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Climate controls on marine ecosystem and fish populations James E. Overland, Juergen Alheit, Andrew Bacun, James W. Hurrell, David L. Mackas and Arthur.

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1 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 Kevin Demmer Jonathan Paquereau Thomas M1 BEM 1

2 Introduction Article publié dans Journal of Marine Systems (2010). Motivé par des questionnements de la communauté scientifique internationale et des industriels de la pêche. 2 Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions IPCC : Intergovernemental panel on climate change Globec : Global ocean ecosystem dynamics

3 De nombreuses observations mettant en avant un couplage entre variabilités climatiques et abondances des populations ont depuis longtemps été réalisées. 3 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 lAtlantique et du Pacifique Objectifs Mettre les changements en relation avec les réponses des grandes populations biologiques et des écosystèmes associés

4 4 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Echelle spatiale Exemple de téléconnexion (événement ENSO 1997/1998)

5 5 Echelle temporelle Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Indice PDO Années Daprès Overland et al., 2010, modifié Mesure des séries temporelles de PDO hivernales (DJF), daprès la méthode de Rodionov

6 6 Espace Upwelling local Reproduction adaptée Pression de prédation et de pêche Etat des stocks avant ENSO Durée et intensité dENSO Régime inter-décennal Forçage à petites échelles Forçage à grandes échelles Temps Océan Bassin DécennieInter annuelAnnée Saison MoisJour Régional Local Daprès Bertrand et al., 2004, modifié Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Représentation spatio-temporelle des différentes échelles de forçage. Intensité? Durée? Amplitude? Fréquence?

7 7 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

8 8 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Comparaisons des réponses prévues entre forçages climatiques dune part et laddition de forçages climatiques et pêcheries dautre part Climat Temps Haut niveau trophique Niveau trophique moyen Biomasse Temps Avec pêche Sans pêche Daprès Perry et al., 2010, modifié

9 9 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Le régime shift « Un régime shift est considéré comme étant un changement soudain dans la structure et le fonctionnement dun écosystème marin, affectant plusieurs composantes vivantes et résultant en un état alternatif. » Daprès Cury et Shanon. Cette définition sapplique aux trois modèles de régime shift: Driven model Disturbance model Invasive model Cette définition peut également être étendue aux régimes shift climatiques. Attention à léchelle de temps considérée!!!

10 10 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Daprès Chavez et al., 2003, modifié Oiseaux de mer (x 10 6 ) Anchois (x tonnes) Indice ecosystémique du Sud-Est du pacifique Température globale de lair PDO Sardines (x10 3 tonnes) Oiseaux de mer Sardines Anchois Corrélation régimes shift climatiques et écosystémiques?

11 11 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 danchois Augmentation de la population de sardines Déplacement de population (Arrivées et départs) Transient responses: Diminution des populations immigrantes Retour des Populations déplacées Nonlinear feedback responses: Alternance de « périodes à anchois » et de « périodes à sardines » School trap Daprès Bakun et al., 2004, et Collie et al., 2004.

12 12 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Estimation de la température de surface selon différents modèles MIROC-MEDCCCMA-t47 GFDL20 MRI Daprès Overland et al., 2010, modifié Tendance au réchauffement global

13 13 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 lévolution dynamique et temporelle des nutriment-phyto- zooplancton Plus récent NEMURO.FISH (adapté aux populations de Téléostéens) EwE Différents modèles

14 14 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 danticiper les caractères déterministes des processus étudiés.

15 15 Introduction Variabilité climatique Réponses des écosystèmes Modélisation? Conclusions Des évènements décennaux caractérisés par des variations brutales et majeures des moyennes climatiques vont se produire, mais leur moment dapparition ne peut pas être prédit. Nécessité de développer des modèles couplés (physiques, chimiques, climatiques et biologiques) Aucune constatation dexistence de Multiple Stable State (MSS) climatiques sur des échelles annuelles et décennales. Une tendance robuste au réchauffement climatique entrainerait des phénomènes climatiques dintensité et de fréquence plus importante. Conclusion des auteurs

16 16 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 Daprès Drinkwater et al. A qui est réellement destinée cette publication?

17 17 Remerciements Bertrand Millet Université dAix Marseille 2 Centre dOcéanologie de Marseille Philippe Cury Institut de Recherche pour le Développement Centre de Recherche Halieutique Méditerranéenne et Tropicale

18 18 Merci de votre attention

19 Bibliographie 19 Alheit J. and Niquen M., 2004, «Regime shifts in the Humboldt Current ecosystem»; Progress in Oceanography 60: 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: 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: Collie J.S., Richardson K. and Steele J.H., 2004, Regime shifts: can ecological theory illuminate the mechanisms?; Progress in Oceanography 60: 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: 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 Marin Systems 79,

20 20 Hastings A. and Wysham D.B., 2010, Regime shifts in ecological systems can occur with no warning; Ecology letters 13: consulté le 06/04/2011.http://www.mercator-ocean.fr/ 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: 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: Rodionov S.N., 2004, A sequential algorithm for testing climate regime shifts; Geophysical research letters, vol.31, L 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:


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