Etude de la spéciation phytoplanctonique par la couleur de

Proposition de sujet de thèse 2016
Candidat(1)
Nom - Prénom : ROUSSET Guillaume
Date de naissance : 1988
Cursus de second cycle (origine, années, mention) : Polytech Nantes/M2 Univ.
Nantes, 2015, B
Mention et classement au Master (Xème sur Y) : actuellement en CDD projet SAVALEFER (PI C.
Menkes)
Sujet de doctorat proposé
Intitulé :Etude de la spéciation phytoplanctonique par la couleur de l’eau dans le Pacifique
Tropical Sud Ouest
La région du Pacifique sud est connue pour ses fortes abondances en diazotrophes (Dupouy et al.,
1988, 1991, 2000 ; Campbell et al., 2005 ; Moisander et al., 2010 ; Dupouy et al., 2011; Luo et al., 2013) qui
pourraient contribuer à près de 50% de la production nouvelle dans la zone (Garcia et al., 2007; Biegala et
Raimbault., 2008). Il s’avère en effet que des efflorescences marquées de phytoplancton sont observées
saisonnièrement (Dupouy et al., 2000), en été austral, par satellite autour du Vanuatu et s’étendent sur
plusieurs centaines de kilomètres (Figure 1A-B). Pour expliquer la présence de ces efflorescences
saisonnières, on invoque le caractère particulier des algues qui seraient principalement composées de
diazotrophes (e.g Trichodesmium spp., Figure 1C) inféodées aux eaux chaudes qui apparaissent
saisonnièrement autour de cet archipel mélanésien (Dupouy et al., 2011) et qui ont été également récemment
observées en masse dans cette région (Shiozaki et al., 2014). L’efflorescence de décembre 2014 a été
échantillonnée et captée par MODIS au cours d’une campagne IRD SPOT (N/O Alis)
http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=85073
et
http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/MODIS/HTML/MelanesianTricho. La récente campagne OUTPACE
(Oligotrophy to UlTraoligotrophy South PACific Experiment) (18 fevrier-4 avril 2015, N/O Atalante) a
traversé cette efflorescence, d’ouest en est, entre la Nouvelle Calédonie et l’archipel des Iles Tonga. Le
transfert d’azote et de carbone de ces efflorescences vers la chaîne alimentaire marine est le thème d’étude du
projet OUTPACE (Pis : Moutin/Bonnet, ANR, LEFE, IRD, GOPS, CNES, 2014-2018) qui a permis une
collaboration internationale.
Dossier de candidature à une allocation de recherche CNES 2015
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Figure 1: Chlorophylle observée par MODIS 2003-2010 en mg/m3 : en octobre (A) et en février (B). En encadré, la zone du
Vanuatu. (C) Trainées de Trichodesmium spp. Vue aérienne entre le Vanuatu et la Nouvelle Calédonie (M. Lardy, IRD)
Ainsi, lors des efflorescences exceptionnelles de phytoplancton observés dans la région par satellite, le
Trichodesmium pourrait être à l’origine de forts apports en azote (sous forme d’ammonium ou de nitrates)
et servir de précurseur à l’efflorescence d’autres groupes phytoplanctoniques. A partir des propriétés
optiques (Dupouy et al., 2008) et d’observations satellites d’efflorescences assimilées à du Trichodesmium
(Dupouy et al., 2011), plusieurs algorithmes de reconnaissance du Trichodesmium par satellite ont été
développés ces dernières années. La revue bibliographique (McKinna, 2015) en résume les principes et les
limites qui ont contribué à l’amélioration des capteurs satellites de la couleur au fil du temps.
Description des travaux à mener, données disponibles et moyens utilisés au M.I.O. Nouméa
Le travail proposé dans cette étude s'inscrit dans le volet analyse de la couleur de l’eau du projet CNES-TOSCA
SAVALEFER, et du projet ANR OUTPACE et CNES OUTPACE et plus particulièrement dans la partie relevant de
la reconnaissance du phytoplancton par imagerie satellite. Le travail de thèse est basé sur un travail sur des
données de radiances satellite multicapteurs de couleur de l’eau, sur des données de niveau de la mer, de
température, de vents et produits dérivés (e.g, FSLE : Finite Size Lyapounov Exponents, critères de tourbillons
etc…), des données d’indices d’aérosols et de composition. Les tâches prévues dans le cadre de cette thèse
sont les suivantes :
1- Analyse des données d’optique (réflectances, profils d’éclairement hyperspectral, propriétés
optiques inhérentes et pigments) des campagnes dans la région du Pacifique tropical sud
ouest (en particulier des diazotrophes) au cours des campagnes SPOT, NECTALIS, COMEVA
et OUTPACE.
2- Ajustement et validation des algorithmes de spéciation incluant les fixateurs d’azote
atmosphériques (e.g. Trichodesmium) autour du Vanuatu. Ceci sera notamment réalisé sur
les données MERIS pleine résolution (300 m) collectées au site Kalicotier sur la NouvelleCalédonie et le Vanuatu (http://kalicotier.gis-cooc.org/data_access/vanuatu/) et sur
l’archive MODIS courante à 1km depuis 2002, puis VIIRS et Sentinel 3 (2016). La validation
des algorithmes s’appuiera sur l’analyse des propriétés optiques de l’eau et de sa
composition phytoplanctonique (tâche 1) en lien avec les données satellite. Ce travail devra
prendre en compte le couplage entre les méthodes de correction atmosphérique et les
algorithmes couleur de l’eau. Les algorithmes de spéciation statistiques (e.g Deboissieu et al.,
2014) utiliseront a priori la gamme la plus large de données environnementales satellites
disponibles (e.g, SST, chlorophylle, rapport de réflectances etc…) mais aussi possiblement in
situ (e.g profondeur de la couche mélangée ARGO ou autres etc.). Une partie du travail
consistera alors à évaluer le meilleur modèle parmi tous les choix des prédicteurs possibles.
3- Analyse de la structure spatiale des espèces en fonction de l’environnement déduit d’autres
mesures satellite à travers des indices de circulation océanique tels que FSLE (Finite Size
Lyapounov Exponent, indice de présences de fronts, temps de renouvellement des eaux,
(d’Ovidio et al., 2013), critères de tourbillons (e.g Okubo-Weiss etc…), mais aussi des
données de température, de vents satellites et d’indices d’aérosols satellites et modélisés
(Lefèvre et al., 2014). Par exemple, les premiers résultats de SAVALER montrent qu’il existe
une forte coïncidence entre la présence de dynamique frontale près des Iles du Vanuatu,
Fidji, et la structure des efflorescences phytoplanctoniques à une certaine époque, et dans un
certain nombre de cas, en présence d’une forte concentration d’aérosols volcaniques. Une
partie du travail consistera à décorréler les influences des divers facteurs.
Laboratoire d’accueil
Mediterranean Institute of Oceanography
UM110 Case 901, Campus de Luminy, Bâtiment Méditerranée 13288 Marseille Cedex 9, France
Aix-Marseille Université, Université de Toulon, IRD, CNRS
Programmes finançant la recherche
Le travail proposé dans cette étude s'inscrit dans le volet analyse de la couleur de l’eau du projet
CNES-TOSCA SAVALEFER (Menkes et al., 2012) et plus particulièrement dans la partie relevant de la
reconnaissance du phytoplancton par imagerie satellite). Les moyens informatiques à Nouméa sont répartis
entre le LEGOS, le LOCEAN et le M.I.O. (plateforme de modélisation, archive satellite aerosols, couleur de l’eau
de la région, Lefèvre J., 2015).
Ce projet financé par le CNES pour 3 ans est dédié à cette question et au cours de ce projet, un effort
d’analyse des données satellite de couleur de l’eau en coïncidence avec les données d’aérosols satellitaires a
été déployé (De Boissieu et al., 2014). Un effort de collecte d’aérosols, de propriétés optiques et chimiques et
de poussières sur les volcans va être mis en place en janvier 2016 à l’aide d’une série temporelle
atmosphérique au Vanuatu (collecteur d’aérosols, photomètre solaire, CIMEL, mis à disposition par la
SCRIPPS). Une partie modélisation atmosphérique avec un modèle régional météorologique couplé à de la
chimie atmosphérique (WRF-CHEM, Lefèvre et al., 2013) est aussi développée. Au cours du projet du CNES, un
CDD financé pour produire et mettre en forme une base de données de spéciation phytoplanctonique à
l’échelle globale, à partir d’images SeaWifs et MODIS de niveau 3 (L3) respectivement à 9 km et 4 km, a
cherché à mettre en cohérence les espèces déterminées par spéciation satellite par Alvain et al. (2005) et les
algorithmes de Trichodesmium développés séparément par Dupouy et al. (2011). La méthode adoptée, basée
sur un système d’apprentissage SVM (Machines à Support de Vecteurs) des données satellites de réflectance
marine en fonction des espèces réellement observées (bases de données PHYSAT et MAREDAT) et de données
satellites complémentaires (e.g SST, vents) a permis de distinguer 4 grands groupes phytoplanctoniques dans
l’océan mondial : les nanoeucaryotes, les prochlorococcus, les synechococcus et les diatomées (De Boissieu et
al., 2014a,b,c).
Directeur(s) de thèse proposé(s) HDR : Cécile DUPOUY
Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Nouméa, Nouvelle-Calédonie
Institut Méditerranéen d’Océanologie (MIO, UM 110), équipe Chimie Environnementale
Adresse :
Centre IRD de Noumea, BP A5, CEDEX, 98848, Nouvelle-Calédonie
mail : [email protected]
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés cosignataires) :
De Boissieu, F., Menkes, C., Dupouy, C., Rodier, M., Bonnet, S., Frouin, R.., 2014. Phytoplankton global mapping
from space with a Support Vector Machine algorithm, Proc. of SPIE Vol. 9261, 92611R · © 2014 SPIE
Duprey, N., Lazareth, C. E., Dupouy, C., Butscher, J., Farman, R., 2015. Seawater temperature and salinity
records in Tridacna maxima's δ18Oshell: a new calibration integrating in situ data and growth correction,
Coral Reefs, DOI 10.1007/s00338-014-1245-z
Röttgers, R., Doxaran, D., Dupouy, C., 2016. Quantitative filter technique measurements of spectral light
absorption by aquatic particles using a portable integrating cavity absorption meter (QFT-ICAM). Optics
Rousset, G., De Boissieu, F., Dupouy, C., Lefèvre, J., Menkes, C., Frouin, R., Remote sensing of Trichdoesmium
slicks in the Pacific Ocean with MODIS. Submitted 2016.
Wattelez, G., Dupouy, C., Mangeas, M., Lefèvre, J., Touraivane, Frouin, R. 2016. A statistical algorithm for
estimating chlorophyll concentration in the New Caledonian lagoon, Remote Sens. 2016, 8(1).
Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières
années
Nom : MARTIAS Chloe
Intitulé : Dynamique de la matière organique dissoute chromophorique (CDOM) en zone
lagonaire tropical du Pacifique Sud (Nouvelle Calédonie et îles Fidji) : influences climatique et
anthropogénique.
Type d'allocation : BOURSE PRESIDENT A.M.U.
Date de début de l'allocation de doctorat : octobre 2014
Programme finançant la recherche : EC2CO TREMOLO, GOPS DROPS, ACTION SUD IRD
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) :
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction :
50%
Nom : Fuchs Rosalie
Intitulé : Modélisation de la chlorophylle de surface du lagon de Nouvelle Calédonie comme
indicateur de l’état de santé de zones récifales côtières
Type d'allocation : CIFRE
Date de début de l'allocation de doctorat : 2010
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : Janvier 2013
Programme finançant la recherche : VALHYBIO PNTS Situation actuelle du docteur (si la thèse est
soutenue) :
Situation candidat : Ingénieur modélisation ACRI-ST
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction :
50%
Co-Directeur proposé
Nom – MENKES Christophe
CR1 IRD LOCEAN
Adresse mail :[email protected]
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés cosignataires) :
Cravatte, S., E. Kestenare, G. Eldin, A. Ganachaud, J. Lefèvre, F. Marin, C. Menkès, and J. Aucan, 2015:
Regional circulation around New Caledonia from two decades of observations. Journal of Marine Systems,
148, 249–271, doi:10.1016/j.jmarsys.2015.03.004
Hunt B.P.V., Allain V., Menkès C E, Lorrain A.,. Graham B., Rodier M., Pagano, M., Carlotti F., 2014.
A coupled stable isotope-size spectrum approach to understanding pelagic food-web dynamics: A case
study from the southwest sub-tropical Pacific, Deep Sea Research Part II.
http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr2.2014.10.023
Jullien S., C. E. Menkès, P. Marchesiello, N. C. Jourdain, M. Lengaigne, A. Koch-Larrouy, J. Lefèvre, E.
M. Vincent, V. Faure (2012). Impact of tropical cyclones on the heat budget of the South Pacific ocean,
Journal of Physical Oceanography, vol.42, 11, pp. 1882-1906, 2012
Lefevre Jerome, Menkès C. E., Bani Philipson,Marchesiello Patrick, Curci Gabriele, Grell Georg A.,
Frouin, Robert (2015) Distribution of sulfur aerosol precursors in the SPCZ released by continuous
volcanic degassing at Ambrym, Vanuatu, Journal of Volcanology and Geothermal Research, doi:
10.1016/j.jvolgeores.2015.07.018
Menkès C. E., Valerie Allain, Martine Rodier, Francis Gallois, Anne Lebourges-Dhaussy, et al. (2015).
Seasonal oceanography from Physics to micronekton in the south-west paci c.Deep Sea Research Part II:
Topical Studies in Oceanography, Elsevier, 2015, 113, pp.125-144.< 10.1016/j.dsr2.2014.10.026>
Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières
années
Nom : Smeti Houssem
Intitulé :
Type d'allocation :
Date de début de l'allocation de doctorat :
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) :
Programme finançant la recherche :
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) :
Situation candidat :
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction :
50%
Nom : Jullien Swen
Intitulé :
Type d'allocation :
Date de début de l'allocation de doctorat :
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) :
Programme finançant la recherche :
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) :
Situation candidat :
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction :
50%
(1) : A remplir lors de la campagne d'attribution des allocations, à l'issue de la session de juin des Masters
Références
citées
Alvain S., Dandonneau, Y. Moulin C., J.F. Bréon., 2005. Remote sensing of phytoplankton groups in case 1 waters from
global SeaWiFS imagery. Deep Sea Res. 52, 1989-2004.
Biegala and Raimbault 2008, High abundance of diazotrophic picocyanobacteria (<3 µm) in a Southwest Pacific coral
lagoon. Aquat. Microb. Ecol. 51:45–53
De Boissieu, F., Menkes, C., Dupouy, C., Rodier, M., Bonnet, S., Frouin, R.., 2014. Phytoplankton global mapping from space
with a Support Vector Machine algorithm, Proc. of SPIE Vol. 9261, 92611R · © 2014 SPIE
Campbell, L., Carpenter, E.J., Montoya, J. P., Kustka, A. B. & Capone, D. G., 2005. Picoplankton community structure
within and outside a Trichodesmium bloom in the Southwestern Pacific Ocean. Vie et Milieu, 55 (3-4): 185-195.
d'Ovidio, F., De Monte, S., Della Penna, A., Cotté, C., Guinet, C., 2013. “Ecological implications of eddy retention in the open
ocean: a Lagrangian approach ”, J. Phys. A, Special Issue on the Lyapunov Exponent, 67 254023.
Dupouy, C., Neveux, J., Dirberg, G., Röttgers, R., Tenório, M. M. B., S. Ouillon, 2008. Bio-optical properties of the marine
cyanobacteria Trichodesmium spp., Journal of Applied Remote Sensing, 2, 1-17
Dupouy, C., Benielli-Gary, D., Neveux, J., Dandonneau, Y, T. Westberry, 2011. A new algorithm for detecting Trichodesmium
surface blooms in the South Western Tropical Pacific, Biogeosciences, 8, 1-17, doi:10.5194/bg-8-1-2011
Garcia N, Raimbault P., Sandroni V., 2007. Seasonal nitrogen fixation and primary production in the Southwest Pacific:
nanoplankton diazotrophy and transfer of nitrogen to picoplankton organisms, MEPS, 343, 25-33
Lefèvre J., Frouin R., Bani P., Grell G., Menkès C., Marchesiello P., Journal of Atmosphere Chemistry and Physic ,
"Distribution of sulfur aerosol precursors in the SPCZ from persistent passive volcanic degassing at Ambrym, Vanuatu",
en révision
Luo, Y.-W., et al., 2013. Database of diazotrophs in global ocean: abundance, biomass and nitrogen fixation rates. Earth
System Science Data, 4, 47-73, doi:10.5194/essd-4-47-2012
McKinna L., 2015. Three decades of ocean-color remote-sensing in the World’s oceans: A review. Prog. Oceanography, 131,
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Moisander PH, Beinart RA, Hewson I, White AE, Johnson KS, Carlson CA, Montoya JP, Zehr JP, 2010. Unicellular
cyanobacterial distributions broaden the oceanic N2 fixation domain. Science, Mar 19;327(5972):1512-4. doi:
10.1126/science.1185468.
Neveux, J., Tenorio, M., Dupouy, C., T. Villareal, 2006. Spectral diversity of phycoerythrins and diazotrophs abundance
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Shiozaki, T., T. Kodama, K. Furuya (2014), Large-scale impact of the island mass effect through nitrogen fixation in the
western South Pacific Ocean, Geophys. Res. Lett., 41, 2907-2913, doi:10.1002/2014GL059835