Impact of storms and floods on Mediterranean coastal marine ecosystems. Approach by coupled hydrodynamic-biogeochemical modeling.
Impact des tempêtes et des crues sur les écosystèmes marins côtiers en Méditerranée. Approche par modélisation couplée hydrodynamique-biogéochimie.
Abstract
Coastal environments, including coastal lagoons, at the interface between land and sea, often display a rich biological productivity. This unique position creates significant variability of the physical, chemical (e.g., temperature, nutrient concentration) and biological variables, thus influencing how these ecosystems function. In the context of global climate change, widely accepted by the scientific community, this variability could be amplified particularly by extreme intense events such as storm and flood events. It is therefore essential to develop multidisciplinary scientific studies on these coastal marine environments in order to better understand the natural variabilities of this system. Additionally, it is needed to quantify the trend and magnitude of the variability associated with medium and long-term environmental changes.In this thesis, the impact of storm and flood episodes on Mediterranean coastal marine ecosystems was studied on a particular coastal zone: the Thau lagoon (Sète, France) and its nearshore. In addition, the impact of a potential modification of these intense hydro-meteorological events, in relation with climate change, on these same ecosystems was also studied. To answer the main objective, a 3D coupled hydrodynamic-biogeochemistry modeling approach (SYMPHONY - ECO3M-S) was used, describing the evolution of physical and chemical variables (currents, pressure, water level, temperature, salinity, etc.), and biogeochemical variables (biomass of marine micro-organisms, particulate and dissolved matter, sediment).The ECO3M-S model was first adapted to the Thau lagoon, a privileged location for oyster farming activities, by integrating the forcing by oyster on the lower trophic compartments (zooplankton, phytoplankton and bacteria), showing a negative impact on phytoplankton (filtration) and promoting bacteria. Then, a first 3D modeling experiment was performed on the “cevenol” episode of November 2008, validating the approach followed and giving a first analysis of the short-term impact of this type of event on the studied ecosystem. Despite significant river inputs into Thau Lagoon, phytoplankton biomass did not increase during this event, due to possible light and water temperature limitations. The results highlights contradictory effects of these events on the ecosystem functioning. A longer period (2015 - 2016) was then considered, including several intense events, to assess a medium- and long-term impact. The modelling results was validated using in situ observations and statistical tests were performed. Finally, the impact of different scenarios of a modification of extreme events on the biogeochemical balance of the Thau Lagoon and its nearshore was quantified. In the short term, the biogeochemical balances and biomass of micro-organisms were significantly affected by intense events. In the long term, the system showed a good resilience to the modification of environmental forcings, even if differences persist one year after extreme events. This was linked to different inertia of the biogeochemical processes within the water column and the sedimentary compartment.This thesis provides a better understanding of the short, medium and long-term impact of storm and flood events on Mediterranean coastal marine ecosystems. In addition, this thesis shows the possible impact of a potential future modification of intense events on the biogeochemical evolution of the North-Western Mediterranean.
Les milieux côtiers, dont les lagunes côtières, sont à l’interface entre le continent et la zone hauturière. Ils font partie des zones les plus riches en terme de productivité biologique. Cette position d’interface engendre une variabilité importante des variables physico-chimiques (p. ex. la température, la concentration en nutriments) et biologiques, influençant le fonctionnement de ces écosystèmes. De plus, dans un contexte de changement climatique global, cette variabilité pourrait être accentuée, en particulier par des événements extrêmes tels que les événements de tempêtes et de crues. Il est donc indispensable de développer des études scientifiques pluridisciplinaires sur ces milieux marins côtiers afin de mieux appréhender les variabilités naturelles de ce système d’une part, et d’autre part quantifier la tendance et l’amplitude des modifications liées aux changements environnementaux à moyen et long terme.Dans cette thèse, l’impact des événements de tempêtes et de crues sur les écosystèmes marins côtiers en Méditerranée a été étudié sur une zone littorale particulière : la lagune de Thau (Sète, France) et son avant-côte. L’impact d’une potentielle modification de ces événements hydro-météorologiques intenses sur ces mêmes écosystèmes a aussi été étudié, en lien avec le changement climatique. Pour répondre à cette problématique principale, nous avons proposé une approche par modélisation 3D couplée hydrodynamique-biogéochimie (SYMPHONIE - ECO3M-S) décrivant l’évolution des variables physico-chimiques sur le littoral (courants, pression, niveau d’eau, température, salinité, etc.) et biogéochimiques (biomasse des micro-organismes marins, matière particulaire et dissoute, sédiment).Le modèle ECO3M-S a d’abord été adapté à la lagune de Thau, lieu privilégié pour les activités ostréicoles, en intégrant le forçage par les huîtres sur les compartiments trophiques inférieurs (zooplancton, phytoplancton et bactéries), mettant en évidence un impact négatif sur le phytoplancton (filtration) et favorisant les bactéries. Ensuite, une première expérience de modélisation 3D a été effectuée sur l’épisode cévenol de novembre 2008, validant la démarche suivie et donnant une première analyse de l’impact court terme de ce type d’événements sur l’écosystème étudié. Malgré les apports fluviaux importants dans la lagune de Thau, la biomasse du phytoplancton n’augmente pas durant cet événement, en raison d’une possible limitation par la lumière et par la température de l’eau. Ceci met en avant des effets contradictoires de ces événements sur les écosystèmes. Une période plus longue (2015 - 2016) a été envisagée ensuite, comprenant plusieurs événements intenses, afin d’évaluer un impact à moyen et long terme. Cette modélisation a été validée à l’aide d’observations in situ et des tests statistiques ont été réalisés. Enfin, l’impact de différents scénarii de modification des événements extrêmes sur le bilan biogéochimique de la lagune de Thau et de son avant-côte a été quantifié. A court terme, Les bilans biogéochimiques et la biomasse des micro-organismes est nettement modifiée par les événements. A long terme, le système montre une certaine résilience aux modifications des forçages environnementaux, même si des écarts persistent une année après les événements extrêmes. Ceci est relié à une inertie différente des processus biogéochimiques s’établissant au sein de la colonne d’eau et du compartiment sédimentaire.Ce travail de thèse apporte une meilleure compréhension de l’impact à court, moyen et long terme des événements de tempêtes et de crues sur les écosystèmes marins côtiers, donnant de premières pistes concernant l’impact d’une potentielle modification future de ces événements sur l’évolution biogéochimique du littoral méditerranéen.
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