Climate controls on marine ecosystem and fish populations

James E. Overland, Juergen Alheit, Andrew Bacun, James W. Hurrell, David L. Mackas and Arthur J. Miller

Fluctuations et perturbations naturelles et anthropiques des écosystèmes marins 2011

Professeur C.F. Boudouresque

Cuevas KevinDemmer JonathanPaquereau Thomas

M1 BEM

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Introduction

Article publié dans Journal of Marine Systems (2010).

Motivé par des questionnements de la communauté scientifique internationale et des industriels de la pêche.

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Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

IPCC: Intergovernemental panel on climate change

Globec: Global ocean ecosystem dynamics

De nombreuses observations mettant en avant un couplage entre variabilités climatiques et abondancesdes populations ont depuis longtemps été réalisées.

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Comment peut on relier ces différents processus entre eux à différentes échelles spatio-temporelles?

Développer un modèle conceptuel de variabilité basse fréquence dans les climats marins de l’Atlantique et du Pacifique

Objectifs

Mettre les changements en relation avec les réponses des grandes populations biologiques et des écosystèmes associés

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Echelle spatialeExemple de téléconnexion (événement ENSO 1997/1998)

http://www.mercator-ocean.fr/

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Echelle temporelle

Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Indice PDO

AnnéesD’après Overland et al., 2010, modifié

Mesure des séries temporelles de PDO hivernales (DJF),d’après la méthode de Rodionov

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Espace

Upwellinglocal

Reproductionadaptée

Pression de prédationet de pêche

Etat des stocksavant ENSO

Durée et intensitéd’ENSO

Régimeinter-décennal

Forçage à petites échelles

Forçage à grandes é

chelles

Temps

Océan

Bassin

DécennieInter annuelAnnéeSaisonMoisJour

Régional

LocalD’après Bertrand et al., 2004, modifié

Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Représentation spatio-temporelle desdifférentes échelles de forçage.

Intensité?Durée?Amplitude?Fréquence?

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Impacts climatiques

Impacts des pêcheries

Variations des paramètres physico-chimique (nutriments et température notamment)

Forçages Bottom-up

Réorganisation en genre et en nombre des réseaux trophiques

Forçages top-down

Diminution de la diversité spécifique au sein des réseaux trophiques

Diminution du pool génétique

Augmentation de la sensibilité aux forçages climatiques

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Comparaisons des réponses prévues entre forçages climatiques d’une part et l’addition deforçages climatiques et pêcheries d’autre part

Climat

Temps

Haut niveautrophique

Niveau trophiquemoyen

BiomasseBiomasse

Temps Temps

Avec pêcheSans pêche

D’après Perry et al., 2010, modifié

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Le régime shift

« Un régime shift est considéré comme étant un changement soudain dans lastructure et le fonctionnement d’un écosystème marin, affectant plusieurscomposantes vivantes et résultant en un état alternatif. »

D’après Cury et Shanon.

Cette définition s’applique aux trois modèles de régime shift:

Driven model Disturbance model Invasive model

Cette définition peut également être étendue aux régimes shift climatiques.

Attention à l’échelle de temps considérée!!!

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

D’après Chavez et al., 2003, modifié

Oiseaux de mer(x 106)

Anchois(x 500 000 tonnes)

Indice ecosystémiquedu Sud-Est du pacifique

Température globalede l’air

PDO

Sardines(x103 tonnes)

Oiseaux de merSardinesAnchois

Corrélation régimes shift climatiques et écosystémiques?

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Les différentes réponses à El Niño au Pérou

El Niño

Directly-driven responses: • Effondrement de la production primaire• Diminution de la population d’anchois• Augmentation de la population de sardines• Déplacement de population (Arrivées et départs)

Transient responses:

• Diminution des populationsimmigrantes• Retour des Populations déplacées

Nonlinear feedback responses:

• Alternance de « périodes à anchois » et de « périodes à sardines »• School trap

D’après Bakun et al., 2004, et Collie et al., 2004.

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Estimation de la température de surface selon différents modèles

MIROC-MEDCCCMA-t47

GFDL20

MRI

D’après Overland et al., 2010, modifié Tendance au réchauffement global

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Rodionov:

• Algorithme sur un large et ajustable jeu de variable• Détection plus rapide

ECOPATH avec ECOSIM:

• Evalue les impacts passés et futurs des pêcheries et des perturbations environnementales.

• Cherche à déterminer une politique de pèche optimale.

NEMURO (North Pacifique Ecosystème Model for Understanding Regional Oceanography)

• Simulation de l’évolution dynamique et temporelle des nutriment-phyto-zooplancton

• Plus récent NEMURO.FISH (adapté aux populations de Téléostéens)

EwE 6.1.1

Différents modèles

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Contraintes et limites de la modélisation:

• Manque de données historiques utilisables.• Trop de variables inconnues « non-modélisables ».

Améliorations possibles:

• Prises en compte des topographies locales.• Continuer à augmenter les séries de données déjà existantes.• Possibilités de développement : utilisation « intelligente » des données plutôt que « sur-

sophistication » des modèles.• Standardisation dans la collecte de données, les mesures et les interprétations.

La modélisation constitue actuellement la seule possibilité d’anticiper les caractères déterministes des processus étudiés.

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Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Des évènements décennaux caractérisés par des variations brutales et majeures desmoyennes climatiques vont se produire, mais leur moment d’apparition ne peut pas êtreprédit.

Nécessité de développer des modèles couplés (physiques, chimiques, climatiques etbiologiques)

Aucune constatation d’existence de Multiple Stable State (MSS) climatiques sur deséchelles annuelles et décennales.

Une tendance robuste au réchauffement climatique entrainerait des phénomènesclimatiques d’intensité et de fréquence plus importante.

Conclusion des auteurs

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Discussion et ouverture

Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions

Malgré des progrès présentés, il reste de nombreux mécanismes inexpliqués:

Analyse rétrospective:

• Valeurs des indices à larges échelles• Etudes comparatives

Etudes des processus:

• Utilisation des espèces clés

Modélisation

D’après Drinkwater et al.

A qui est réellement destinée cette publication?

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Remerciements

Bertrand Millet

Université d’Aix Marseille 2Centre d’Océanologie de Marseille

Philippe Cury

Institut de Recherche pour le DéveloppementCentre de Recherche Halieutique Méditerranéenneet Tropicale

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Merci de votre attention

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Bibliographie

• Alheit J. and Niquen M., 2004, «Regime shifts in the Humboldt Current ecosystem»; Progress in Oceanography 60: 201-222.

• Bertrand A., Segura M., Gutiérrez M., Vàsquez L., 2004, «From small-scale habitat loopholes to decadal cycles: a habitat-based hypothesis explaining fluctuation in pelagic fish populations off Peru»; Fish and Fisheries 5: 296-316.

• Chavez F.P., Ryan J., Lluch-Cota S.E., Miguel Niquen C., 2003,  «From Anchovies to Sardines and Back: Multidecadal Change in the Pacific Ocean»; Science 299: 217-221.

• Collie J.S., Richardson K. and Steele J.H., 2004, “Regime shifts: can ecological theory illuminate the mechanisms?”; Progress in Oceanography 60: 281-302.

• Cours de C.F. Boudouresque: Fluctuations et perturbations, naturelles et anthropiques, des écosystèmes marins.

• Cous de B. Millet: Fluctuations du couplage océan/atmosphère aux échelles interannuelles et pluridécennales dans le pacifique et impact sur les grands ecosytèmes marins .

• Cury et Shannon, 2004, “Regime shifts in upwelling ecosystems: observed changes and possible mechanisms in the northern and southern Benguela”; Progress in Oceanography 60: 223-243.

• Drinkwater, K.F., Beaugrand, G., Kaeriyama, M., Kim, S., Ottersen, G., Perry, R.I., Pörtner, H.O., Polovina,J.J., Takasuka, A., 2010, “On the processes linking climate to ecosystem changes”. Journal of MarinSystems 79, 374-388.

20

• Hastings A. and Wysham D.B., 2010, “Regime shifts in ecological systems can occur with no warning”; Ecology letters 13: 464-472.

• http://www.mercator-ocean.fr/ consulté le 06/04/2011.

• Jiao Y., 2009, “Regime shift in marine ecosystems and implications for fisheries management, a review”; Rev Fish Biol Fisheries (2009) 19:177–191.

• Lehodey P., Alheit J., Barange M., Baumgartner T., Beaugrand J., Drinkwater K., Fromentin J.M., Hare S.R., Ottersen G., Perry R.I., Roy C., Van der Lingen C.D. and Werner F., 2006, “Climate Variability, Fish, and Fisheries”; Journal of Climate- Special Edition 19: 5009-5030.

• Mantua N.J. and Hare S.R., 2002, “The Pacific decadal Oscillation”; Journal Of Oceanography

• Perry R.I., Cury P., Brander K., Jennings S., Möllmann C., Planque B., 2010, “Sensitivity of marine systems to climate and fishing: Concepts, issues and management responses”; Journal of Marine Systems 79: 427-435.

• Rodionov S.N., 2004, “A sequential algorithm for testing climate regime shifts”; Geophysical research letters, vol.31, L09204.

• Werner F.E., Ito S., Megrey B.A. and Kishi M.J., 2007, “Synthesis of the NEMURO model studies and future directions of marine ecosystem modeling”; Ecological Modelling 202: 211-223.