Contribution des partenaires au projet MACROES

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1 Contribution des partenaires au projet MACROES Ce document ne se veut pas un rapport finalisé. Il présente les contributions des différents partenaires telles qu'utilisées pour écrire le rapport final du projet MACROES. Des détails additionnels sont fournis pour certaines tâches ainsi que des figures supplémentaires qui n'ont pas été retenues pour le rapport officiel. Les textes sont en anglais ou en français. WP1 : databases Dans le cadre de ce Work Package, l'objectif consistait à optimiser la diffusion des ressources (métadonnées, données, traitements, indicateurs) utilisées ou produites pendant le projet MACROES à partir des sources de données identifiées en début de projet et gérées principalement dans des bases de données relationnelles (SQL) et des formats de données grillées (format netcdf). Pour cela, le système d'information mis en place s'appuie sur une infrastructure de données spatiales standardisée qui utilise différents composants logiciels : un serveur de métadonnées pour décrire ces ressources et comprendre comment les utiliser, différents serveurs de données spatiales pour accéder aux ressources décrites à travers des formats de données et des protocoles normalisés (formats de données accessibles par des Web Services OGC conformes à la directive européenne INSPIRE ou OPeNDAP), un serveur de traitements pour accéder aux codes sources (R) qui permettent, à partir des données précédentes, de produire les indicateurs du projet dynamiquement sur le Web (Web Processing Service). L'ensemble des outils mis en place est accessible à travers le site Web du MDST (Model and Data Sharing Tool). Cette nouvelle version de l'outil MDST a été intégralement dévéloppée dans le cadre des WP1 et WP6. Le portail Web du MDST donne accès aux différents outils, données et services mis en place durant le projet (catalogue de métadonnées OGC et MDST, accès aux données SQL sur le serveur MDST et le serveur Thredds pour les fichiers netcdf, serveur de traitements et client associé).

2 WP2 : Methodology in Ecosystems Figure 1: Chlorophylle de surface climatologique (mg Chla/m3). Les panneaux a et c représentent la chlorophylle de surface de juin pour respectivement les données de GLOBCOLOUR et le modèle. Les panneaux b et d représentent la chlorophylle en décembre pour respectivement les données GLOBCOLOUR et le modèle. Task 2.1 PISCES in DEB Actuellement, le modèle PISCES repose historiquement sur un formalisme de Monod. En d autres termes, la croissance du phytoplancton est limitée directement par la disponibilité externe des éléments nutritifs. Une conséquence majeure de cette hypothèse est la stœchiométrie constante des organismes vivants ce qui est hautement irréaliste. De même, cette hypothèse ne repose sur aucune considération mécaniste réaliste. Le travail sur le cycle du fer dans PISCES a introduit partiellement l approche en quota, limitée pour le moment au seul fer. Les autres éléments (C, N, P) restent modélisés selon une approche classique, impliquant que les rapports C/N/P sont fixes. Dans le cadre du projet MACROES, il était prévu d abandonner totalement le formalisme de Monod. Pour cela, la piste envisagée était d adopter le formalisme DEB pour les raisons suivantes : 1. Cette théorie est générale et peut être appliquée à tous les organismes vivants. Ainsi, dans PISCES, le zooplancton et le phytoplancton peuvent être représentés en utilisant un formalisme théorique identique. 2. Le modèle des niveaux trophiques supérieurs APECOSM a adopté cette théorie. Donc, une fois le formalisme DEB utilisé pour PISCES, l écosystème marin complet sera représenté en utilisant un formalisme théorique unique, ce qui permettra une consistance maximale entre les modèles et donc, dans les applications end-to-end.

3 Figure 2: Contribution relative des différentes classes de taille à la chlorophylle totale de surface. La colonne de droite correspond à l'algorithme d'hirata et al. (2011). La colonne de gauche montre les résultats du modèle PISCES. Les panneaux du haut représentent le picophytoplancton ; les panneaux du milieu montrent la contribution du nanophytoplancton et ceux du bas celle du microphytoplancton. Le basculement en DEB pour le zooplancton est réalisé. En revanche, pour le phytoplancton, ce basculement est abandonné, tout du moins à court ou moyen terme. En effet, après une analyse fine de la problématique de ce passage, il est apparu que cela présentait de nombreuses difficultés théoriques, demandant en particulier des extensions à la théorie DEB. Je me suis donc tourné vers une solution alternative reposant sur une synthèse des approches existant dans la littérature (Pahlow et al., 2009 ; Flynn, 2001 ; par exemple). Ce modèle pour le phytoplancton est consistant physiologiquement, représente proprement les interactions P et N ainsi que les différentes colimitations. Il est d ailleurs à noter qu il peut s expliquer comme un cas limite de la théorie DEB (lorsque les termes de maintenance sont négligés ; Marques et al., 2014). Parallèlement à l'introduction d'une description plus mécaniste de la physiologie du zooplancton et du phytoplancton, le schéma trophique du modèle PISCES a été partiellement retouché. Un troisième groupe phytoplanctonique a été ajouté : le picophytoplankton, et plus spécifiquement les cyanobactéries. Cet ajout se justifie principalement par le rôle majeur que joue ce compartiment dans les régions oligotrophes de l'océan ainsi que par certaines particularités biogéochimiques telles qu'un rapport N/P en général élevé (supérieur à 20). Enfin, cela rend possible la validation du modèle par des algorithmes satellitaux existants. Une première version du modèle est fonctionnelle (Figure 1). Elle est distribuée actuellement auprès des béta-testeurs du modèle PISCES pour être testée et validée dans diverses configurations tests (Figure 2).

4 Figure 3: Ex. de sortie d APECOSM-E : à gauche, comparaison des captures observées et simulées (en rose le domaine utilisé pour estimer les paramètres et en blanc le domaine sur lequel le modèle a été validé), à droite, comparaison des fréquences de taille observées et prédites par le modèle pour les quatre flottilles traitées. TASK 2.2: Improve the description of functional biodiversity lithiné APECOSM (O. Maury, J.C. Poggiale, Post-Doc EME) Les modèles actuels décrivant le fonctionnement des écosystèmes marins ne comportent que des représentations très simplifiées de la biodiversité sans prise en compte explicite de la diversité des traits d histoire de vie. Les petites et les grandes espèces n ont pourtant pas le même métabolisme et elles ne répondent pas à la variabilité environnementale aux mêmes fréquences. Un écosystème composé de petites espèces n aura donc pas la même faculté à transférer, stocker et dissiper l énergie et ne répondra pas aux perturbations de la même manière qu un écosystème composé de grandes espèces. La diversité des traits d histoire de vie au sein des communautés et sa structure (proportion relative des différents traits) a donc une importance fonctionnelle fondamentale dans la dynamique des écosystèmes. Au début de MACROES, la formulation des communautés génériques d APECOSM ne considérait pas explicitement la diversité des traits d histoire de vie des différentes espèces qu elles sont sensées intégrer. L objectif ambitieux de cette tâche était de développer une approche mécaniste originale du rôle fonctionnel de la biodiversité aux niveaux individuels, spécifiques (traits) et des communautés, tout en gardant une généricité suffisante permettant une application globale au sein du modèle APECOSM. L idée était qu à terme cette approche permette d étudier l impact du changement climatique sur la biodiversité et, inversement, d étudier les effets des changements de biodiversité sur le fonctionnement des écosystèmes.

5 Biomass (log) small size species Body length (cm) medium size species large size species 0, Body length (cm) Figure 4: APECOSM-div en 0-D. En vert les spectres de taille spécifiques des petites espèces, en bleue des espèces de taille asymptotique moyenne et en rouge les grandes espèces. La courbe rouge en gras correspond au spectre de taille résultant au niveau de la communauté Cette tâche reposait essentiellement sur une collaboration entre Olivier Maury (IRD EME) et Jean- Christophe Poggiale (Univ. Marseille, MIO) ainsi que sur le travail de Jérôme Guiet, étudiant en thèse recruté dans le cadre du projet. Une version d APECOSM diversifiée qui prend en compte la diversité des traits en distinguant un grand nombre d espèces de tailles asymptotiques différentes a donc été développée (Maury et Poggiale, 2013 ; Fig. 4) Le modèle représente la dynamique de communautés marines structurées en taille et intègre de façon mécaniste les niveaux individuels, populationnels et communauté. Une infinité d espèces caractérisées par leur taille asymptotique et couvrant l ensemble des histoires de vie possibles des toutes petites espèces aux plus grandes est représentée. Le modèle est fondé sur les hypothèses standard de la théorie DEB (Dynamic Energy Budget) ainsi que sur les processus écologiques centraux de la dynamique des écosystèmes marins : prédation opportuniste fondée sur la taille, compétition pour la nourriture, densité-dépendance de la formation des bancs, importance des bancs dans l efficacité de prédation, etc... L approche s appuie sur les relations de scaling inter-spécifiques de la théorie DEB pour intégrer la diversité des traits d histoire de vie (i.e. la biodiversité). La thèse de Jérôme Guiet a permis une analyse numérique complète du modèle, sa validation empirique ainsi que l étude de ses propriétés en régime stationnaire et en régime transitoire quand les conditions environnementales (température et production primaire) changent. La forme quasilinéaire et la pente du spectre de communauté obtenu correspondent bien aux études empiriques. Au niveau spécifique, les petites espèces dominent les petites tailles et les grandes espèces dominent les grandes tailles mais ces proportions changent avec la température et la richesse du milieu (Guiet et al., in prep.). Le développement de métriques spécifiques caractérisant la dynamique de la biodiversité a permis d analyser les effets de l environnement sur la structure et le fonctionnement des communautés. En conclusion de son travail de thèse, Jérôme Guiet a implémenté le modèle diversifié en traits dans la version 3D globale du modèle APECOSM. La valorisation de ce travail est en cours. TASK 2.3: APECOSM parameter estimation and validation (O. Maury, F. Ménard, Post-Doc EME, PhD EME not funded by ANR) Le modèle d écosystème APECOSM nécessite l estimation d un grand nombre de paramètres. En l absence de données, certains d entre eux doivent être fixés manuellement en «tunant» le modèle. Quand la disponibilité de données adéquates le permet, une approche objective est utilisée pour estimer les paramètres du modèle. L objectif de cette tâche était d une part d estimer les paramètres

6 liés à la distribution verticale des communautés à l aide de données acoustiques (thèse Louis du Buisson non financée par MACROES) et d autre part d estimer les paramètres liés à la pêche à l aide de données de captures, d effort et de fréquence de taille (postdoc de Sibylle Dueri financé par MACROES) et ceux liés aux préférences environnementales et aux mouvements à l aide de données de marquage-recapture (contrat d ingénieur de Coralie Picoche financé par MACROES). La thèse de Louis du Buisson (financements de la NRF sud-africaine) se terminera en août Elle a permis l estimation des paramètres qui régissent la distribution verticale des trois communautés génériques d APECOSM le jour et la nuit en fonction de la température, la lumière et l oxygène, à l aide d observations acoustiques récoltées par l IRD dans le Canal du Mozambique en 2009 et 2010 (Fig. 5). Le logiciel de différentiation automatique ADMB a été utilisé ainsi qu un algorithme de minimisation associé afin de minimiser l écart du modèle aux données. La procédure permet également d estimer les biomasses relatives des trois communautés. Figure 5: Estimation des paramètres contrôlant la distribution verticale des trois communautés dans APECOSM. A gauche les distributions relatives des trois communautés le jour et la nuit et à droite le profil acoustique simulé qui résulte de leur combinaison (bleu) et les données observées (rouge). Au cours de son postdoc, Sibylle Duéri (financement MACROES) s est concentrée sur l application du modèle APECOSM-E (une version simplifiée d APECOSM dédiée à l estimation de paramètres) au thon listao (skipjack) de l Océan Indien. Elle a pu estimer les paramètres liés à la pêche (capturabilités des différentes flottilles, sélectivités en taille), à la mortalité et au recrutement à l aide de données de captures commerciales, d effort de pêche et de fréquences de taille disponibles à l IRD. La méthode du maximum de vraisemblance a été utilisée pour cela dans un cadre bayésien et le modèle tangent-linéaire calculé de manière automatique a été utilisé pour approximer le code adjoint au sein de l algorithme de minimisation (Fig. 6, Dueri et al., 2012 a et b). Afin d estimer les paramètres liés aux mouvements actifs des thons, APECOSM-E a du être modifié pour pouvoir utiliser des données de marquage-recapture. Ces modifications, relativement complexes, ont nécessité de modifier la stratégie de parallélisation du code. Elles ont été faites par une jeune ingénieur d étude, Coralie Piccoche qui a été recrutée pendant une année en Ce travail a été mené à bien avec succès et est à présent en cours de valorisation (Piccoche et al., in prep.).

7 TASK 2.3 : Description mécaniste de formation d essaims et de bancs et implémentation dans APECOSM Cette tâche avait deux objectifs : proposer un modèle mécaniste de formation de structures spatiales agrégatives (bancs, essaims) pour étudier leurs rôles sur les flux trophiques et en déduire un procédé pour intégrer les résultats dans le modèle APECOSM. Un modèle individu-centré représentant des individus de deux populations (une proie et un prédateur) a été développé, à partir de la littérature. Il permet pour chacune des espèces représentées, de reproduire l attraction par les congénères, la répulsion si d autres individus sont trop proches, l alignement sur les voisins, la fuite des prédateurs par les proies, l attraction des prédateurs par les proies. Tous les comportements précédents sont soumis à des perturbations stochastiques permettant de représenter des sources d erreurs. La capacité du prédateur à entendre des proies qui se mettent en banc a également été représentée à ce niveau de description. Une méthode de changement d échelle, permettant d intégrer les effets des comportements détaillés dans le modèle IBM précédent au niveau des populations et de la communauté a été mise en place, pour une meilleure intégration dans APECOSM. Elle consiste en un premier temps à produire un jeu d équations différentielles stochastiques dont l IBM est en fait un schéma numérique. Dans un second temps, les densités spatiales de populations sont introduites et une équation (ou deux) aux dérivées partielles est dérivée en supposant que le nombre d individu tend vers l infini d une manière appropriée. L EDP est une équation à noyau et son intégration numérique n a pas encore été mise en place. Son développement permet cependant déjà de synthétiser les informations Figure 6: Comparaison des réponses fonctionnelles obtenues dans 4 configurations : seule la proie forme des bancs (jaune), la proie et le prédateur forment des bancs (vert), seul le prédateur forme des bancs (rouge), aucune espèce ne forme de banc (bleu). La présence des bancs chez la proie augmente sensiblement la réponse fonctionnelle. individuelles au niveau de la communauté. Des outils pratiques permettant de mesurer les effets de la formation des bancs (mesure de la présence de bancs ou non, effets sur le processus de prédation) ont été développés ou repris de la littérature.les modèles ont été programmés tout d abord en Matlab et seront mis à disposition sur internet, ils ont également été programmés en C pour une implémentation dans APECOSM.

8 Figure 7: Analyse statistique de l effet de la présence des bancs sur la réponse fonctionnelle. (a) La proie ne fait pas de bancs. Il y a une relation linéaire entre les paramètres a et b de la réponse fonctionnelle de Holling (équation du disque) comme prévu par la théorie. (b) La proie forme des bancs, une réponse fonctionnelle de type III émerge avec une relation linéaire entre les paramètres c et d. (c) Comparaison entre le cas où le prédateur forme des bancs (rouge) et le cas où il n y a pas de banc (bleu) indiquant que la présence de banc du prédateur n affecte pas la réponse fonctionnelle. (d) Même chose que (c) mais dans le cas où les proies forment des bancs. Le résultat principal acquis pour le moment est l augmentation de la pression de prédation lorsque celle-ci s agrège, indépendamment de la formation en banc ou non du prédateur (Fig. 6). Ce résultat est à relativiser puisque seulement deux espèces sont considérées et que de nombreuses simulations et configurations restent à faire. Cependant, ce résultat est le fruit d un grand nombre de simulation et s appuie sur des tests statistiques qui, dans les configurations testées, en attestent la significativité (Fig. 7). Une discussion sur le rôle des bancs de proies et de prédateurs a été produite et intégrée dans la publication mentionnée ci-dessous. D autres résultats concernent l efficacité des outils de mesure de la présence de bancs pour analyser le rôle de la densité-dépendance, mais ils ne sont pour le moment pas suffisamment aboutis. WP3 Methodology in Economics Task 3.1 Data and demand analysis Un modèle complet de demande de type GSIDS (General Synthetic Inverse Demand Systems) a permis d évaluer les incitations économiques des armateurs thoniers à accepter une réduction de leurs prises (Sun et al. 2015). Les coefficients de flexibilité en prix de l offre globale ont été estimés à partir du marché directeur des importations thaïlandaises de thon destiné à la conserverie (albacore et listao). Une flexibilité d échelle unitaire indique une absence de pertes en revenus, voire même un accroissement des profits, dans le cas d une réduction globale des captures. Une telle réduction ne peut être obtenue qu au prix d une politique de conservation concertée entre les ORPs thonières. Un second modèle simplifié d équations simultanées offre-demande au niveau mondial utilisant plusieurs variables d effort (nombre de senneurs), de prix mondial des produits alimentaires et de croissance du revenu par habitant confirme la flexibilité unitaire en prix des quantités débarquées. Ce modèle, couplé au modèle écosystémiques APECOSM-E forcé par le modèle climatique IPSL-CM5A-MR, permet de simuler l impact de scénarios d évolution du climat (RCP 8.5) et socioéconomiques (SSP3) selon différentes politiques de gestion des ressources (MSY, MEY, open access). Les résultats montrent une exploitation des thonidés au MSY non viable économiquement dans les trois océans, et une exploitation optimale au MEY mais qui réduit considérablement l effort nécessaire et donc l emploi dans les pêcheries (Dueri et al., sub.).

9 Task 3.2 Effort Dynamic model Un modèle économétrique de la relation captures-efforts a été développé pour analyser le rôle de la fonction managériale dans les rendements obtenus. Un modèle de panel à trois effets fixes (senneur, patron, temps) appliqué à la flotte thonière française de l océan Indien ( ) a permis de décomposer la variance entre les variables d effort (temps de pêche, calées sur DCP et sur bancs libres), les variables managériales (patrons et bateaux, effets d expérience) et la variable temps (Wolff et al. 2013). Les variables d effort expliquent 72% des écarts de rendements (avec un impact des DCPs double de celui de l effort sur bancs libres), les effets fixes patrons et bateaux comptant pour environ 6% chacun tandis que l effet temporel ne jouerait que pour moins de 3% dans les performances obtenues. L effet d expérience et l association patron-senneur n auraient en revanche aucun impact sur ces dernières. Task 3.3 A network model of the global supply chain for tuna The futures of the global supply chain for tuna are uncertain. Consequences of overfishing, combined with global warming can be terrible. There are needs for a global governance for controlling the fishing pressure, for example through the implementation of of offshore marine protected areas. The idea of a global governance for tuna fisheries entails a specific way way to jointly address ecological and economic issues. This is the goal of this paper to explore this specificity. With the purpose of designing and simulating several scenarios according to climate change or the implementation of marine protected areas, we have developed a bio-economic model linking the main tuna stocks of the oceans, the main fleets, the main canning industries of the world. Our conclusions are the following. The increase of demand is the key factor. Climate change effects on the abundance and the distribution of tuna should be quantified; they may have an important impact. Offshore marine protected areas should produce counter intuitive effects in the absence of spillover between areas: they increase the pressure in other areas, prices then profits then fishing pressure augment, this until the collapse. This model is available on the MACROES website ( through a web interface. A screen capture of the model is presented on Figure 8. The users can play with different scenarios based on the implementation of high-seas marine protected areas and on different climate change projections. The sensitivity to different external driving forces, such as the oil cost, can be adjusted. Figure 8: Screen capture of the network model of the global supply chain for tuna

10 WP4 Climate Change and Ocean Acidification The main objective of this WP was to evaluate the structural and functional response of the marine ecosystem and the associated fish resources to climate change and ocean acidification. The impact of marine resource exploitation was not considered in this task. Task Impact of climate change and ocean acidification in marine ecosystems: end-to-end In this task, we used coupled climate simulations with the IPSL-CM5 model and assessed the potential impact of climate change on marine ecosystems. We first conducted a multi-model intercomparison on the future evolution of marine ecosystems stressors (i.e, temperature, ph, O2 levels and NPP). The result are published in Bopp et al. (2013) and have been used for the last IPCC report, both for the projections of ocean acidification and oxygen levels (WG1 Chapter6, Ciais et al. 2013), and for the projections of phytoplankton productivity (WG2 Chap 6, Portner et al. 2014). The 10 Earth System Models used in that study project similar trends in ocean warming, acidification, deoxygenation and reduced primary productivity for each of the IPCC's representative concentration parthways (RCP) over the 21 st century. For the business-as-usual scenario RCP8.5, the model-mean changes in 2090s (compared to 1990s) for sea surface temperature, sea surface ph, global O 2 content and integrated primary productivity amount to C, ph unit, -3.45% and -8.6%, respectively. For the high mitigation scenario RCP2.6, corresponding changes are C, ph unit, -1.81% and -2.0% respectively, illustrating the effectiveness of extreme mitigation strategies. Although these stressors operate globally, they display distinct regional patterns. Large decreases in O 2 and in ph are simulated in global ocean intermediate and mode waters, whereas large reductions in primary production are simulated in the tropics and in the North Atlantic. Although temperature and ph projections are robust across models, the same does not hold for projections of sub-surface O 2 concentrations in the tropics and global and regional changes in net primary productivity. Figure 9: Timeseries of global (a) NPP anomalies, (b) Carbon export at 200m depth anomalies, (c) air-sea Carbon flux, and (d) Volume of hypoxic water anomalies (%) in the 1-way (black line) and 2-ways (red line) simulations for (d) three oxygen threshold where defined accordingly to Bopp et al. (2013): [O2] < 80 μmol/l (filled lines), [O2] < 50 μmol/l (dashed lines), and [O2] < 5 μmol/l (dotted lines). In a second step, we used the PISCES-APECOSM coupled system to project the effects of these multistressor changes on end-to-end ecosystems. These effects were evaluated on the whole food web (Lefort et al; 2014), but also on tropical skipjack tuna (Dueri et al. 2014). We ran the coupled PISCES-APECOSM model from 1850 to 2100 under historical forcing followed by RCP8.5. Our RCP8.5 simulation highlights significant changes in the spatial distribution, biomass, and maximum body-size of the simulated pelagic communities. Biomass and maximum body-size increase at high latitude over the course of the century, reflecting the capacity of marine organisms to respond to new suitable environment. At low- and mid-latitude, biomass and maximum bodysize strongly decrease. In those regions, large organisms cannot maintain their high metabolic needs because of limited and declining food availability. The greater resilience of small body-size organisms resides in their capacity to fulfill their metabolic needs under reduced energy supply and is further favored by the

11 release of predation pressure due to the decline of large organisms. These results suggest that small body-size organisms might be more resilient to climate change than large ones. Task Retroactions in the coupled system. In this task, we used the PISCES-APECOSM model in which two-ways interactions were activated so that the effect of top-down control from higher to lower trophic levels in a warming climate could be evaluated. A publication on these results is in preparation (Lefort et al. in prep), to be submitted to Journal of Geophysical Research We compared two transient climate change simulations (RCP8.5) of the coupled PISCES- APECOSM model: one with and the other without feedbacks of upper trophic levels on biogeochemistry. We found that upper trophic levels have little effect on the carbon cycle, but they modify the Net Primary Production (NPP) and the oceanic oxygen content (Fig. 9). These results imply that upper trophic levels take no significant part in the oceanic storage of carbon under climate change. However, they may attenuate the decrease of NPP under climate change through top down effect, favoring their food supply. On the other hand, as aerobic species, marine animals contribute to decrease the oxygen concentration in the ocean subsurface and increase the volume of hypoxic/anoxic water in the ocean, reducing their habitats. Diel vertical migration of zooplankton and micronekton is a very common phenomenon in aquatic systems. Typically, many marine organisms feed close to the surface at night and descend in the mesopelagic zone at day to escape visual predation by planktivorous fishes. This migration induces an active transport of carbon from the surface to the surbsurface which has been estimated to be between 10 to 30% of the total export of carbon. In this action, it was proposed to use this model to study the impact of the higher trophic levels of the carbon cycle, within and below the euphotic zone. The role of migrating organisms has been estimated using the end-to-end ecosystem model. Active transport of carbon represent globally between 12 and 18% of the total export of carbon from the euphotic zone and may represent up to 50% of this export in the tropical regions. These results have been presented at the AMEMR meeting in June 2014 and at a seminar at IPSL in November A manuscript is in preparation and will be submitted in the first half of 2015.

12 Figure 10: Model-mean time series of global sea surface warming ( C), surface ph change (ph unit), ocean O2 content change (%), and global NPP change (%) over using historical simulations as well as all RCP simulations. Shading indicates one inter-model standard deviation. All variables are plotted relative to Task 4.2 The impact of the biomixing on the global ocean Ocean mixing is of key importance to the maintenance of the large-scale ocean circulation and has largely been attributed to the breaking of internal waves generated by atmospheric forcing and tidal flows over topography. It has been proposed that the motions of marine organisms could produce ocean mixing of a magnitude comparable that produced by tides (~1 TW) and winds (~1 TW) (Dewar et al., 2006; Huntley & Zhou, 2004). Ocean mixing occurs when a process disrupts the density gradient of the water column by transporting water of lower density to a region of higher density, or vice versa. Here, we estimate the global magnitude and distribution of biologicallygenerated mechanical energy, biomixing, released into the ocean by the marine biosphere use a sizestructured ecosystem model (APECOSM) and a biogeochemical ocean circulation model (ORCA- PISCES). The APECOSM model is based on the paradigm that, to the first-order, size structures the foodchains of marine ecosystems: organisms feed on organisms several orders of magnitude smaller than themselves. At the base of the marine ecosystem, the sun energy s is captured by phytoplankton and transferred up through the food chain. At each step in the food-chain energy is dissipated to the water column. A component of this energy loss is due to the physical movements of the organisms (i.e. swimming, diel migrations, prey capture, etc.), and can contribute to biomixing ((Huntley & Zhou, 2004; Katija & Dabiri, 2009).

13 11 Figure 11: Left-panel) Depth-integrated total marine ecosystem maintenance energy (W/m2). Rightpanel) Change in temperature (degc) at 95m that is produced by biologically-generated turbulence, Tbio. Here, we approximate the biological turbulence, T bio, created by the total marine ecosystem (i.e. all size classes of the epipelagic, mesopelagic and migratory communities) as 10% of the maintenance energy. The maintenance energy is the energy required to fuel the basal metabolic rates of an organism (i.e. reproduction, growth) and is explicitly calculated in the APECOSM model (Maury et al., 2007).To simulate biomixing, the global distribution of T bio (x,y,z,month) (Fig. 11, left panel), where the globally-integrated T bio is ~0.3TW, is incorporated as an additional term in the formulation of ocean turbulence in ORCA ocean circulation model. We then run two 350 year simulations one with and one without the contribution of T bio to test the influence of this biologically-generated turbulence on the global ocean. We find that although the impact of biomixing on the large-scale meridional circulation is minimal, it produces a significant shift in the mean state of the ocean. The global mean temperature of the ocean increases by 0.05 degrees and is concentrated in the subsurface tropical ocean with an up to 2 degree warming in the thermocline (Fig. 11, right panel). WP5 : Marine Resource exploitation and Governance Task 5.3.: influence of climate variability on the spatial dynamics of fishing fleets and tuna markets Cette tâche consistait à développer et coupler un modèle bio-économique de flottilles à APECOSM afin d étudier les conséquences des changements climatiques sur la répartition spatiale et la profitabilité des flottilles de thons au niveau global. Un modèle de distribution spatiale de flottilles a donc été développé et adapté au cas de la pêche du thon listao dans l océan indien afin d étudier des scénarios de gestion spatialisée de la pêcherie (Duéri and Maury, 2013, Fig. 12).

14 Figure 12: Simulation de la population de thon listao avec APECOSM (bleu = faibles densités de poissons, rouges = fortes densités) et distribution simulée de la flottille de pêche à la senne (blanc). Le rectangle rouge correspond à une aire marine protégée hypothétique où la pêche est interdite. Un groupe d expert international initié par le projet MACROES dans le cadre du programme CLIOTOP a été formé pour proposer des évolutions possibles du système de gouvernance des pêcheries thonières mondiales (Maury et al., 2013). Ces possibles évolutions serviront de base à la définition de scénarios d évolution des pêches qui seront testés par simulation (projet ANR CIGOEF soumis). Dans la perspective de ces simulations de scénarios, une composante économique représentant la rentabilité économique des bateaux en fonction des cours du poisson (lié dans le modèle aux captures simulées globales) et des prix du pétrole a été intégrée au modèle de distribution de flottilles d APECOSM. Configuré pour représenter les populations et les pêcheries de thon listao globales, différents scénarios ont été comparés afin d évaluer les effets des changements climatiques (RCP8.5) sur les captures, la rentabilité et la viabilité économique des flottilles thonières dans les trois océans en 2010, 2050 et 2100 (Duéri et al., soumis). Task 5.4 Governance by Law of the Sea, Law of fisheries and Economic Law La Tâche 5.4 relative à l étude de la gouvernance (fonctionnement des institutions et des règles de droit) sous l angle du droit de la mer, du droit international des pêches et du droit du commerce international a fait apparaître trois tendances déterminant le mode d administration des espaces maritimes et des ressources recelées. Une fois celles-ci dégagées, elles pouvaient éclairer des zones géographiques plus ciblées (Méditerranée, océan Indien ). -Sur le droit international de la mer, le découpage classique des espaces juridiques à réguler a d abord été montré, débouchant sur la fragmentation au minimum binaire de l espace maritime : en deçà ou au delà des Zones sous juridiction. Ce découpage en réalité se complexifie selon certaines règles, certaines emprises étatiques et certaines configurations géographiques comme les mers semifermées. Ceci affecte la situation des ressources thonières, et autres ressources qualifiées de Grands migrateurs et de stocks chevauchant entre ZEE, en fonction du lieu où elles circulent et sont capturées. Si les fonctions initiales du droit de la mer sont assez éloignées des questions purement environnementale, de nouvelles questions portées par des analyses écologiques, le secteur halieutique et la géopolitique émergent La plus vaste de celles-ci étant -au plan des règles de droit et de la gouvernance- la protection des réseaux écologiques marins par un schéma juridique adéquat.en attendant d y parvenir c est le droit des pêches qui reste usité. - Au niveau du droit commercial, les travaux montrent qu au plan international, la pêche et la gestion des produits en découlant sont soumis à des règles particulières. Les ressources marines sont représentées tels des produits susceptibles de commerce, et les produits de pêche maritime comme une partie de l exploitation et de la transformation des ressources biologiques marines.dans ce contexte, le droit de L'Organisation mondiale du Commerce (OMC) est-il susceptible d aboutir à la

15 préservation de la ressource marine?et le fait qu elle soit affectée par le changement climatique change-t-il la première question? Des éléments de réponses sont amenés (assimilables à des scénarios de mobilisation d arguments juridiques pour rendre acceptable l action d un Pays qui se voudrait protecteur).toutefois c est le traitement exceptionnel des questions environnementales par le droit de l OMC qui ressort. Les exceptions et conditions admises pour accepter des mesures étatiques restreignant les échanges commerciaux de ressources marines commerciales sont examinées sévèrement. La position de rejet relatif des instances de l OMC (droit de l OMC) face à des mesures étatiques environnementales à effet extraterritorial qu un État voudrait prendre (Aff.Thons-Dauphins I en 1991 et II en 1994, Aff.Crevettes-Tortues en 1998 ) le montre. Ce qui rend bien théorique une situation de discrimination des produits par le droit de l OMC sur le fondement de l impact du changement climatique sur la ressource marine et réduit les possibilités de la protéger.l accès juridique aux ressources en mer, vivantes ou même non vivantes reste clairement stratégique pour une majorité d États, dont les États aux économies dépendantes de la ressource halieutique thonière et/ ou les États en développement La redistribution spatiale de cette dernière posant un problème juridique. Ces difficultés conduisent a étudier des zonages plus particuliers que les zonages ordinaires, à savoir ceux des aires marines protégées, de leur Gouvernance et de leur droit. Pour des AMP, développées de manière exponentielle sur la plupart des mers et des océans, la justification est d abord scientifique et biologique. Or cela ne constitue pas pour autant une garantie d acceptation à l égard des populations riveraines ou de certains acteurs économiques dominants. L AMP peut rapidement devenir un enjeu de pouvoir et de rapports de force susceptibles d affecter l efficacité de sa gestion et le respect de ses règles juridiques.la responsabilité de l Etat et de l action administrative y restent prépondérants pour «gouverner» la complexité territoriale d un espace public et pour arbitrer les intérêts souvent contradictoires qui s y exercent. Mais la question nouvelle reste la question des AMP de Haute mer, à savoir débordant sur Zones AZJN ou en pleine haute mer pour lesquels les modèles (ou habitudes) d analyses ne conviennent plus si bien. L enjeu de Task 5.4 est d apporter une contribution à l approche scenario ou indicateurs ciblée par le Projet MACROES et de permettre la compréhension des processus qui sous-tendent les formes actuelles de gestion des pêches et plus largement du droit environnemental, au moment oû celles-ci, en ce début 2015, devraient connaitre une évolution considérable (avec le projet de réforme de la gouvernance juridique de la haute mer engagé devant les instances onusiennes). WP6 : Global Integrated Dynamics Task : A list of synthetic indicators will be defined Physique/biogéochimie Ecosystèmes Pêche/économie Droit SST O2 (indice OMZ) Chla Biomasse totale Taille moyenne maximale Indice de biodiversité Capture Effort de pêche Profit Compétence ORGP et protection spatiale, Règles et accords juridiques applicables Contentieux juridiques Le Work Package 6 s'est appuyé sur les ressources diffusées dans le cadre du WP1 pour produire une série d'indicateurs qui synthétisent des résultats du projet à l'échelle de l'océan indien et à l'échelle globale. Les indicateurs retenus sont rendus accessibles à travers deux sites Web lié au SIP. Le premier donne accès à une version statique des indicateurs produits. Le second a pour objectif de permettre à un utilisateur plus avisé d'adapter la génération des indicateurs proposés par le premier site en appliquant des filtres sur les données ou en paramétrant directement les traitements. La

16 méthode de production des indicateurs a été validée et permettra par la suite d'enrichir le contenu du site Web sans développement supplémentaires. De nouveaux indicateurs seront ajoutés en fonction de la fourniture de nouvelles données et adaptation éventuelle du code R à de nouvelles structures de données. La généricité des solutions proposées dans le WP1 et le WP6 a permis d'interagir avec d'autres projets (FP7 imarine et Data Collection Framework de la DG-MARE) pour co-financer le développement de ces outils que nous souhaitons maintenir et faire évoluer pour les valoriser dans le cadre d'autres projets (en lien avec CLIOTOP en particulier). Ce travail a été présenté dans le cadre de la conférence CLIOTOP 2013 à Nouméa et du symposium «Indian Ocean Tuna Tagging Symposium» en 2012.