Cette thèse ne contient pas de résumé.

L'analyse palynologique de 47 échantillons de sédiment de surface provenant de la marge mexicaine (15°95 N à 23°11 N) a été réalisée afin de caractériser la relation existant entre les kystes de dinoflagellés (dinokystes) et les paramètres environnementaux du milieu (température, salinité, productivité primaire, distance par rapport à la côte). Les observations permettent de diviser la zone d'étude en 4 régions caractérisées par des contextes hydrographiques distincts: la baie de La Paz, la marge Ouest mexicaine, le Nord du Golfe de Tehuantepec et le Sud du Golfe de Tehuantepec. Les taxons hétérotrophes dominent l'ensemble de ces assemblages à l'exception de ceux provenant du Sud du Golfe de Tehuantepec. Les concentrations totales de dinokystes suivent un gradient latitudinal décroissant avec des valeurs maximales dans la partie Nord de la zone d'étude. Les traitements statistiques ont permis de démontrer que la distance par rapport à la côte, ainsi que les valeurs de productivité primaire sont les principaux paramètres déterminant la distribution des kystes de dinoflagellés. Les zones d'upwelling des baies de La Paz et de Tehuantepec présentent plusieurs similarités et leurs assemblages sont dominés par des taxons hétérotrophes tels Brigantedinium spp., Echinidinium spp, Polykrikos kofoidii et Selenopemphix quanta. Certaines espèces de dinokystes qui peuvent être à l'origine de marées rouges ont été observées à plusieurs sites. Lingulodinium machaerophorum est présent sur la marge Ouest mexicaine et dans le Nord du Golfe de Tehuantepec, alors que les concentrations de Polysphaeridium zoharyi sont plus fortes dans la zone d'upwelling du Golfe de Tehuantepec. La distribution des espèces liées aux marées rouges semble être influencée par le niveau de productivité primaire, ainsi que par la richesse en nutriments des eaux de surface. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Mexique, Dinokystes, Marées rouges, Paramètres environnementaux, Productivité primaire.

Dans les régions nordiques, les changements climatiques sur les milieux terrestres auront des conséquences encore peu connues sur les écosystèmes aquatiques. La fonte du pergélisol et le changement de la composition végétale auront pour effets de libérer des concentrations élevées de matière organique allochtone vers les écosystèmes aquatiques. Cette matière organique dissoute colorée (CDOM) joue un rôle majeur dans l'atténuation de l'éclairement subaquatique. Cette étude s'intéresse aux effets optiques de la qualité et de la quantité du CDOM en système estuarien nordique. Le CDOM des systèmes d'estuaires de la Grande Rivière de la Baleine et du fleuve Mackenzie a été caractérisé par absorption et par fluorescence synchrone. Ces analyses ont révélé des différences fondamentales entre ces deux systèmes en terme de qualité et de quantité de CDOM. Cependant, une signature de fluorescence particulière a été mise en évidence pour le CDOM nordique, celle-ci étant plus constante que les propriétés d'absorption du CDOM. L'importance optique du CDOM dans l'atténuation de la radiation solaire a été observée dans le système estuarien du fleuve Mackenzie, rivière reconnue pour l'influence des particules sur l'éclairement subaquatique. Les stratégies pigmentaires, la composition du phytoplancton et la production primaire ont également été mesurés. Le CDOM et la matière particulaire contrôlaient l'éclairement dans le visible (400-700 nm), mais seule le CDOM affectait la radiation ultraviolette (<400 nm). Contrairement à la matière particulaire, l'effet optique du CDOM fluvial était mesurable même au-delà de l'épanchement du fleuve Mackenzie, sur le plateau de la Mer de Beaufort. L'impact d'un accroissement de la concentration de CDOM allochtone sur la production primaire a été mesuré dans le système d'estuaire de la Grande Rivière de la Baleine. Les analyses par modélisation ont montré que les modifications du régime spectral affectent la quantité d'éclairement disponible pour la photosynthèse, la profondeur de la zone euphotique, ainsi que le couplage spectral du phytoplancton. En utilisant l'approche expérimentale, les paramètres photosynthétiques ont été mesurés sous un régime spectral modifié par une concentration accrue de CDOM allochtone. Ceci a permis de démontrer que de hautes concentrations de CDOM contribuent à une réduction significative de la production primaire dans la colonne d'eau.

De récentes études ont démontré que plus de 1300 km² du fond du chenal laurentien sont baignés par des eaux dont les concentrations d'oxygène dissous sont en deçà de 62.5 µM ou 2 mg/l, correspondant au seuil qui définit l'hypoxie. Une des causes possibles du développement de l'hypoxie serait l'eutrophisation des eaux de surface liée à l'augmentation de l'activité agricole et industrielle dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Les apports accrus en nitrates rendraient compte d'une productivité primaire et d'un flux de carbone organique croissant. La dégradation de cette matière organique exportée dans les eaux profondes pourrait contribuer à l'appauvrissement progressif de celles-ci en O₂ dissous. Dans ce contexte, nous avons analysé les sédiments de deux carottes récoltées le long du chenal laurentien entre Tadoussac et Les Méchins afin de retracer les variations de productivité depuis le dernier siècle et ainsi, de vérifier si ceux-ci révèlent des indices d'une eutrophisation. Les résultats obtenus (carotte boîte AH00-2220; 48°38,33'N, 68°37,82'W; 324m et CR02-23; 48°42.008'N/68°38.894'W; 345m) révèlent une augmentation récente (après 1960 AD) du δ¹³ Corg que nous interprétons comme une augmentation des apports de matière organique marine. De la même façon et sur le même intervalle de temps, la concentration des kystes de dinoflagellés augmente, tout comme leurs flux, ce qui pourrait refléter un accroissement de la productivité primaire. Nous notons aussi une tendance semblable dans la concentration et du flux de réseaux organiques de foraminifères qui reflète probablement un accroissement de la productivité benthique liée à l'augmentation du flux de matière organique aux sédiments. Les concentrations et les flux de tests de foraminifères benthiques sont caractérisés par la même tendance d'augmentation récente. Nous notons aussi l'apparition et l'augmentation progressive de la présence des taxons Brizalina subaneriensis et Bulimina exilis entre les années 1960 et 1970. Ces taxons se singularisent par leur forte tolérance aux faibles concentrations d'oxygène et aux flux de carbone élevés. Les résultats obtenus dans cette étude appuient l'hypothèse d'une augmentation des flux sédimentaires de matière organique marine associés à une augmentation de la productivité primaire dans cette partie de l'estuaire du St-Laurent. Cette augmentation de productivité pourrait bien être un facteur important dans la diminution récente des teneurs en oxygène dissous, il est donc important d'explorer plus en détail cette hypothèse afin de mieux connaître les mécanismes en cours dans l'estuaire du St-Laurent et leur relation avec l'hypoxie récente des eaux de fond. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Hypoxie, Eutrophication, Foraminifères, Géochimie, Saint-Laurent.

La Grande Oie des Neiges (GON) est un oiseau migrateur qui fait halte dans les marais à scirpe américain (Schoenoplectus americanus) de l'estuaire du St-Laurent au printemps et à l'automne. Les oies s'y nourrissent principalement des rhizomes du scirpe. Depuis les années 80, la population connaît une croissance et des études réalisées dans les années 90 avaient montré que leur utilisation des marais dépassait la capacité de support du milieu. Afin d'évaluer si la situation s'était aggravée et pour bien caractériser l'effet du broutement des oies, un protocole expérimental, incluant l'établissement de parcelles permanentes et la pose d'exclos, a été mis en place dans quatre marais de l'estuaire: Cap Tourmente et Montmagny en 2004, l'Île-aux-Grues et Cap St-Ignace en 2005. Ces cages qui empêchaient les oies de brouter étaient installées avant leur arrivée au printemps et enlevées après leur départ à l'automne. À chaque été, un inventaire de la végétation a été fait dans les exclos et dans les parcelles témoins broutées. En utilisant des équations allométriques reliant la masse et la hauteur des tiges, la biomasse aérienne a pu être calculée pour chaque parcelle de façon non destructive. Ces équations allométriques ont été développées en 2007 et validées à l'aide d'un échantillonnage destructif. Suite à cette validation, des facteurs de correction ont été établis puisque l'échantillonnage non destructif surévaluait les biomasses aériennes réelles. Certains facteurs biophysiques ont également été étudiés au cours de 2007 dans tous les marais afin d'évaluer leur impact sur la biomasse: la sédimentation, le type de substrat, le temps de submersion et pour Cap Tourmente, les éléments nutritifs contenus dans les sédiments. La biomasse aérienne a augmenté significativement dans les exclos de tous les marais au cours de l'étude, tandis qu'elle n'a pas varié dans les parcelles témoins. Cette différence était attribuable surtout à l'augmentation de la densité des tiges et non à la biomasse des tiges individuelles dont la hauteur a peu varié dans le temps. Après quatre ans d'exclusion des oies, la biomasse aérienne était 104 et 128% plus élevée dans les exclos que dans les témoins à Cap Tourmente et Montmagny, respectivement. À Cap St-Ignace et à l'Île-aux- Grues, les différences étaient de 29 et 66%, respectivement, après trois ans d'exclusion. Il y avait une relation significative entre la biomasse aérienne et souterraine du scirpe ce qui indique que l'effet du broutement observé grâce à l'échantillonnage de la végétation aérienne a aussi un effet sur la biomasse souterraine qui contribue à l'alimentation des oies et à la production du scirpe. Finalement, les analyses de régression multiple ont montré qu'à Cap Tourmente, le phosphore organique et l'effet du broutement des oies étaient les deux variables explicatives de la variation de la biomasse aérienne du scirpe américain. Lorsque tous les marais étaient considérés, seul l'effet du broutement des oies expliquait la biomasse aérienne du scirpe. En conclusion, les résultats obtenus entre 2004 et 2007 confirment les différences observées au cours des années antérieures et montrent que les oies ont encore un impact sur les marais à scirpe. Elles maintiennent la productivité des marais à scirpe à un niveau faible par rapport à leur potentiel mais encore stable, comme observé par Giroux et Bédard (1987a) il y a plus de vingt ans. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Grande Oies des Neiges, Scirpe américain, Sagittaire, Zizanie aquatique, marais, biomasse, productivité.

L'analyse pollinique des sédiments de surface de la Baie de la Paz dans le Golfe de Californie et du Golfe de Tehuantepec montre que les assemblages sont dominés par les taxons herbacés (Chenopodiaceae et Asteraceae) dans la Baie de la Paz et par les Pinaceae dans le Golfe de Tehuantepec. Les enregistrements sporo-polliniques reflètent des apports d'une végétation boréale, luxuriante dans le Golfe de Tehuantepec et d'une végétation plus sèche au sud de la baie de Californie. Les proportions de tests carbonatés de foraminifères et de réseaux organiques de foraminifères benthiques montrent que les sédiments de la Baie de la Paz ainsi que ceux de la partie Nord du Golfe de Tehuantepec sont fortement affectés par la dissolution du carbonate de calcium contrairement à ceux de la partie sud du Golfe de Tehuantepec où le CaC03 biogénique dans le sédiment est relativement bien préservé. L'étude des kystes de dinoflagellés a été réalisée afin de déterminer des relations entre les assemblages de dinokystes et les paramètres hydrographiques des eaux de surface. Les résultats illustrent des concentrations de 12700 kystes/cm3 dans la Baie de la Paz à moins de 2000 kystes/cm) dans le Golfe de Tehuantepec et une diversité des espèces élevée (36 taxons). Les assemblages incluent des espèces autotrophes et hétérotrophes. L'espèce autotrophe Polysphaeridium zoharyi accompagnée de taxons hétérotrophes tels Brigantedinium spp., Echinidinium aculeatum, Echinidinium granulatum domine la partie Nord du Golfe de Tehuantepec, qui est caractérisé par un upwelling hivernal. Inversement, les échantillons de la partie sud du Golfe de Tehuantepec sont dominés par des taxons autotrophes tels Spiniferites delicatus et Bitectatodinium spongium. Les sites de la Baie de la Paz caractérisés par une forte productivité primaire (360 gC/m2/an) sont dominés par des taxons hétérotrophes représentés principalement par Brigantedinium spp., Echinidinium aculeatum, Echinidinium granulatum et Polykrikos kofoidi. Les résultats de l'analyse multivariée montrent que la distribution des dinokystes dans le Golfe de Californie et dans le Golfe de Tehuantepec est contrôlée essentiellement par la température de février et la productivité primaire annuelle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Golfe de Californie, Golfe de Tehuantepec, pollen, dinokystes, température de février, Productivité primaire.

La productivité primaire océanique joue un rôle important dans les processus d'échange du carbone entre l'océan et l'atmosphère. Elle constitue une contribution majeure à la séquestration du CO₂ atmosphérique, l'un des principaux gaz à effet de serre. La reconstitution de la paléoproductivité à partir de séquences sédimentaires marines peut donc fournir des réponses à de nombreuses questions concernant les mécanismes impliqués dans les changements climatiques. Elle peut être extrêmement utile dans le domaine de la modélisation biogéochimique puisqu'elle permet de comprendre les mécanismes contrôlant la production, l'exportation et l'enfouissement du carbone à long terme. Cependant, l'estimation quantitative de la paléoproductivité à partir de séquences sédimentaires marines constitue un défi qui ne pourra être relevé que par le développement de traceurs qui ne sont pas affectés par les différents processus de dégradation et de dissolution dans la colonne d'eau et dans le sédiment. L'objectif principal de cette thèse est de développer un traceur micropaléontologique pour des reconstitutions quantitatives de la paléoproductivité. Il s'agit des kystes de dinoflagellés (ou dinokystes) qui, grâce à leur extrême résistance à la dissolution et leur abondance dans le sédiment, constituent un outil extrêmement important dans le domaine de la paléocéanographie à l'échelle du quaternaire. Nous avons exploré, dans le cadre de ce travail, le potentiel des kystes de dinoflagellés préservés dans les sédiments comme traceurs quantitatifs des paramètres hydrographiques et de la paléoproductivité marine. Nous avons choisi d'étudier leur distribution dans les sédiments de surface de l'hémisphère nord en relation avec les conditions hydrographiques et trophiques du milieu. Le but est d'évaluer la contribution des conditions trophiques au contrôle de la distribution des assemblages des dinokystes dans le sédiment. Notre étude a été réalisée selon trois volets. Le premier volet a consisté en l'analyse d'échantillons de sédiments de surface prélevés dans le Golfe d'Alaska et le long des marges nord-est américaines, qui se caractérisent par un gradient de productivité associé aux upwellings. Ce volet visait à comprendre la distribution des dinokystes le long d'un gradient de productivité et d'upwelling dans un contexte océanique et néritique. Le deuxième volet consistait en l'analyse d'échantillons de sédiments de surface répartis dans les milieux estuariens et côtiers de la Colombie-Britannique. Il visait à illustrer la distribution des assemblages dans un milieu très productif, influencés à la fois par des apports en éléments nutritifs d'origine naturelles (upwelling) et anthropique. Enfin, le troisième volet est une compilation de données palynologique, hydrographiques et de productivité primaire de 1171 sites dans l'hémisphère nord pour développer une base de données de référence hémisphérique à des fins de reconstitutions de la productivité par la méthode des meilleurs analogues modernes. Dans le Pacifique du Nord-est, l'étude palynologique de 76 échantillons de sédiments de surface provenant des milieux néritiques et océanique a permis de montrer que les taxons liés à une productivité hétérotrophe dominent les assemblages des zones côtières influencées par l'upwelling alors que les sites associés au zones oligotrophes océaniques sont dominés par les taxons autotrophes. Les analyses multivariées démontrent que, dans ce secteur, la distribution des assemblages de dinokystes est liée essentiellement à la productivité primaire et à l'intensité de l'upwelling. Elles démontrent également l'existence de liens avec la température hivernale qui, à une échelle régionale n'est pas affectée par l'upwelling contrairement à la température estivale qui est uniformisée sous l'effet de l'upwelling saisonnier. Dans les milieux estuariens de la Colombie-Britannique, incluant le détroit de Géorgie (GS) et les inlets d'Effingham (EFF), de Seymour et de Belize (SB), l'analyse de 60 échantillons de sédiment de surface montre que les taxons autotrophes dominent les assemblages dans les zones de productivité primaire relativement élevée (EFF et SB) alors que les protopéridiniales et les gymnodiniales, associés à une productivité hétérotrophe dominent les assemblages du détroit de Géorgie où la productivité est moindre. Les analyses multivariées montrent que la distribution des assemblages est significativement liée à la productivité primaire, la température de l'eau de surface et la concentration de silice pendant le printemps. Dans le détroit de Géorgie, les analyses de redondance montrent que la distance par rapport à la côte, la distance par rapport au port de Vancouver, la salinité de l'eau de surface, la concentration en phosphate et la productivité durant le printemps constituent les paramètres les plus déterminants. Par ailleurs, dans le panache du fleuve Fraser, les zones près du port de Vancouver, caractérisées par des apports continentaux élevés, une productivité printanière élevée et une stratification accrue sont marquées par l'abondance de Pentapharsodinium dalei alors que tous les protopéridiniales et les gymnodiniales dominent les assemblages des zones distales associées à une masse d'eau constituée par un mélange des eaux douces provenant du fleuve Fraser et des eaux salées issues de l'upwelling. Dans ce contexte, il est probable que la stratification des masses d'eau joue un rôle important, qu'il est toutefois difficile de quantifier. Des tests de validation utilisant la méthode des analogues modernes démontrent que les assemblages de dinokystes peuvent être utilisés pour reconstituer d'une manière quantitative la productivité primaire, la température et la salinité de surface à une échelle régionale. À l'échelle de l'hémisphère nord, une base de données de référence de sédiments modernes a été utilisée pour explorer le potentiel des assemblages de dinokystes comme traceurs de productivité primaire. La base de données inclut 1171 sites provenant de l'Atlantique Nord (n = 483), de l'Océan Arctique (n = 401) et du Pacifique Nord (n = 287). Pour établir des liens entre les assemblages de dinokystes et la productivité, nous avons utilisé deux jeux de données de productivité moderne issues de deux programmes d'observation de la couleur de la chlorophylle par satellite. L'une représentant une moyenne des mesures effectuées entre 1978 et 1989 (CZCS) et l'autre, une moyenne de données correspondant à la période de 2002 à 2005 (MODIS). Des analyses canoniques de correspondance ont été effectuées avec 62 taxons et huit paramètres environnementaux (température saisonnière et salinité saisonnière de l'eau de surface, couvert de glace de mer et productivité primaire saisonnière et annuelle). Les résultats montrent une relation étroite entre les assemblages et la productivité primaire notamment dans l'Atlantique Nord, dans le Pacifique Nord et à l'échelle hémisphérique. Toutefois, cette relation n'est pas la même dans tous les bassins de l'hémisphère nord. Des tests de validation (régressions linéaires entre les valeurs observées et estimées), en utilisant la méthode des meilleurs analogues, montrent des coefficients de corrélation généralement > 0,9 et des précisions de reconstitution de ± 1 l-25 %, selon la base de données de productivité utilisée. De telles précisions montrent que la productivité peut être reconstituée avec une erreur inférieure à la différence entre les données de productivité instrumentales de MODIS et de CZCS. L'ensemble des résultats de notre étude met en évidence l'intérêt des kystes de dinoflagellés pour reconstituer quantitativement la productivité primaire à l'échelle du quaternaire. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Kystes de dinoflagellés, Paléoproductivité, Reconstitution quantitative, Pacifique du Nord-est, Hémisphère Nord.

La productivité primaire nette PPN des grands écosystèmes est la variable-clé pour comprendre et quantifier les intéractions biosphère / atmosphère. Le modèle d'efficience photosynthétique de Monteith mettant en relation la PPN avec la quantité de rayonnement solaire photosynthétiquement actif absorbé (ou intercepté) APAR par le couvert végétal, mesurable à partir des indices de végétation, se prête parfaitement à une approche par télédétection. Le coefficient qui lie ces deux paramètres est appelé rendement photosynthétique ou encore efficience de conversion aérienne nette notée En. L'incertitude sur la valeur de En et l'absence de valeur pour nombre de biomes montrent l'importance de l'étalonnage du modèle. On dispose de mesures de biomasse permettant de calculer la PPN pour 60 des régions écologiques du Québec (qui en compte 69), d'une longue série temporelle d'images satellitaires de Global Vegetation Index NOAA-AVHRR de 1985 à 1992 et des normales climatiques au Québec. La mise en évidence de corrélation entre les propriétés optiques de la végétation (liées à l'APAR) et sa croissance montre la faisabilité d'un suivi de cette PPN par satellite. La biomasse aérienne anhydre est de 7 kg/m2 pour l'ensemble du territoire du Québec. La PPN varie de 100 à 400 g de matière sèche aérienne/m2/an pour le domaine de la pessière du Nord, à 670 g/m2/an pour les domaines feuillus du Sud. Les paramètres qui régissent la productivité forestière ne sont pas constants sur tout le Québec. Le modèle original est donc validé par région écologique appartenant à un même sous-domaine et pour des conditions climatiques données. L'étude de la sensibilité de En à ces variables climatiques a permis d'élaborer un tableau de correspondance entre les valeurs d'APAR, variant entre 664 et 1342 MJ/m2, des variables climatiques d'une région et sa productivité. Ainsi, En varie de 0,1 g/Mégajoules pour le domaine de la pessière noire à 0,57 g/MJ pour les feuillus du sud de la forêt boréale. Pour affiner ces estimations, l'accent devra être mis sur la connaissance des phénomènes physiques qui régissent les propriétés optiques de la végétation et surtout sur une harmonisation des méthodes de calcul et de mesure.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Wuhan University, Wuhan, Chine. / Au cours des dernières décennies, l'augmentation de la production primaire (PP) dans l'océan Arctique (AO) a en partie été associée à une augmentation de la biomasse phytoplanctonique, comme l'ont montré des études de télédétection. La concentration en chlorophylle a (Chl), un indicateur de la biomasse phytoplanctonique, est un facteur clé qui peut biaiser les estimations de la PP quand elle comporte des erreurs de mesure. En d'autres mots, une estimation précise de la Chl est cruciale pour améliorer notre connaissance de l'écosystème marin et de sa réponse au changement climatique en cours. Cependant, la télédétection de la couleur de l'océan dans l'océan Arctique présente plusieurs défis. Tout d'abord, il est bien connu que l'échec des algorithmes standards de la couleur de l'océan dans l'AO est dû à l'interférence des matières colorées et détritiques (CDM) dans le spectre visible, mais comment et dans quelle mesure cela va biaiser l'estimation de la Chl reste inconnu. En outre, la Chl étant un facteur clé utilisé pour estimer la PP, la propagation des erreurs des estimations de la Chl aux estimations de la PP doit être évaluée. Le dernier mais le plus important est qu'un algorithme robuste avec une incertitude raisonnable, en particulier pour les eaux côtières complexes et productives, n'est pas encore disponible. Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons d'abord compilé une grande base de données bio-optiques in situ dans l'Arctique, à partir de laquelle nous avons évalué de manière approfondie les algorithmes de couleur de l'océan actuellement disponibles du point de vue des impacts des CDM. Nous avons constaté que plus le niveau de CDM par rapport à la Chl dans la colonne d'eau était élevé, plus il biaisait les estimations de la Chl. L'analyse de sensibilité des estimations de la PP sur la Chl a montré que l'erreur des estimations de la Chl était amplifiée de 7% lorsqu'elle était passée dans l'estimation du PP en utilisant un modèle de PP résolu spectralement et verticalement. En outre, pour obtenir de meilleurs résultats, nous avons optimisé un algorithme semi-analytique (Garver-Siegel-Maritorena, GSM) pour l'AO en ajoutant la bande spectrale de 620 nm qui est moins affectée par le CDM et le signal ici est généralement élevé pour les eaux riches en CDM, devenant anisi important pour le GSM afin d'obtenir des estimates précises de la Chl. Notre algorithme ajusté, GSMA, n'a amélioré la précision que de 8% pour l'AO, mais l'amélioration pour les eaux côtières a atteint 93%. Enfin, étant donné que les algorithmes qui n'exploitent pour la plupart que les parties bleue et verte du spectre visible sont problématiques pour les eaux très absorbantes/obscures, nous avons introduit un modèle d'émission de fluorescence pour tenir compte des propriétés bio-optiques du phytoplancton dans la partie rouge du spectre visible. En se couplant avec le GSMA, le nouvel algorithme à spectre complet, FGSM, a encore amélioré la précision des estimations de la Chl de ~44% pour les eaux eutrophes. À l'avenir, des couplages sont nécessaires à des fins de validation en ce qui concerne l'application satellitaire. De plus, de nouvelles approches pouvant être appliquées pour détecter le maximum de chlorophylle sous la surface (SCM), les efflorescences en bordure de glace et/ou sous la glace, les types fonctionnels de phytoplancton (PFT), sont attendues. / In the recent decades, the raise of primary production (PP) in the Arctic Ocean (AO) is mainly driven by the increase of phytoplankton biomass as multiple remote sensing studies have suggested. Chlorophyll a concentration (Chl), a proxy of phytoplankton biomass, is a key factor that biases PP estimates. In terms of bottom-up control, accurate Chl estimate is crucial to improve our knowledge of marine ecosystem and its response to ongoing climate change. However, there are several challenges of ocean color remote sensing in the Arctic Ocean. Firstly, it is well known that the failure of standard ocean color algorithms in the AO is due to the interference of colored and detrital material (CDM) in the visible spectrum, but how and to what extend it will bias the estimation of Chl remains unknown. Besides, Chl as a key factor used to estimate PP, error propagation from Chl estimates to PP estimates needs to be assessed. The last but most important is that a robust algorithm with reasonable uncertainty, especially for the complex and productive coastal waters, is not yet available. To address these problems, in this study, we first compiled a large Arctic in situ bio-optical database, based on which we thoroughly evaluated presently available ocean color algorithms from a perspective of the impacts of CDM. We found that the higher the level of CDM relative to Chl in the water column, the larger it would bias Chl estimates. Sensitivity analysis of PP estimates on Chl showed that the error of Chl estimates was amplified within 7% when passed into the estimation of PP using a spectrally- and vertically-resolved PP model. Besides, to obtain better results, we tuned GSM for the AO by adding 620 waveband which is less affected by CDM and the signal here is generally high for CDM-rich waters thus become important for GSM to retrieve accurate Chl estimates. Our tuned algorithm, GSMA, merely improved the accuracy by 8% for the AO, but the improvement for coastal waters reached up to 93%. Finally, given that algorithms that only exploits visible spectrum are problematic for highly-absorbing/dark waters, we introduced the fluorescence emission model to account for the bio-optical properties of phytoplankton in the near infrared spectrum. By coupling with GSMA, the novel full-spectrally algorithm, FGSM, further improved the accuracy of Chl estimates by ~44% for eutrophic waters. In the future, matchups are needed for validation purposes with respect to satellite application. Moreover, new approaches that can be applied to detect subsurface chlorophyll maximum (SCM), ice-edge and/or under-ice blooms, phytoplankton functional types (PFT) and so on are expected.