Soutenance de thèse de ZHANG Yutong

Résumé de la thèse

Les modèles biogéochimiques (BGC) marins sont devenus des outils incontournables pour étudier le fonctionnement des écosystèmes marins, notamment son évolution future dans le cadre de projections climatiques. Les coûts de calcul associés, généralement élevés, et très dépendants de la complexité du modèle, peuvent cependant constituer un frein à l'exploration d'une diversité de scénarios, ce qui plaide pour des modèles simples et d'exécution rapide. A contrario, la confiance dans les prévisions dépend à la fois du réalisme des sorties du modèle, qui nécessite de conserver un certain niveau de complexité, et de la quantification des incertitudes associées.
C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui s'est d'abord focalisée sur une simplification du modèle BGC marin Eco3M-MED ajustée à l'objectif visé, puis sur la quantification de ses incertitudes paramétriques et de celles des versions simplifiées obtenues. Une approche de simplification semi-automatique basée sur une analyse de sensibilité a été mise au point pour identifier les paramètres les moins influents et simplifier le modèle en conséquence, selon des critères objectifs. Cette analyse a bénéficié d'une nouvelle stratégie de paramétrisation distinguant les paramètres indépendants des paramètres dépendants, ce qui permet d'appliquer l'analyse de sensibilité à un modèle comportant centaines de paramètres avec un coût de calcul limité. Un autre avantage de l'approche SAIS est sa flexibilité: le niveau de simplification peut être progressivement augmenté en fonction de la question scientifique et des sorties du modèle que l'on souhaite conserver. Trois versions simplifiées, correspondant à des objectifs de moins en moins contraignants, ont été élaborées à l'aide de la configuration 1DV au site DYFAMED en Méditerranée Nord-Occidentale. Les résultats montrent que la simplification peut réduire le coût de calcul jusqu'à environ 30% tout en conservant une bonne fidélité des sorties ciblées, et que le modèle Eco3M-MED ne présente pas de sur-complexité évidente si conserver ses bases mécanistes et son adaptabilité aux différentes bio-régions de la Méditerranée reste une priorité. La version la plus simplifiée a également été implémentée en configuration 3D à l'échelle du bassin Méditerranéen. Les écarts à la simulation de référence restent assez modérés, y compris ailleurs qu'en Méditerranée nord-occidentale, et varient en fonction des grandeurs considérées.
Nous avons ensuite développé et automatisé un cadre pour quantifier les incertitudes paramétriques du modèle complet et étudier leur évolution avec la simplification du modèle. Malgré l'exploration de larges plages de valeurs plausibles des paramètres, le modèle reste globalement stable, avec seulement environ 2-3% des simulations pour lesquelles la structure initiale du modèle n'est plus conservée (disparition d'un ou plusieurs compartiments). Les résultats montrent surtout qu'il n'existe pas de relation directe entre la simplification du modèle et son niveau d'incertitude. La suppression de processus peut modifier la propagation des incertitudes et produire des effets de compensation, de sorte qu'une simplification ne conduit pas nécessairement à une diminution ou à une augmentation de l'incertitude. Cet effet dépend également des variables, des périodes et des profondeurs considérées, particulièrement pendant le bloom et la stratification, dans la couche près de la nutricline et du maximum profond de chlorophylle. Enfin, les indicateurs écosystémiques intégrés peuvent masquer certaines différences temporelles ou verticales d'incertitude des sorties du modèle, ce qui souligne l'importance de choisir les indicateurs en fonction de la question scientifique étudiée.