Modélisation des écosystèmes marins à l aide d Eco3M

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1 Modélisation des écosystèmes marins à l aide d Eco3M M. Baklouti, F. Carlotti, F.Diaz, V.Faure, C.Pinazo, B. Queguiner (Laboratoire d Océanographie et de Biogéochimie (LOB, Marseille)

2 Modèle biogéochimique et Eco3M Modèle: (Baklouti et al., 2006a) modélisation des écosystèmes aquatiques multi-éléments (sans rapports de Redfield), multi-espèces représentation mécaniste des processus Code Eco3M (Ecological Mechanistic and Modular Modelling Ecological Mechanistic and Modular Modelling) modulaire (choix libre des variables et processus) indépendant du modèle physique et du site placé sous licence Cecill par l IRD, le CNRS et l univ. de la Méditerranée µzoo phy C phy N NO 3 µzoo GRAZ GRAZ phy C phy N NO 3 Élaboration du modèle PP UPT Interface utilisateur Fichier de données Bibliothèque de modèles de processus biogéochimiques Exécution 1 ère exécution Chargement du modèle 2 nde exécution calcul

3 Autres particularités du code de calcul Eco3M Écrit en fortran 90/95 Vecteurs et tableaux de taille variable (allocation dynamique) Création et utilisation de types dérivés : Variables d état Processus Identifiant (n variable) Identifiant organisme Nom du compartiment (ZOO/PHY/MID ) Nom du ss-compartiment (diatom,no 3, ) Élément (C, N, P, ) Identifiant (n processus) Nom du processus (upt,ppb, ) Nom de la fonction associée(f_upt, ) Nb de paramètres Nom des paramètres (Q min, Q max, KQ, )

4 Structure du code de calcul Eco3M Module Def_type Définition des types dérivés Module Var_Global * Chl:C * µ nr, µ, bp Module F_Process * Fonctions de processus Initialisation Phase initiale Chargement f_process Lecture configuration du modèle Remplissage var Création fichier de calcul des Flux Calcul Phase initiale Boucle sur le temps Calcul des Flux Calculs subsidiaires Calcul des Tendances Sauvegarde résultats Module Var_User *Noms fichiers *C ini (défaut) Fichier «call.inc» de calcul des Flux Module Coupleur_Phy_Bio * Irrad, Temp * Var, Tend

5 Interactions avec le modèle physique Phase préliminaire Initialisation (1ère exécution) Calcul (2ème exécution) choix du modèle Génération du fichier de calcul des flux Calcul des flux entre variables à l instant t Var, E, T, Tend Code physique t = t + t

6 Applications en cours et en projet du code Eco3M au LOB Étude de processus (modèles mécanistes) - processus phytoplanctoniques (co et multi-limitation, diazotrophie, ) et zooplanctoniques - relations trophiques: de l échelle de l individu à l échelle du groupe fonctionnel - élaboration des modèles: expériences (littérature + projets au LOB), théorie DEB (Dynamic Energetic Budget) Études spécifiques - compétition picophytoplancton/bactéries pour PO 4 et conséquences sur les voies de transfert de C,N,P vers les échelons supérieurs (projet ANR, soumis par T. Tanaka) - compétition synechococcus/picoeucaryotes (+/- de l utilisation de phycoerythrine) avec Y. Dandonneau

7 Applications en cours et en projet du code Eco3M au LOB Validations partielles - mise au point d expériences spécifiques (chemostat, microcosmes) - utilisation de la modélisation en amont des expériences Modélisation couplée physique biogéochimie - Golfe du Lion, lagons de Nouméa, Tuléar, Méditerranée Nord-Occidentale (projet BOUM) Étude de processus et de relations spécifiques expériences modèles Réduction de modèle Analyse de sensibilité Validation par processus Extrapolation Modèle d écosystème -basé sur des processus bien représentés, validés - simplifié en fonction de l objectif d étude

8 Étude de processus: Exemple de la photosynthèse Approche classique lois empiriques P vs. E (Monod, Steele, Jassby and Platt, ) Paramètres non physiologiques Approche Mécaniste Décrit les processus sous-jacents à l échelle de la cellule Paramètres physiologiques mesurables P * Vitesse de photosynthèse (P) * = φ a E (Morel, 1991; Sakshaug, 1997) Irradiance (E) Modèle de Han (2002) dn dt dn dt n o ouvert o c = σ = σ PSII PSII σ PSII E τ 1 n c fermé nc E no + τ nc E no k τ k d σ PSII E d σ k r PSII n i inhibé E + k φ = φ r n i m Fluorescence Dissipation thermique n o (1-φ) a * E énergie lumineuse (E) a * E Molécules collectrices d un PSII Transfert d énergie Centre réactionnel des PSII

9 Réduction du modèle de photosynthèse 2/ Modèle dynamique complet: dn dn dt dt 1 σe = τ H kd σe 3/ Mise au point d un modèle dynamique réduit k d o in k r 1 τ k Résolution d un système «raide» coûteux et instable n o ouvert σ PSII E τ 1 n c fermé σ E << σe et k d σ PSII E k r k r << n i inhibé 1 τ => On suppose les états ouvert et fermé immédiatement à l équilibre dn dt in = k d ( σe) 2 τ (1 n 1+ σeτ in ) k r n in H d + σe k 1 τ σe H d

10 Modélisation de la Photoacclimatation Photoacclimatation à long-terme (> min.) Équation de conservation spécifique pour la chlorophylle Modèle de Geider (1998) Limitation par l azote et la lumière dchl dt = ρ Chl V m e N K + N e Q Q max + max Q Q min... ρ Chl Q = P C N = θm * α E N / C C Chl facteur de régulation Vitesse d assimilation de N Flynn et al. (2001) : ρ correct mais = 0 quand Q = Qmax Chl dchl dt dchl dt = ρ Chl V m K e N + N e N N 1 θ / θ N N (1 θ / θ ) + K max max + Chl... avec: θ N = Chl / N

11 Paramètres nombreux (i.e. 20 paramètres dans l exemple) Larges gammes de variation et incertitude des paramètres Modèles fortement non-linéaires Tirages / lois normales Analyse de sensibilité Analyse globale de sensibilité par méthode de Monte-Carlo (, n i s i p i : compilation de données de la littérature 1/ Variation des paramètres 1 par 1 2/ Variation simultanée des paramètres Y j (t) t Y j p n tirages ) Y j avec s = n i si p s n i = 0.25 i n si spécifiques i ( Y, n s )

12 s i égaux s i spécif. photosynthèse respiration assimil. NH4/NO3 Chl fermeture

13 Confrontation du modèle à des expériences en chemostat (expériences réalisées par L. Pawlowski et A. Sciandra,, LOV, Villefranche) Culture de Thalassiosira weissflogii limitées en nitrate et sous cycles lumineux 2 expériences : lumière forte (HL) et faible (LL) Carbone (mol C) LL jours Chl / carbone (gchl/mol C) HL jours Lumière forte (850 µmol quanta m -2 s -1 ) Lumière faible (180 µmol quanta m -2 s -1 ) Azote / carbone (mol N/mol C) HL LL jours Chl / carbone (gchl/mol C) Validation du modèle y compris photoacclimatation (Baklouti et al b) jours