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Abstract:
Les rivières sont une source importante de components biogéochimiques
pour les océans. Les flux de ces composés affectent particulièrement les ré-
gions côtières des océans qui sont importantes pour les activités biologique à
l’échelle global. Jusqu’à présent, les modèles globaux biogéochimiques des
océans ont représenté de manière inadéquate, ou même complètement ignorés
les flux de carbone, de nutriments et d’alcalinité provenant des rivières. En
particulier, aucun modèle n’a considéré les apports fluviaux de la période
préindustrielle, et les flux organiques ont été fortement simplifiés selon leur
composition biogéochimique et leur réactivité dans l’océan. Les océans côtiers
et leur contribution au cycle du carbone global restent incompris, et jusqu’à
présent peu de recherches ont été réalisées sur cet aspect important, et en appli-
quant des modèles globaux. Finalement, les perturbations anthropogènes des
apports fluviaux lors du 20e siècle et leurs conséquences sur l’état physique et
biogéochimique des océans côtiers n’ont pas été analysées dans un modèle
global qui prenne en compte la circulation tridimensionnelle de l’océan. Ainsi,
l’objectif principal de cette thèse a été d’intégrer les apports biogéochimiques
des rivieres et ameliorer la representation du cycle du carbone dans la zone
cotiere dans un model océanique global.
iv
Dans une première étape, mon travail a visé à combler les lacunes en terme de
connaissances concernant les implications à long terme des apports biogéochim-
iques fluviaux pour le cycle océanique du carbone, en tenant compte de la
période préindustrielle. J’ai estimé la contribution des rivières dans les ap-
ports préindustrielle et leur distribution spatiale en utilisant les données
prédites d’un Modèle du Système Terre, en utilisant une hiérarchie de mod-
èles avancés qui permettent d’estimer l’érosion chimique et le transfert de
matériel organique des écosystèmes terrestres à l’océan. Les apports fluviaux
ont été ajoutés dans le modèle de biogéochimique océanique HAMOCC. Ce
nouveau modèle a permis d’analyser les changements induits dans la produc-
tion biologique primaire océanique et dans le flux de CO2 entre l’atmosphère
et l’océan, à une échelle globale et régionale. Enfin une synthèse des résul-
tats a été réalisée en évaluant la consommation nette de CO2 atmosphérique
calculée pour les modèles terrestres, et en comparant celle-ci au dégazage
de carbone estimé à long terme par le modèle océanique. L’étude prédit un
dégazage océanique préindustriel de 0.23 Pg C yr-1, quise presente principale-
ment à proximité de l’embouchure des rivieres. Le modele indiqueaussi un
transfert inter-hémisphère de carbone, avec un apport des rivières à l’océan
dans l’hémisphère nord, et un transfert de l’hémisphère nord à l’hémisphère
sud où un dégazage se produit. De plus, une augmentation de la produc-
tion biologique primaire causée par les apports des rivières est prédite dans
l’Atlantique de l’ouest tropicale (+166 %), dans la Baie du Bengale (+377 %) et
dans la mer de Chine orientale (+71 %), en comparaison avec les prédiction
d’un modèle ne prenant pas en compte les apports des rivières.
Après l’inclusion des apports fluviaux dans le modèle HAMOCC, la modéli-
sation biogéochimique de l’océan côtier a été amélioré selon deux approches,
en augmentant le rapport de reminéralisation de la matière organique dans
les sédiments côtiers, et en incluant de façon explicite la dégradation de la
matière organique terrestre dissoute (tDOM) dans l’océan. Lors de l’analyse
des flux côtiers, le modèle suggère une durée de résidence des eaux dans la
zone côtière réduite (14-16 mois en moyenne) que ce qui a été assumé jusqu’à
présent (>4 ans), ce qui indique un transfert efficace de matière organique
de l’océan côtier à l’océan ouvert et un état autotrophe net de l’océan côtier,
aussi bien pour la période préindustrielle que la période actuelle. L’océan
côtier est un puit de CO2 dans le modèle (0.06-0.08 Pg C yr-1) pour la période
préindustrielle, contrairement à ce qui a été rapporté dans la littérature. Le
puit de carbone n’est pas seulement le résultat de l’état autotrophe de l’océan
côtier, mais aussi associé à l’effet de la production primaire sur le niveau
v
d’alcalinité et aux caractéristiques physiques et biogéochimiques de l’apport
d’eau des rivières à l’océan ouvert.
Dans le dernier chapitre, les perturbations océaniques induites par les change-
ments de la concentration du CO2 dans l’atmosphère, du climat physique et
des apports biogéochimiques fluviaux durant le 20e siècle, sont analysées à
partir de simulations séquentielles. Les résultats de ces simulations indiquent
que la réduction dans production primaire nette (NPP) observée dans les
océans tropicaux et subtropicaux, expliqué par une stratification induite par la
température, aurait pu être entièrement compensée par une augmentation de
la NPP dans l’océan austral et dans les systèmes côtiers avec frontière terrestre
à l’est (EBUS). Les simulations montrent aussi que l’inclusion des change-
ments des apports fluviaux provoque une augmentation du NPP océanique à
l’échelle globale (+ 4 %), la zone côtière étant la plus touchée (+15 %).
En conclusion, cette thèse a permis de démontrer l’importance d’inclure,
dans les modèles globaux biogéochimiques des océans, les changements
temporels et spatiaux non seulement des apports fluviaux, mais aussi de
l’état biogéochimique côtier, afin de mieux représenter les changements dans
le cycle du carbone océanique observé pendant la période historique. Le
nouveau modèle développé dans ce travail devrait permettre d’affiner la
prédiction des changements du cycle du carbone océanique dans le futur.
Abstract:
River deliver vast amounts of terrestrially derived compounds to the ocean.
These fluxes are of particular importance for the coastal ocean, which is recog-
nized as a region of disproportionate contribution to global oceanic biological
fluxes. Until now, the riverine carbon, nutrient and alkalinity inputs have been
poorly represented or omitted in global ocean biogeochemistry models. In
particular, there has yet to be a model that considers the pre-industrial riverine
loads of biogeochemical compounds to the ocean, and terrestrial inputs of
organic matter are greatly simplified in their composition and reactivities in
the ocean. Furthermore, the coastal ocean and its contribution to the global
carbon cycle have remained enigmatic, with little attention being paid to this
area of high biological productivity in global model analysis of carbon fluxes.
Lastly, 20th century perturbations in riverine fluxes as well as of the physical
and biogeochemical states of the coastal ocean have remained unexplored in
a 3-dimensional model. Thus, the main goals of this thesis are to integrate an
vi
improved representation of riverine supplies in a global ocean model, as well
as to improve the representation of the coastal ocean in the model, in order to
solve open questions with respect its global contributions to carbon cycling.
In this thesis, I first aimed to close gaps of knowledge in the long-term impli-
cations of pre-industrial riverine loads for the oceanic cycling of carbon in a
novel framework. I estimated pre-industrial biogeochemical riverine loads
and their spatial distributions derived from Earth System Model variables
while using a hierarchy of state-of-the-art weathering and organic matter
land-ocean export models. I incorporated these loads into the global ocean
biogeochemical model HAMOCC and investigated the induced changes in
oceanic biological production and in the air-sea carbon flux, both at the global
scale and in a regional shelf analysis. Finally, I summarized the results by
assessing the net land sink of atmospheric carbon prescribed by the terrestrial
models, and comparing it to the long-term carbon outgassing determined
in the ocean model. The study reveals a pre-industrial oceanic outgassing
flux of 231 Tg C yr-1, which is found to a large degree in proximity to the
river mouths. The model also indicates an interhemispheric transfer of carbon
from the northern riverine inputs to outgassing in the southern hemisphere.
Furthermore, I observe substantial riverine-induced increases in biological
productivity in the tropical West Atlantic (+166 %), the Bay of Bengal (+377
%) and in the East China Sea (+71 %), in comparison to a model simulation
which does not consider the riverine inputs.
In addition to considering supplies provided by riverine fluxes, the biogeo-
chemical representation of the coastal ocean is improved in HAMOCC, by
firstly increasing organic matter remineralization rates in the coastal sediment
and by secondly explicitly representing the breakdown process of terrestrial
dissolved organic matter (tDOM) in the ocean. In an analysis of the coastal
fluxes, the model shows a much shorter residence time of coastal waters (14-16
months) than previously assumed, which leads to an efficient cross-shelf trans-
port of organic matter and a net autotrophic state for both the pre-industrial
timeframe and the present-day. The coastal ocean is also revealed as a CO2
sink for the pre-industrial time period (0.06-0.08 Pg C yr-1) in contrary to to the
suggested source in published literature. The sink is however not only caused
by the autotrophic state of the coastal ocean, but it is likely also strongly
influenced by the effects of biological alkalinity production and both physical
and biogeochemical characteristics of open ocean inflows.
In the final chapter, 20th century oceanic perturbations due to changes in
vii
atmospheric CO2 concentrations and in the physical climate, and to increases
in riverine nutrient supplies were investigated by using sequential model
simulations. The model results show that the decrease in the net primary
production (NPP) in the tropical and subtropical oceans due to temperature-
induced stratification may be completely compensated by increases in the
Southern Ocean and in Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). The
model also reveals that including increases in riverine supplies causes a global
ocean NPP increase of +4 %, with the coastal ocean being a particularly
strongly affected region (+15 %).
This thesis shows a strong necessity to represent spatio-temporal changes
in riverine supplies and of the coastal ocean state in spatially explicit global
models in order to assess changes of the global cycling of carbon in the ocean
in the past and potentially in the future.
