique pour les deux saisons étudiées. Les zones les plus proches des côtes ont présenté les flux les plus importants de consommation d'oxygène et de sulfate. Ces régions ont été fortement influencées par les apports fluviaux induisant une productivité plus élevée et entraînant à son tour une augmentation des flux de matière organique déposée sur le fond marin. Les réactions diagénétiques sont affectées par la désoxygénation saisonnière des eaux de fond. La respiration oxique etait moins importante en été comme en témoigne la profondeur de pénétration moins profonde de l’oxygène. Depuis 1995, l’absorption d’oxygène dissous (DOU) rapportée pendant la période limitée en oxygène a indiqué que la concentration d'oxygène dissous jouait un rôle important dans les flux d'échanges benthiques. De plus, une diminution de la profondeur à laquelle la réduction des sulfates et la réduction des oxydes métalliques témoigne de l'impact d'une faible concentration en oxygène sur la cascade diagénétique. En conséquence, la minéralisation benthique de la matière organique a été affectée. Au cours de l'été 2017, la minéralisation oxique du carbone a été moins importante et la contribution des espèces réductrices à la consommation d’oxygène a augmenté. La respiration anaérobie de la matière organique est ainsi devenue le processus dominant pendant la période d'hypoxie.La deuxième partie portait sur l'étude du cycle du soufre et du fer dans les sédiments du plateau lors de l'événement de faible teneur en oxygène de l'été 2017. Les sédiments de la station proche de l'embouchure du Danube et de celle du Dniepr présentaient une signature de matière détritique différente de celle de la croûte supérieure. Les apports de matière organique, notamment transportés par les rivières, pourraient influencer le signal. Les sédiments du plateau nord-ouest étudiés étaient cependant d'origine marine. Suite à la réduction du sulfate déjà observée et mentionnée ci-dessus, les sulfures d'hydrogène produits ont été rapidement consommés comme le suggèrent les faibles concentrations en sulfure acide volatil (AVS) et en sulfure dissous. La présence de pyrite dans les couches supérieures des sédiments près de l'interface eau-sédiment était plausible car la formation de pyrite dans la colonne d'eau avait été signalée en raison de la résistance plus élevée de la pyrite à l'oxydation par rapport à l'AVS (Wijsman et al. 2001). Un dépôt à l'état non stationnaire a été observé comme le suggèrent Wijsman et al. (1999). Elle a été caractérisée par une chute brutale de la teneur en pyrite causée peut-être par des fluctuations de salinité, des concentrations d'O2 dissous et des flux de matière organiqueLe fer non réactif constituait la fraction principale du fer total présent dans les sédiments. Sa contribution est tombée dans la gamme signalée pour les sédiments marins des marges continentales. Une variation spatiale de la concentration en fer hautement réactif a néanmoins été observée. Près de l'embouchure du Dniepr, les teneurs en fer réactif étaient plus faibles et pouvaient être attribuées aux apports fluviaux moins importants, aux processus de sorption et / ou de précipitation ou encore à la réallocation du fer réactif des dépôts du plateau vers les sédiments en profondeur et eaux euxiniques.La dernière partie de cette thèse concerne la biogéochimie des métaux (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co et Cd) lors de la diagenèse précoce et l'évaluation de l'enrichissement et de la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau. Les résultats ont montré que les métaux traces sont probablement liés aux oxydes de fer et de manganèse ainsi qu'aux sulfures. Ni et Zn pourraient être impliqués dans l'adsorption et la coprécipitation avec les oxydes de Fe et de Mn. Le Cu semble être associé préférentiellement aux sulfures mais aucune corrélation claire n'a été trouvée. L'enrichissement et la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau ont montré une variabilité spatiale. La zone du delta du Danube a été enrichie en Ni, Cu et Zn tandis que la région d'Odessa s'est enrichie en Co et Cd. La pollution des sédiments du plateau allait de « non polluée » à « très fortement polluée ». Depuis la fin du 20e siècle, la teneur en métaux lourds des sédiments du plateau est restée stable dans la région d'Odessa mais a augmenté dans la région du delta du Danube. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail porte sur la comparaison de deux familles de méthodes d'assimilation de données de rang réduit en océanographie physique : l'approche séquentielle de type filtre SEEK et l'approche variationnelle de type 4D-Var réduit. Cette comparaison est d'abord effectuée dans un cadre idéal d'expériences jumelles puis dans un cadre réaliste avec l'assimilation de profils réels de température dans l'océan Pacifique Tropical sur une année. Les caractéristiques propres à chaque méthode sont mises en évidence. La pertinence physique des résultats est vérifiée par comparaison avec des données indépendantes. On présente enfin une méthode hybride combinant l'estimation d'erreur du filtrage du SEEK et le lissage du 4D-Var réduit.

In the last two decades, particular interest has been given to the cycle of dimethylsulfide (DMS), a climate active gas, and its precursors the dimethylsulfoniopropionate (DMSP) and the dimethylsulfoxide (DMSO). DMS is involved in the Earth’s radiation budget while the DMS(P,O) are produced by a wide variety of micro- and macroalgae, corals, bacteria, or angiosperms in response to diverse environmental stresses. Several functions have been suggested for these sulfur compounds such as antioxidants, cryoprotectants, overflow mechanisms, osmolytes, zooplankton deterrents or signalling compounds. This research aims at improving the knowledge about the antioxidant role of DMS(P,O) within three major phytoplankton groups: diatom (i.e. Skeletonema costatum), Prymnesiophyceae (i.e. Phaeocystis globosa) and dinoflagellate (i.e. Heterocapsa triquetra). The experimental results demonstrate that cellular DMS(P,O) have the ability to lower cellular reactive oxygen species concentrations produced during high-light and chemically-induced oxidative stresses; thus supporting the antioxidant function. However, the initial DMS(P,O) concentrations of each species are not informative of their ability to tolerate a further oxidative stress, and their concentrations do not increase in high-light grown cells. The DMS(P,O) may then act as antioxidants without being part of the antioxidant response of the cell. We recommend analysing more constituents of the antioxidant system (i.e. enzymes, carotenoids, redox buffer) along with DMS(P,O) by-products and DMSP-lyase activity to better understand the cellular function of DMSP. Field measurements in the North Sea, including the Belgian Coastal Zone (BCZ) and the Northern North Sea (NNS), bring additional information on the DMS(P,O) variations. While abiotic parameters (nutrients, temperature, and incident light) influence the Chlorophyll-a (Chl-a) concentrations in the BCZ, this impact is not reflected in the DMS(P,O) concentrations. The latter depend on the succession of low- and high-DMSP producing species (i.e. diatoms and Phaeocystis, respectively). In the NNS in August, no distinct pattern can be drawn for the DMS(P,O) evolution regarding the phytoplankton diversity or abiotic parameters. Investigated by correlations between DMS(P,O), photoprotective pigments and incident light, the antioxidant function is not observed for this short-term period of sampling in a temperate sea. Based on Chl-a linear regressions, DMS(P,O) concentrations are successfully estimated with two distinct relationships for diatoms and Prymnesiophyceae in the BCZ. However, this estimation lacks accuracy in the NNS due to the mixed phytoplankton community observed. Further work will provide a better understanding about the antioxidant function – especially on the field – and its association with the phytoplankton diversity in temperate regions such as the North Sea. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La représentation numérique des écoulements gravitaires et des courants de bords horizontaux est tr'es importante pour la simulation r'ealiste des masses d'eau profondes et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, nous cherchons a mieux modéliser ces deux interactions courant/topographie dans le code numérique de circulation océanique NEMO, en régime dynamique "eddy-permitting". Nous montrons, avec des configurations idéalisées et réalistes, que l'usage d'une paramétrisation de couche de fond classique (BBL : diffusion et advection des traceurs) améliore les solutions mais surestime le mélange en aval des seuils topographiques. Une réduction (systématique mais faible) des biais de la paramétrisation est obtenue par l'augmentation locale des effets agéostrophiques (friction pariétale et de fond, advection de la quantité de mouvement dans la BBL). Nos travaux suggèrent que cette paramétrisation atteint ses limites d'application dans le r'egime "eddy-permitting".

Les rivières sont une source importante de constituants biogéochimiques pour les océans. Jusqu’à présent, les modèles océaniques globaux représentaient de manière inadéquate ou ignoraient simplement les apports continentaux de nutriments, de carbone, d’alcalinité provenant des rivières. En particulier, les perturbations anthropiques des apports fluviaux au cours du 20 ème siècle et leurs conséquences sur l’état physique et biogéochimique des océans - notamment la zone côtière - n’ont pas encore été analysées à l’aide d’un modèle global prenant en compte la circulation tridimensionnelle de l’océan. L’objectif principal de cette thèse était donc d’intégrer les apports biogéochimiques provenant des rivières dans un modèle océanique global afin d’améliorer la compréhension du cycle du carbone de l’océan côtier et son évolution au cours du 20 ème siècle. Dans un premier temps, mon travail a visé à l’amélioration des connaissances concernant le rôle des apports biogéochimiques fluviaux sur le cycle du carbone océanique à long-terme, en se focalisant sur la période préindustrielle. Pour cela, j’ai estimé les apports des rivières en utilisant des modèles permettant d’estimer l’érosion chimique et le transfert de matière organique desécosystèmes terrestres à l’océan. Ces apports fluviaux ont ensuite été ajoutés dans le modèle biogéochimique océanique HAMOCC et leurs impacts sur la production primaire océanique et les flux de CO2 entre l’atmosphère et l’océan ont été analysés. Les résultats nous ont permis de quantifier un dégazage de CO 2 préindustriel de 0.23 Pg C yr -1 pour l’océan global, principalement localisé à proximité de l’embouchure des rivières. Le modèle a également démontré l’existence d’un transfert inter-hémisphèrique de carbone, avec un plus grand apport des rivières à l’océan dans l’hémisphère nord, et un transfert de l’hémisphère nord à l’hémisphère sud où un dégazage net se produit. Une augmentation considérable de la production primaire océanique induite par les apports des rivières a également été prédite.La modélisation biogéochimique de l’océan côtier a ensuite été améliorée, en augmentant la vitesse de minéralisation de la matière organique dans les sédiments côtiers et en incluant la dégradation de la matière organique dissoute d’origine terrestre (tDOM) dans l’océan. Par ailleurs, notre analyse suggère un temps de résidence des eaux dans la zone côtière significativement plus courte (14-16 mois en moyenne) que celui estimé jusqu’à présent (>4 ans). Ce temps de courte résidence implique un transfert efficace de matière organiquede l’océan côtier à l’océan ouvert, un état autotrophe net de l’océan côtier, ainsi qu’un puit de CO 2 (0.06-0.08 Pg C yr -1) pour la période préindustrielle, contrairement aux hypothèses précédemment proposées dans la littérature.Dans le dernier chapitre, les perturbations océaniques induites par les changements de la concentration en CO 2 dans l’atmosphère, de la physique de l’océan et des apports biogéochimiques fluviaux au cours du 20 ème siècle ont été analysées. Les résultats indiquent que la réduction de production primaire nette (NPP) observée dans les océans tropicaux et subtropicaux, pourrait être entièrement compensée par une augmentation de la NPP dans l’océan austral et dans les systèmes côtiers de type «EBUS». Les simulations montrent aussi que l’augmentation des apports fluviaux provoque une augmentation de NPP océanique à l’échelle de l’océan côtier (+15 %) et à l’échelle globale (+ 4 %). En conclusion, cette thèse a permis de démontrer l’importance d’inclure la variabilité spatio-temporelle des apports fluviaux et des processus biogéochimiques de l’océan côtier dans la description du cycle du carbone océanique global. Les améliorations apportées au modèle océanique global HAMOCC permettront d’affiner les prédictions du rôle de l’océan dans le cycle du carbone au cours du 21 ème siècle. / River deliver vast amounts of terrestrially derived compounds to the ocean. These fluxes are of particular importance for the coastal ocean, which is recognized as a region of disproportionate contribution to global oceanic biological fluxes. Until now, the riverine carbon, nutrient and alkalinity inputs have been poorly represented or omitted in global ocean biogeochemistry models. In particular, there has yet to be a model that considers the pre-industrial riverine loads of biogeochemical compounds to the ocean, and terrestrial inputs of organic matter are greatly simplified in their composition and reactivities in the ocean. Furthermore, the coastal ocean and its contribution to the globalcarbon cycle have remained enigmatic, with little attention being paid to this area of high biological productivity in global model analysis of carbon fluxes. Lastly, 20 th century perturbations in riverine fluxes as well as of the physical and biogeochemical states of the coastal ocean have remained unexplored in a 3-dimensional model. Thus, the main goals of this thesis are to integrate an improved representation of riverine supplies in a global ocean model, as well as to improve the representation of the coastal ocean in the model, in order to solve open questions with respect its global contributions to carbon cycling.In this thesis, I first aimed to close gaps of knowledge in the long-term implications of pre-industrial riverine loads for the oceanic cycling of carbon in a novel framework. I estimated pre-industrial biogeochemical riverine loads and their spatial distributions derived from Earth System Model variables while using a hierarchy of state-of-the-art weathering and organic matter land-ocean export models. I incorporated these loads into the global ocean biogeochemical model HAMOCC and investigated the induced changes in oceanic biological production and in the air-sea carbon flux, both at the global scale and in a regional shelf analysis. Finally, I summarized the results by assessing the net land sink of atmospheric carbon prescribed by the terrestrial models, and comparing it to the long-term carbon outgassing determined in the ocean model. The study reveals a pre-industrial oceanic outgassing flux of 231 Tg C yr -1 ,which is found to a large degree in proximity to the river mouths. The model also indicates an interhemispheric transfer of carbon from dominant northern hemisphere riverine inputs to outgassing in the southern hemisphere. Furthermore, I observe substantial riverine-induced increases in biological productivity in the tropical West Atlantic (+166 %), the Bay of Bengal (+377 %) and in the East China Sea (+71 %), in comparison to a model simulation which does not consider the riverine inputs.In addition to considering supplies provided by riverine fluxes, the biogeochemical representation of the coastal ocean is improved in HAMOCC, by firstly increasing organic matter remineralization rates in the coastal sediment and by secondly explicitly representing the breakdown process of terrestrial dissolved organic matter (tDOM) in the ocean. In an analysis of the coastal fluxes, the model shows a much shorter residence time of coastal waters (14-16 months) than previously assumed, which leads to an efficient cross-shelf transport of organic matter and a net autotrophic state for both the pre-industrial timeframe and the present day. The coastal ocean is also revealed as a CO2 sink for the pre-industrial time period (0.06-0.08 Pg C yr -1 ) in contrary to to the suggested source in published literature. The sink is however not only caused by the autotrophic state of the coastal ocean, but it is likely also strongly influenced by the effects of biological alkalinity production, as well as both physical and biogeochemical characteristics of open ocean inflows.In the final chapter, 20 th century oceanic perturbations due to changes in atmospheric CO 2 concentrations and in the physical climate, and to increases in riverine nutrient supplies were investigated by using sequential model simulations. The model results show that the decrease in the net primary production (NPP) in the tropical and subtropical oceans due to temperature-induced stratification may be completely compensated by increases in the Southern Ocean and in Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). The model also reveals that including increases in riverine supplies causes a global ocean NPP increase of +4 %, with the coastal ocean being a particularlystrongly affected region (+15 %).This thesis shows a strong necessity to represent spatio-temporal changes in riverine supplies and of the coastal ocean state in spatially explicit global models in order to assess changes of the global cycling of carbon in the ocean in the past and potentially in the future. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la contribution d'une méthode d'interpolation dynamique pour améliorer la représentation des processus océaniques à petite échelle dans les cartes altimétriques. La résolution actuelle de ces cartes construites par interpolation statistique optimale, est bien adaptée à l'étude de la variabilité mésoéchelle mais ne permet pas d'observer des structures de taille inférieures à 150-200 km, en grande partie à cause de l'échantillonnage spatio-temporel des données. La méthode d'interpolation dynamique est basée sur un modèle de propagation quasi-géostrophique (QG) à une couche et demie, dont le but est de recréer une partie de l'évolution temporelle des petites structures océaniques en utilisant la dynamique locale. Dans cette étude, nous appliquons cette méthode à la Méditerranée occidentale. En premier lieu nous avons évalué la capacité du propagateur QG à représenter la dynamique dans cette région. Nous avons ensuite utilisé ce propagateur pour réaliser l'interpolation dynamique dans un cas idéalisé spatialement, en comparant les champs reconstruits avec un modèle numérique à haute résolution. Les résultats ont montré une amélioration générale par rapport à une interpolation linéaire sur une période de 5-10 jours. La performance de la méthode à montré une disparité spatiale et temporelle, avec une amélioration plus importante pour les régions de forte variabilité et en période hivernale. Nous avons exploité deux pistes de complexification du propagateur afin de mieux modéliser la dynamique de la région, fortement influencée par les forçages atmosphériques locaux intenses, la géométrie du bassin et sa bathymétrie. Dans une seconde étude, nous avons évalué la contribution de cette méthode d'interpolation dynamique pour cartographier les données altimétriques réelles le long des traces. Pour cette étude, les structures de covariance dérivées de l'évolution du modèle QG ont été intégrées dans un schéma d'interpolation optimal. Les cartes dynamiques interpolées résultantes ont été comparées aux cartes altimétriques actuelles. Cette étude, qui participe à la préparation de l'exploitation des futures données haute résolution de la mission SWOT, a démontré l'efficacité d'un modèle relativement simple pour améliorer la résolution des cartes altimétriques. Néanmoins, tous ces résultats ont révèlé la difficulté de paramétrer de façon optimale cette méthode de cartographie pour caractériser la dynamique dans une région qui présente une forte variabilité spatiale et temporelle. Ce travail souligne aussi le besoin de mieux exploiter les différents jeux de mesures indépendantes pour évaluer rigoureusement l'amélioration des petites échelles, qui ont un impact non négligeable sur la dynamique de mésoéchelle, notamment sur les transferts énergétiques au sein de l'océan et sur les interactions physico-biologiques. / The main objectif of this thesis is to evaluate the contribution of a dynamic interpolation method to improve the representation of small scale ocean processes in altimetric maps. The current resolution of these maps constructed by a statistical optimal interpolation technique, is well adapted to the study of the mesoscale variability but does not allow us to observe structures of sizes smaller than 150-200km, largely due to the spatio-temporal sampling of the data. The dynamic interpolation method is based on a one-and-a-half layer quasi-geostrophic (QG) propagation model, aims to recreate part of the temporal evolution of small oceanic structures using the local dynamics. In this study, we apply this method to the western Mediterranean Sea. First we evaluate the QG propagator's capacity to represent the dynamics in this region. We then use this propagator to perform the dynamic interpolation in a spatially idealized case, comparing the reconstructed fields with a fine-resolution numerical model. The results show a general improvement compared to a linear interpolation over a period of 5-10 days. There is spatial and temporal disparity in the performance of the method, with a greater improvement for the regions of high variability and during the winter period. We explored ways of complexifying the QG propagator to better represent the dynamics of the region, influenced by the strong local atmospheric forcing, the geometry of the bassin and its bathymetry. In a second study, we evaluated the contribution of this dynamical interpolation method for mapping real alongtrack altimetric data. For this study, covariance structures derived from the QG model's evolution are integrated into an optimal interpolation scheme. The resulting dynamical interpolated maps are compared to the current altimetric maps. This study, which participates in the preparation of the exploitation of the future high resolution data of the SWOT mission, demonstrates the effectiveness of a relatively simple model to improve the resolution of the altimetric maps. Nevertheless, all of these results reveal the difficulty to optimally parameterize this mapping method to caracterize the dynamics in a region which presents a strong spatial and temporal variability. This work also highlights the need to better exploit the independant data to rigorously evaluate the improvement at small scales, which have significant impacts on the dynamics of the mesoscale, particularly on energy transfers within the ocean and on physico-biological interactions.

La représentation dans un modèle numérique de la circulation générale océanique de la formation des eaux denses de plateau et des intéractions entre la glace de mer, l'océan et l'atmosphère en Antarctique est indispensable pour une simulation réaliste des masses d'eau profonde et de la circulation thermohaline de l'océan global. Dans ce travail, j'ai cherché à améliorer la modélisation des phénomènes importants pour la formation et la modification des eaux denses présentes sur le plateau continental antarctique (glace de mer, ice shelves, forçage atmosphérique) dans le code d'océan/glace de mer NEMO. J'ai montré, avec des simulations régionales réalistes, que les réglages fins proposés pour le modèle de glace, l'implémentation de la paramétrisation des ice shelves, ainsi qu'une meilleure représentation des vents catabatiques ont chacun des impacts positifs sur les propriétés de la glace de mer, des polynies et des eaux de plateau. Cependant, les défauts initiaux ne sont pas totalement corrigés. Afin de rectifier les problèmes restants, des simulations sont effectuées avec un forçage atmosphérique adapté au continent Antarctique par un downscaling des réanalyses atmosphériques globales ERA40 réalisé par un modèle atmosphérique de mésoechelle. Ces simulations montrent que des améliorations bien plus importantes que celles réalisées précédemment peuvent être obtenues en changeant la température, l'humidité et le vent de surface, autant en terme de glace de mer que de densité de masses d'eau présentes sur le plateau continental. Malgré ces perfectionnements, des efforts importants restent à faire au niveau du forçage atmosphérique, du modèle de glace et des ice shelves

L'hydrodynamique du Golfe du Lion, situé en Méditerranée Nord Occidentale, fait intervenir de nombreux processus physiques, présentant des échelles de variabilité spatiale et temporelle très hétérogènes. La plupart de ces processus sont générés en réponse aux conditions atmosphériques et en particulier au forçage du vent. Ce travail de thèse contribue à la compréhension de cet impact sur les processus de petit échelle et met en évidence l'intérêt de la haute-résolution de ces forçages. Dans un premier temps, une étude de processus a permis de mettre en évidence l'influence du vent sur la génération d'un tourbillon méso-échelle situé à l'Est du golfe, pécédemment observé par radars HF. Les influences respectives de la bathymétrie, des effets de flottabilité et de la circulation générale ont également été évaluées à l'aide de configurations idéalisées du modèle hydrodynamique MARS3D. Dans un deuxième temps, différents modèles atmosphériques, de résolutions différentes, ont été comparés en tant que forçage d'un modèle hydrodynamique réaliste du Golfe du Lion. D'un point de vue énergétique, les mouvements inertiels de la couche de surface, les oscillations de la thermocline et la variabilité méso-échelle de l'océan sont amplifiés avec le modèle atmosphérique haute- résolution AROME. Cette étude également permis de mettre en évidence l'importance de la variabilité spatiale du vent pour la génération de l'upwelling au Nord du plateau et les intrusions le long de la côte Ouest.

Diatoms constitute a major group of phytoplankton, accounting for ~20% of the world’s primary production. Biological dinitrogen (N2) fixation by diazotrophic cyanobacteria has great biogeochemical implications in nitrogen (N) cycling, being the major source of new N input to the oceans and thereby contributing significantly to carbon (C) export production. It has been shown that iron (Fe) can be the limiting nutrient for phytoplankton growth, in particular, in the HNLC (High Nutrient Low Chlorophyll) regions. Iron plays thus an essential role in governing the marine primary productivity and the efficiency of biological carbon pump. Oceanic systems are undergoing continuous modifications at varying rates and magnitudes as a result of changing climate. The objective of our research is to evaluate the effects of global climate change processes (changing dust deposition, ocean acidification and sea-surface warming) on phytoplankton growth, biological N2 fixation, biogeochemical cycles, and the controlling role of Fe within these impacts. Laboratory culture experiments using a marine diatom Chaetoceros socialis were conducted at two temperatures (13 ℃ and 18 ℃) and two carbon dioxide partial pressures (pCO2, 400 µatm and 800 µatm). The present study clearly highlights the effect of ocean acidification on enhancing the release of Fe upon dust deposition. Our results also confirm that being a potential source of Fe, mineral dust provides in addition a readily utilizable source of macronutrients such as phosphorus (P) and silicon (Si). However, elevated atmospheric CO2 concentrations and ocean acidification may also have an adverse impact on diatom growth, causing a decrease in cell size and possible further changes in phytoplankton composition. Meanwhile, increasing temperature and ocean warming may lead to the reduction of diatom production as well as cell size, inducing poleward shifts in the biogeographic distribution of diatoms. Numerous factors can affect the extent of N2 fixation. A better understanding of the major environmental and nutrient controls governing this process is highly required. Iron and/or phosphorus are thought to be limiting factors in most oceanic regions. Special attention has been given to studying the effects of mineral dust deposition which is believed to promote N2 fixation as it increases the availability of both Fe and P. Three laboratory bioassays (+Fe, +P, +Dust) via incubation experiments were performed on Trichodesmium IMS101, an important contributor to marine N2 fixation. Each addition of Fe, P or desert dust was found to stimulate the growth and the N2 fixation activity of Trichodesmium IMS101. Several adaptive nutrient utilization strategies were observed, such as a Fe luxury uptake mechanism, a P-sparing effect and colony formation. In addition, during a field study in the temperate Northeast Atlantic Ocean using natural phytoplankton assemblages, N2 fixation was remarkably stimulated through the addition of dissolved Fe under low temperature and depleted P conditions, highlighting the critical role of Fe. At the time of this study, no Trichodesmium filaments were found in the region of investigation. The diazotrophic community was dominated by the unicellular cyanobacteria symbiont (prymnesiophyte-UCYN-A1) and heterotrophic diazotrophs, therefore suggesting that Fe could be the ultimate factor limiting N2 fixation of these smaller diazotrophs as well. Recently, the effects of ongoing climate change (ocean warming and acidification) on N2 fixation drew much attention, but various studies led to controversial conclusions. Semi-continuous dilution growth experiments were conducted on Trichodesmium IMS101 under future high pCO2 and warming seawater conditions (800 µatm and 28 °C) and compared to the present-day situations (400 µatm and 24 °C). The results indicate that higher pCO2 and therefore ocean acidification may be beneficial for Trichodesmium growth and N2 fixation. However, the present study suggests that Fe or P limitation in oligotrophic seawaters may offset the stimulation induced on Trichodesmium IMS101 due to ocean acidification. In contrast, ocean warming may not play an important role in Trichodesmium growth and N2 fixation with a 4 °C increase from 24 °C to 28 °C. Nevertheless, ocean warming was previously predicted to cause a shift in the geographical distribution of Trichodesmium toward higher latitudes, extending its niche to subtropical regions and potentially reducing its range in tropical ocean basins.Overall, the biological responses of the marine diatom Chaetoceros socialis and the N2-fixing cyanobacteria Trichodesmium IMS101 to several key climate change processes were presented and discussed in this study. These processes included dust deposition, and ocean acidification and warming, which were shown to have a significant impact on oceanic phytoplankton growth, cell size and primary productivity, biological N2 fixation, phytoplankton distribution and community composition. They would thus affect the C, N, P, Si and Fe biogeochemical cycles in various ways. Iron, as one of the most crucial micronutrients for marine phytoplankton, has in particular strong links to climate change and biogeochemical feedback mechanisms. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished