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1 - 1 - Dynamique physique de l habitat 1.1 L hydrodynamisme du Plateau atlantique dans le défi golfe de Gascogne

2 L hydrodynamisme du plateau atlantique dans le Défi golfe de Gascogne Coordination : Frédéric Vandermeirsch 1. Objectifs Comprendre comment les fluctuations climatiques influent sur les structures physiques de l habitat pour déterminer l hydroclimat du Golfe de Gascogne, sa variabilité inter-annuelle et son évolution. Peut-on évaluer les stocks de poissons à partir de la variabilité, spatiale et temporelle, du climat et de l écosystème du Golfe du Gascogne? 2. Actions en océanographie physique Parmi les actions prévues, certaines s effectuent dans le cadre du PNEC chantier atlantique dont la problématique est entièrement incluse dans le Défi Golfe de Gascogne. Les actions prévues se déclinent en trois volets complémentaires : les mesures du milieu physique, la modélisation du Golfe de Gascogne et l analyse des phénomènes physiques Mesures du milieu physique Mesures in situ Les mesures in situ sur le plateau atlantique sont pour la quasi-totalité des profils de température et de salinité acquis lors de campagnes pluridisciplinaires dédiées en particulier à la biologie et à l halieutique. Depuis 1997, une série de campagnes en mer a été réalisée dans le cadre d une collaboration entre le SHOM et l IFREMER (campagnes Modycot). Ces campagnes ont permis de réaliser de nombreuses mesures hydrologiques avec une stratégie d échantillonnage plus synoptique et plus rapide. La couverture du plateau est réalisée en une semaine 2 à 3 fois par an, soit une cinquantaine de stations échantillonnées à chaque fois. Toutefois, ces campagnes ne permettent pas de disposer de mesures à toutes les saisons. Elles se déroulent en général au printemps et au début de l automne et il y a donc un manque d information concernant la période estivale et la période hivernale. D une manière générale, toutes les mesures hydrologiques réalisées sur le plateau depuis une dizaine d années de même que les résultats des simulations du devenir des panaches de la Loire et de la Gironde mettent en évidence une grande variabilité saisonnière et inter annuelle de la salinité. Mais les mesures in situ sont insuffisantes pour permettre une étude précise de cette variabilité. Il est donc apparu utile de mettre en œuvre un réseau de sondes TPS (MICREL) destiné à mesurer en continu l évolution de la salinité au cours du temps en plusieurs points du littoral. L objectif principal de cette action est d acquérir des séries temporelles assez longues pour mettre en évidence la variabilité inter annuelle de la salinité dans la zone soumise à influence des grands panaches fluviaux. Les sondes ont été fixées sur des constructions existantes à la côte (quais, pêcheries, etc.) plutôt que sur des mouillages en mer pour pouvoir mieux assurer la pérennité de la mesure et permettre un entretien et un contrôle régulier des capteurs. Les sites d implantation des appareils ont été choisis sur des îles en raison de la faible superficie des bassins versants qui minimise donc le risque de

3 perturbation de la mesure de salinité par des apports locaux. Quatre sites ont donc été retenus sur les îles des Glénan, Houat, Yeu et Oléron. Les mesures de salinité sont enregistrées toutes les 30 depuis une à deux années selon les sites. La durée des enregistrements varie en fonction de la période d installation des sondes et des aléas liés au fonctionnement du matériel. En raison des périodes d exondation variables selon le coefficient de marée et du site, la valeur maximale enregistrée chaque jour a été retenue pour analyser ces mesures Mesures satellitales Les données satellitales sont la température de surface de la mer (AVHRR/NOAA), la couleur de l eau (SeaWiFS/SeaStar) et la rugosité de surface de la mer (SAR/ERS). Leur résolution, leur couverture spatiale et temporelle diffèrent. Les données thermiques et de la couleur de l eau sont des données à basse résolution spatiale (~1 km) qui permettent une couverture instantanée journalière (couleur), voire plusieurs fois par jour (thermique) de la totalité du Golfe de Gascogne, en l absence de nuages. La résolution spatiale du SAR est plus fine (30m) mais en contrepartie la zone couverte est plus restreinte et la revisite du site moins fréquente (tous les 35 jours). Pour l imagerie SAR, une zone d intérêt a donc été choisie dans les parages de la Loire : région comprise entre Belle-Île, l île d Yeu et la Loire. L utilité de ces données spatiales pour le projet réside à la fois dans la validation du calcul des températures par le modèle hydrodynamique et pour l étude des zones de rétention. En effet les structures dynamiques comme les fronts et les structures associées (méandres, filaments, tourbillons) peuvent être mis en évidence par différents marqueurs des masses d eaux. Ainsi les fronts peuvent avoir une signature en thermique et/ou en concentration de particules terrigènes ou de chlorophylle ou encore par modification de l état de surface de la mer sous l effet des courants. Un inventaire et une analyse des structures thermiques, turbides et biologiques (chlorophylle A) et des structures dynamiques (SAR) ont donc été entrepris. Le jeu de données a été sélectionné sur la même période (1997 à 2000). Au total 3600 scènes AVHRR et 1100 scènes SeaWiFS ont été traitées par le «Remote Sensing Group du Plymouth Marine Laboratory» qui a fourni ces données et différents produits pour visualiser les structures ainsi que des cartes de fronts thermiques et de chlorophylle pour compléter leur description et l analyse de leur évolution. D autre part 20 images SAR acquises auprès d Eurimage ont été choisies à partir d un critère de vitesse du vent < 8m/s Base de données hydrologiques Un des objectifs du Défi en physique côtière est d apporter des éléments de réponses à l évolution de l écosystème du Golfe du Gascogne à partir de la variabilité, spatiale et temporelle du climat. Une analyse statistique des observations sur au moins les vingt dernières années permettrait de dégager les tendances de la circulation océanique dans le Golfe de Gascogne. Dans ce but, DEL-AO et le SISMER vont constituer une base de données hydrologiques du Golfe de Gascogne, à partir des mesures du SHOM-CMO, de l IFREMER et de la base mondiale du NODC (National Oceanographic Data Centres), et réaliser un atlas climatologie en température et en salinité. Actuellement, il n existe pas de climatologie de référence dans le Golfe de Gascogne. L intérêt d avoir une référence en température et en salinité commune à un ensemble de disciplines, halieutique, biologique et physique est multiple : support aux études scientifiques, initialisation et forçage des modèles numériques, calibration d'instruments de mesures. Le SHOM a fourni, après signature d une convention entre l EPSHOM et l IFREMER, les données hydrologiques archivées au CMO (sondes XBT, CTD, MBT, données bouteilles) entre 43N et 50N et de 15W à la côte. La durée de l exportation est limitée à 3 ans, temps

4 nécessaire à la réalisation de la base de données et de l atlas climatologique. Les données classifiées étrangères n ont pas été extraites de l enceinte du CMO. Le CMO s engage à fournir le libre accès à ces données au personnel de l IFREMER dans l enceinte de l EPSHOM. Le CMO s engage à fournir à l IFREMER les capacités humaines et logistiques nécessaires à l extraction des ces données. L accès à la base de données est limité à un nombre de scientifique restreint. Les étapes techniques de ce projet sont : 1 : Constituer une base de données unique regroupant les profils hydrologiques (température et salinité) collectés depuis le début du siècle par le SHOM-CMO, le SISMER et le NODC. 2 : Assurer le contrôle qualité des données : en particulier la détection des doublons. 3 : Réaliser une analyse objective (interpolation optimale en espace) : climatologie bimensuelle avec un maillage adapté à la région. 4 : Diffuser la climatologie sur un support informatisé (type CD) Développements technologiques de flotteur Notre demande de développements technologiques concerne l adaptation du profileur PROVOR au plateau continental. Deux systèmes de flotteurs profileurs sont à l étude selon la profondeur à étudier. Ils vont faire l objet d expériences in situ fin 2003 : un flotteur non encré approprié aux fonds supérieurs à 70 m dans la mesure où sa dérive est faible et un autre flotteur accroché a un câble encré permet de réduire fortement sa dérive sur des fonds inférieurs à 50 m. Sur les deux types d appareils, il est nécessaire d ajouter au flotteur PROVOR de la flottabilité en plus, afin de le maintenir debout sur le fond pour qu il puisse s'extraire et ne pas riper avec le courant de fond Modélisation du plateau continental et du Golfe de Gascogne Modèle numérique Un modèle hydrodynamique tridimensionnel, le modèle Mars 3D a été appliqué au plateau continental du golfe de Gascogne pour décrire l hydrodynamique à des échelles de temps variant de celle de la marée (quelques heures) à la décennie. Ce modèle décrit l évolution des courants de la température et de la salinité selon une maille horizontale de 5 km et 10 niveaux sur la verticale. Plusieurs simulations ont été réalisées. Aux limites ouvertes, les niveaux sont issus d un modèle 2D de plus grande emprise qui calcule les dénivellations sous l effet de la marée et du vent. Sur l ensemble du plateau, la tension du vent mesuré à Chassiron est imposée. Les flux de chaleur à l interface air mer sont calculés à partir de paramètres météorologiques issus pour partie de valeurs climatologiques (nébulosité, humidité relative et température de l air) et pour partie dépendant de la vitesse du vent mesuré Diffusion des résultats de modèle A la demande des halieutes, une base de donnée des résultats de 15 années de simulation (1985 à 2000) du modèle du plateau a été constituée. Cette base rassemble les résultats du modèle moyennés sur 4 cycles de marée (soit environ 2jours). Les variables de base sont les trois composantes du courant, la température, la salinité et la diffusivité turbulente. Des variables synthétiques ont été calculées telles que l épaisseur de la couche

5 de mélange et le déficit d énergie potentielle. Cette base de donnée représente l état d avancement du modèle à un instant donné, elle n a pas pour vocation de rester figée mais d être complétée et d évoluer au fur et à mesure des améliorations apportées au modèle (raffinement de la maille, forçages plus réalistes). Des simulations ont également été effectuées avant les campagnes en mer du PNEC (PEL2000, NUTRIGAS en 2001, GASPROD en 2002) pour fournir une description de l emplacement des panaches de la Loire et de la Gironde au moment de l appareillage du navire et pouvoir, en particulier, affiner le plan d échantillonnage pour les campagnes d étude du panache de la Loire Analyse des phénomènes physiques Une part importante de l analyse et de la réflexion en hydrodynamique s est portée sur la description des structures hydrologiques à méso échelle (typiquement de taille km et de durée 1-4 semaines). Ces structures hydrologiques sont d un grand intérêt car elles conditionnent en partie la notion d habitat biologique. Les mesures in situ, satellites et les résultats de modèle ont permis de décrire plusieurs zones d upwelling occasionnel le long des côtes atlantiques. Dans le sud de la Bretagne en particulier, les campagnes Modycot ont permis de valider l hypothèse de la génération d un upwelling par vent de W à NW dans la zone comprise entre Penmarch et Belle-Île. En hiver et au début du printemps un front thermique et halin a été mis en évidence. Ce front est lié aux forts débits fluviaux qui créent une bande d eau plus douce collée à la côte sous l effet des vents de secteur SW dominant à cette saison. En hiver ce front est très marqué et sa forme est apparue très dépendante des vents. L analyse des thermographies infra rouges a montré que par vent de secteur Est à NE, le front est lissé alors que par vent de NW il ondule et forme des méandres parfois de grande amplitude (> 30km). Bien que cette structure ne puisse être qualifiée de structure de rétention, elle doit limiter la dispersion vers le large des apports fluviaux jusqu à la renverse plus durable des vents au début du printemps qui soufflent alors plutôt du secteur NW et contribuent à la dispersion vers le large des apports hivernaux. Les séries temporelles de mesures acquises au moyen des sondes TPS ont révélé la grande variabilité des salinités à la côte. Alors que la salinité des eaux de surface au centre du golfe de Gascogne est de l ordre de 35,6 psu, un signal saisonnier est clairement apparu. En été, les salinités sont généralement maximales, de l ordre de 35 psu alors qu au printemps et en hiver, elles chutent à 32 en moyenne et peuvent descendre à 28 psu au Nord de l île d Oléron. Les fluctuations printanières et hivernales peuvent être reliées à celles des débits des fleuves (Houat et Oléron) ou à un changement de régime des vents (Yeu) L analyse des données a mis en évidence une accumulation des eaux moins salées dans la partie sud du golfe en été sans doute sous l effet des vents de NW dominants. Une attention particulière a été portée sur la formation des lentilles d eau douce détachées des panaches de la Loire et de la Gironde. L existence de telles structures a déjà été mentionnée dans la littérature et leur rôle clef au niveau de la biologie dans le Golfe de Gascogne a même été décrit, notamment par l observation de concentrations plus importantes d œufs et de larves d anchois dans des lentilles d eau moins salée repérées au cours de campagnes espagnoles. La modélisation des 15 dernières années a permis de mettre en évidence la formation de plusieurs lentilles d eau douce. Le mécanisme de formation semble être la conjonction d un vent de NW à NE fort ou soufflant sur une longue période (> la semaine) qui aura tendance à déplacer les eaux de surface vers le large et d une baisse de débit concomitante qui ne permet plus d alimenter le panache en eau douce. Il en résulte alors une scission du panache et la formation d une lentille d eau douce. En général le diamètre de ces lentilles est de l ordre de plusieurs dizaines de km et l extension verticale de 20 à 30m. La

6 fréquence de génération de ces lentilles varie donc avec les situations météorologiques et montre donc une grande variabilité inter annuelle. Ces structures se forment plutôt au printemps et au début de l été quand les débits des fleuves baissent et tendent vers le régime d étiage. La validation par mesure in situ est encore incomplète en raison du nombre limité de campagne en mer couvrant l ensemble du plateau. Toutefois, plusieurs lentilles ont pu être décrite en automne. Une campagne Modycot au printemps 2001 a montré l existence à plus d une centaine de km des côtes d une bulle d eau de salinité 32,5 psu et d un diamètre d environ 30km. Les analyses des sels nutritifs et des espèces phytoplanctoniques présentes ont montré que cette structure était propice au développement d espèces représentatives du milieu côtier, différentes du milieu marin environnant. 3. Perspectives Le travail entamé lors de ces deux années dans le cadre du Défi et du PNEC va se poursuivre : - l inventaire des structures satellitales SST et couleur de l océan pour la période et une synthèse des observations multi-capteurs. - L acquisition de nouvelles images satellites des années 2001 et suivantes avec le soutien de DEL/EC. Compte tenu des résultats décevants et du coût élevé des images SAR/ERS, l utilisation de ces données sera suspendue dans le cadre de ce projet. Par contre on pourra évaluer pour cette étude l intérêt des nouvelles données radar haute résolution transmises par le capteur ASAR du satellite ENVISAT dont bénéficieront 3 projets (IFREMER, DGO, LSEET) retenus par l ESA, en particulier pour les zones de la Gironde et de la Loire. - L analyse des mesures de courant des flotteurs lagrangiens lâchés par le CMO depuis 1997 et des données de thermosalinimètre des campagnes - Les forçages du modèle 3D à 5 km seront améliorés pour prendre en compte l hétérogénéité du champ de vent et des forçages thermiques plus réalistes. La base de données sera alors réactualisée. - Le travail de développement d un modèle plus fin du plateau atlantique de maille 1,6 km sera poursuivi. Les premiers résultats font apparaître des structures fines à la lisière des panaches fluviaux qu il sera intéressant de comparer avec les résultats du modèle à 5km. - Des études schématiques sur la dynamique des lentilles d eau douce seront entreprises afin d élucider les mécanismes de génération et la durée de vie de ces lentilles. La capacité de confinement des eaux sera également étudiée afin de comprendre si ces lentilles sont toutes de même nature. Les mesures récentes de 2001 seront particulièrement précieuses pour décrire le rôle possible de ces structures sur la biologie. - Le dialogue avec nos collègues biologistes spécialistes de la production primaire et les halieutes sera poursuivie afin de mettre en évidence les interactions avec l hydrodynamique, de déterminer quels sont les descripteurs les plus pertinents et de synthétiser les informations issues des modèles. 4. Valorisation Une partie des résultats exposés ci-dessus ont eté présentés au 2nd ICES Decadal symposium à Edinbourg (UK) en août 2001 et au 8 ème Colloque International d Océanographie du Golfe de Gascogne à Gijon (Espagne) en avril Plusieurs

7 publications ont été soumises à la revue Oceanologica Acta qui publiera les actes du colloque de Gijon et à d autres revues. 5. Publications Puillat I, Lazure P., Jegou A.M : Mesoscale, interannual and seasonal hydrological variability over the French continental shelf of the Bay of Biscay during the last decade. Acceptée pour ICES journal of marine science. Lazure P., Jegou A.M., Kerdreux M.: Analysis of salinity measurements near Islands in the bay of Biscay. Soumise à Oceanologica Acta Puillat I, Lazure P., Jegou A.M: Hydrological variability on the Bay of Biscay French continental shelf during the 1990 s. Soumise à Continental Shelf Research. Puillat I, Lazure P., Jegou A.M, Lampert L.: Mesoscale hydrological variability induced by north-westerly wind on the French continental shelf of the Bay of Biscay. Soumise à Oceanologica Acta Planque B., Lazure P., Jegou A.M: Typology of hydrological structures modelled and observed in the Bay of Biscay. Soumise à Oceanologica Acta. Puillat I, Lazure P., Jegou A.M : Mesoscale, interannual and seasonal hydrological variability over the French continental shelf of the Bay of Biscay during the last decade. Poster au Decadal Symposium du CIEM, août Bulles d eau douce dans l eau salée. Pour la Science, n 295, mai 2002, p: Colloques 8 ème Colloque International d Océanographie du Golfe de Gascogne, Gijon (10-12/04/02): Jegou A.M, Miller P., Lazure P., Froidefond J.M : Seasonal thermal structures from remote sensing on the Bay of Biscay Continental Shelf. Lazure P., Jegou A.M, Kerdreux M. : Analysis of salinity measurements near islands in the Bay of Biscay. Puillat I, Lazure P., Jegou A.M : Hydrological variability on the French continental shelf of the Bay of Biscay. Froidefond J.M, Miller P, Jegou A.M, Lazure P. : Surface structures observed on the Bay of Biscay continental shelf from SeaWiFS data. Miller P., Jegou A.M, Froidefond J.M.: Composite front maps for improved visualisation of retention structures in Bay of Biscay. Planque B, Lazure P., Jegou A.M: Comparison of hydrological structures modelled and observed in the Bay of Biscay during spring Loyer S., Menesguen A., Lampert L., Lazure P.: Model: a tool for a better understanding of the influence of freshwater inputs on the primary production along the french coast. 7. Participants F. Dumas, J.M. Froidefond, P. Forget, A.M. Jegou, P.Lazure, M. Kerdreux, P. Miller, B.Planque, I. Puillat, F.Vandermeirsch.

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