Les reseaux automatises hautes frequences

La biodiversité présente dans les écosystèmes côtiers est la plus importante du milieu marin (Gray, 1997). Ces zones côtières sont également les premières soumises aux impacts anthropiques, tels que les rejets provenant des industries et des particuliers majoritairement transportés par les fleuves, les dragages effectués lors des opérations de désenvasement et les phénomènes de pêcherie intensive. Or cet impact anthropique ne va pas se limiter aux zones côtières, la pollution va transiter par ces zones avant d’être dispersée par les courants et l’activité biologique, sur l’intégralité des mers et des océans du globe (Smith, 2003).

Pour comprendre l’impact que peut exercer l’homme sur ces écosystèmes, nous avons besoin de séries temporelles à long terme, qui vont nous donner des indices pour retracer l’évolution des mécanismes présents dans le milieu et leur évolution au cours du temps. Pour répondre à ce type de problématique, L’INSU (Institut National des Sciences de l’Univers) a mis en place en 1997 le programme SOMLIT (Service d’Observation en Milieu LITtoral). Ce programme consiste à effectuer des relevés de manière bimensuelle en point fixe sur une radiale, en différents points du littoral français. Le Programme SOLMIT comprend la mesure de 16 paramètres biogéochimiques, qui ont été choisis pour leur pertinence en tant qu’indicateur de « l’état de santé » de l’écosystème. En 1992 IFREMER (Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la MER) a lancé son propre programme de surveillance du littoral qui a été appelé SRN (Suivi Régional des Nutriments). Les paramètres enregistrés sont quasiment les mêmes que dans le programme SOMLIT. La différence entre les deux programmes est principalement liée à la géographie des zones d’études, car contrairement à SOMLIT, le programme SRN se limite à la Manche Orientale qui comprend la région des littoraux du Pas-de-Calais et de la Picardie.

Les réseaux automatisés hautes fréquences 

Les dispositifs MAREL

Les dispositifs MAREL (Mesures Automatisées en Réseau pour l’Environnement Littoral) peuvent exister sous plusieurs formes telles que des bouées, des pylônes ou des pontons flottants. La pluralité dans les formes des ces dispositifs a pour but de s’adapter aux milieux dans lesquels elles sont implantées. Suite à un manque de budget adéquat pour l’entretien de ces stations automatisées, plusieurs d’entre elles ont été arrêtées (par exemple en Baie de Seine dans les années 2000). Grâce au gain d’information apporté par ce type de système automatisé haute fréquence et à la volonté de certaines équipes locales, plusieurs dispositifs MAREL sont toujours en service, comme par exemple MAREL Iroise, dans la rade de Brest.

MAREL Carnot

L’intensité et la durée des blooms de Phaeocystis sont en constante augmentation dans la Mer du Nord (Lancelot, 1995), qui est voisine de notre zone d’étude. Depuis quelques années, on semble pouvoir retrouver la même tendance en Manche orientale avec des blooms de Phaeocystis qui s’étendent sur une période de 6 à 7 semaines (Lefebvre, 2006). Malheureusement, les réseaux basses fréquences (SRN et SOMLIT) ne génèrent pas assez de données pour fournir une explication à ce phénomène. Ce qui a donné l’impulsion à la création d’un système automatisé haute fréquence, qui a aussi pour but de suivre la pollution anthropique et d’alimenter les modèles hydrodynamiques (Lefebvre, 2006). La région Nord-Pas-de-Calais, dans le cadre du CPER (Contrat de Projet Etat-Région) et d’un partenariat entre l’Etat, le FEDER, le Conseil Régional du Nord-Pas-de-Calais, l’IFREMER et l’INSU (via le CNRS), a donc fait installer un de ces dispositifs au bout de la digue Carnot (50.7404 N, 1.5676 W) et a nommé ce dernier par conséquent MAREL Carnot . Ce dispositif qui a commencé à fonctionner en mars 2004 est toujours opérationnel et vient de fêter ses 10 ans. A l’occasion de cet anniversaire, un colloque sur l’importance des systèmes automatisés dans la compréhension des mécanismes en milieu côtier a été organisé à Boulogne-sur-Mer .

Le dispositif MAREL Carnot se présente sous la forme d’une bouée fixe, munie d’un flotteur sur lequel sont installés les instruments de mesure (voir figure 1-4), qui sont capables de fonctionner de manière continue et autonome (Berthome, 1994, Woerther, 1998, Blain et al., 2004, Zongo and Schmitt, 2011a). Le flotteur a été placé dans un tube , afin que les mesures soient effectuées à point fixe et les capteurs sont en permanence émergés à 1,5 mètre quel que soit le marnage grâce à ce système de flotteur. Le système a une fréquence d’échantillonnage de 20 minutes pour l’ensemble des paramètres pris en compte, à l’exception des sels nutritifs qui sont enregistrés toutes les 12 heures (Zongo and Schmitt, 2011b). Les paramètres relevés par MAREL Carnot sont proches de ceux mesurés par le programme SOMLIT et sont les suivants : la température de l’air et de l’eau, la salinité, la concentration en oxygène dissous et son pourcentage de saturation, le pH, la turbidité, la concentration en nitrates, phosphates et acide silicique, la fluorescence, la direction et la vitesse du vent, l’humidité relative, la pression atmosphérique et le P.A.R.

Bien que MAREL Carnot soit équipée d’un système de chloration de l’eau de mer par électrolyse pour protéger les capteurs contre le développement du biofouling (Lefebvre, 2008), cela n’empêche pas les périodes de trous dans les bases de données. Ces périodes manquantes sont principalement dues aux périodes de maintenance, aux pannes, aux bugs internet du système et au vandalisme (Dur et al., 2007). Le tableau 6 présente le pourcentage d’acquisition des principaux paramètres qui seront utilisés dans cette étude, ainsi que le nombre de données présentes.

MAREL Iroise

La balise MAREL Iroise a été mise à flot au cours de l’année 2000. Elle est le résultat d’une collaboration entre l’Ifremer de Brest et l’IUEM (Institut Universitaire Européen de la Mer). Ce dispositif MAREL se présente sous forme d’une bouée immergée à point fixe à l’entrée de la rade de Brest (48°21’28.66’’ N, 4°33’05.48’’ O). Comme MAREL Carnot, il s’agit d’une bouée instrumentée autonome, qui possède une fréquence d’échantillonnage de 20 minutes. Mais MAREL Iroise n’enregistre que 7 paramètres physico-chimiques qui sont les suivants : la température ; la conductivité (salinité) ; l’oxygène dissous ; la turbidité ; la fluorescence de la chlorophylle ; le pH ; le CO2 dissous ; et le P.A.R. Les prélèvements sont effectués à une profondeur de deux mètres. Dans le cadre de cette étude, nous nous intéresserons principalement aux données de fluorescence et de température issues de ce système.

Seabird Roscoff

La station marine de Roscoff (Université Pierre et Marie Curie et le CNRS) a installé en janvier 2006, un mouillage sur le plancher océanique de la baie de Morlaix, plus précisément au point Estacade (3°58.58W, 48°43.56N). Contrairement aux bouées MAREL, il n’y a pas de flotteur installé sur ce dispositif, donc il reste immergé à une profondeur moyenne de 5,8 mètres. Ce mouillage a été équipé d’une sonde de type SeaBird (SBE39)  qui mesure la température avec une précision de 0.01°C et la pression avec une précision de 0,1 dbar. Les données sont enregistrées avec une périodicité de 10 minutes et elles sont récupérées tous les deux mois par une équipe de plongeurs. Nous utiliserons dans cette étude les données de températures issues de cette sonde Seabird, qui nous ont été transmises par Pascal Morin.

Station L4 (UK)
La station marine de Plymouth en Angleterre dans le cadre du programme NERC (Natural Environment Reacher Cuncil) Oceans 2025, a fait installer en 1999 une bouée autonome  en point fixe en Manche orientale (50° 15.0′ N ; 4°13.0′ W). Ce dispositif a été nommé « L4 station », il enregistre 10 paramètres physico-chimiques avec une périodicité d’une heure. Les paramètres pris en compte par cette balise sont les suivants : la direction et la force des vents ; la pression atmosphérique ; le P.A.R ; la température de la mer et de l’air ; la salinité ; l’oxygène ; la chlorophylle a et la turbidité. Dans le cadre de notre étude nous utiliserons principalement la température et la fluorescence issues de cette station L4.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. MATERIELS ET METHODES
1. INTRODUCTION
2. PRESENTATION DES RESEAUX D’ANALYSES BASSE FREQUENCE
2.1 SOMLIT
2.2 SRN et REPHY
3 LES RESEAUX AUTOMATISES HAUTES FREQUENCES
3.1 Les dispositifs MAREL
3.1.1 MAREL Carnot
3.1.2 MAREL Iroise
3.2 Seabird Roscoff
3.3 Station L4 (UK)
3.4 Programme VENUS (Canada)
4 BARRAGE MARGUET
5. LES PARAMETRES ANALYSES
5.1 Les sels nutritifs
5.2 Les différents proxy de la biomasse et le P.A.R
5.3 La température et la salinité
6 LES OUTILS METHODOLOGIQUE
6.1 Rappels sur la théorie de la turbulence
6.2 La méthode EMD
6.3 Rappels de statistiques et probabilité
6.3.1 Les Fonctions de densité de probabilité
6.3.2 Energie spectrale : spectre d’énergie en espace de Fourier
6.3.3 Analyse spectrale de Hilbert et méthode EMD
6.4 Méthodes comparatives entre séries temporelles
6.4.1 Co-spectre
6.4.2 TDIC
7 LE LANGAGE DE PROGRAMMATION MATLAB
CHAPITRE 2. ANALYSES DE LA DYNAMIQUE DE LA FLUORESCENCE
1 INTRODUCTION
2 PRESENTATION DES DONNEES ET ANALYSES PRELIMINAIRES
2.1 Présentation des données et climatologie
2.2 Extrêmes et temps de retour
2.2.1 Extrêmes des températures
2.2.2 Extrêmes de la fluorescence
2.2.3 temps de retour
3 ANALYSES MULTI-VARIEES
3.1 Analyse en composante principale (ACP)
3.2 Relation avec la fluorescence
4 ANALYSES DES DISTRIBUTIONS DE PROBABILITE ET DE LA DYNAMIQUE VIA LA DECOMPOSITION MODALE EMPIRIQUE (EMD)
4.1 Analyse de la distribution de probabilité
4.1.1 Distribution de probabilité des données MAREL Carnot
4.1.2 PDF sur d’autres systèmes automatisés
4.2 Analyses basées sur la méthode EMD
4.2.1 Décomposition et filtration
4.2.2 Analyses spectrales HSA
5 RELATION AVEC LA DYNAMIQUE DE LA FLUORESCENCE
5.1 Relation α
5.2 Relation β
5.3 Relation α vs β
5.4 La stratification, explication du mécanisme ?
5.4.1 Profils
5.4.2 Dynamique de la stratification
5.4.3 Relation avec la stratification
6 DISCUSSION
CHAPITRE 3. COMPARAISON DES RESEAUX DE SURVEILLANCE EN MILIEU COTIER
1 INTRODUCTION
2 RESEAUX HAUTES FREQUENCES VERSUS BASSES FREQUENCES
2.1 Comparaison température, fluorescence, oxygène dissous
2.2 Comparaison des sels nutritifs
2.2.1 Comparaison des données brutes
2.2.2 Influence potentielle du Barrage Marguet
3 COMPARAISON DES RESEAUX HAUTES FREQUENCES
3.1 Présentation des données
3.2 Etude spectrale
3.2.1 Co-spectre
3.3 Méthode TDIC
3.4 Comparaison spectrale des températures en différentes région du globe
3.4.1 Présentation des données
3.4.2 Etude spectrale
4 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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