Application de méthode causale pour l'analyse multi-modèles des interactions entre atmosphère, océan et biogéochimie marine et leur évolution dans les scénarios climatiques

Les écosystèmes marins jouent un rôle important dans le système climatique ainsi que pour les activités humaines (e.g. pêche, tourisme). Cependant, les projections de leur dynamique sous changement climatique restent incertaines en raison d'une importante dispersion inter-modèle, particulièrement prononcée dans l'Atlantique Nord Subpolaire, une région caractérisée par d'importantes floraisons phytoplanctoniques.La productivité primaire résulte d'une cascade d'interactions. L'atmosphère influence le mélange vertical et l'advection horizontale, qui altèrent à leur tour la disponibilité en nutriments essentiels à la productivité. Or, chaque modèle diffère par sa conception: sur les choix de grilles, de processus à représenter et de paramétrisation. Après avoir observé la dispersion des projections de la productivité primaire (NPP) en terme de valeurs, une question émerge : la cascade d'interactions est-elle la même dans chaque modèle ? Le rôle du mélange vertical est-il similaire d'un modèle à l'autre ? L'advection horizontale joue-t-elle un rôle émergent sous l'influence du changement climatique ?Cette thèse propose une nouvelle approche basée sur la causalité pour analyser les différences inter-modèles. Après avoir défini un schéma conceptuel regroupant les variables clés pour étudier la variabilité de la NPP, nous appliquons PCMCI+, une méthode d'inférence causale développée récemment, pour analyser les différences de relations causales.L'étude s'est d'abord portée sur des simulations pré-industrielles où nous avons pu observer un consensus des modèles sur le rôle de la profondeur de la couche de mélange hivernale pour la disponibilité des nitrates et de la silice à l'initiation de la floraison. Une plus grande disparité a été observée pour le fer. Le rôle des transports horizontaux de nutriments, est lui beaucoup plus variable. Les liens causaux ont des intensités plus faibles que pour le mélange vertical avec beaucoup de dynamiques spécifiques à chaque modèle. Enfin, la stratification pendant la floraison apparaît également comme un facteur inhibant majeur de la NPP pour 2 modèles sur 5 (IPSL-CM6A-LR, UKESM1-0-LL).Cette première étude a pu mettre en évidence les avantages d'une méthode d'intercomparaison par la causalité, la quantification des liens dans une cascade d'interactions étant un résultat qu'une intercomparaison plus classique (e.g. analyse statistique, visualisation de carte, analyse par corrélation) ne peut fournir. Certaines limitations sont aussi discutées notamment le compromis à trouver sur le nombre de variable. Ne pas mettre trop de variables pour ne pas diminuer les performances de l'algorithme mais ne pas oublier certaines variables clefs.Ensuite, pour analyser l'évolution temporelle des liens, des simulations historiques et trois scénarios climatiques sont étudiés via des fenêtres glissantes de 100 ans . La même méthode est appliquée à la simulation pré-industrielle pour obtenir une distribution de référence des intensités des liens. Cette approche révèle trois types de changements : • Des liens s'intensifiant atteignant des valeurs au-delà de la distribution pré-industrielle. C'est le cas pour le lien nutriments-productivité pour 2 modèles (CanESM5-CanOE, IPSL-CM6A-LR) où la dépendance aux nutriments s'accroit sous les scénarios. • Des liens qui disparaissent ou diminuent en intensité. Par exemple, le modèle CMCC-ESM2 montre une influence décroissante des nutriments sur la productivité. • Des liens émergents sous changement climatique. Le CESM2, initialement sans influence significative de la stratification printanière sur la productivité, a un lien émergent sous changement climatique. Aussi, le transport horizontal émerge dans l'IPSL-CM6A-LR comme facteur compensatoire de la diminution d'influence du mélange vertical.Cette étude ouvre de nombreuses perspectives qui sont discutées dans le chapitre final comme l'évaluation de modèle ou l'application a d'autres schémas conceptuels.