Proposition de sujet de thèse 2019

Proposition de sujet de thèse 2019
À remplir par les équipes d'accueil et à retourner à Isabelle HAMMAD : hammad@cerege.fr
* à renseigner obligatoirement pour la validation du sujet,
(1) : A remplir lors de la campagne d'attribution des allocations, à l'issue de la session de juin des Masters

Sujet de doctorat proposé *:
Encadrant(s), nom, prénom, adresse mail *:
       Doglioli Andrea, andrea.doglioli@mio.osupytheas.fr
       Gérald Grégori, gerald.gregori@mio.osupytheas.fr
Laboratoire *:
       MIO ­ Institut Méditerranéen d'Océanologie

Tableau récapitulatif du sujet

Candidat(e)(1)
Nom ­ Prénom :
Date de naissance :
Licence (origine, années, mention) :
Mention et classement au Master 1 année (Xème sur Y)

Mention et classement au S3 du Master 2 (Xème sur Y)
Mention et classement au S4 du Master 2 (Xème sur Y)
Mention et classement au M2 (année) (Xème sur Y)
MASTER (nom, université)
Sujet de doctorat proposé*
Encadrants (2 max, indiquer si HDR ou pas)*                             A.Doglioli (HDR), G.Grégori
Laboratoire*                                                            MIO ­ Institut Méditerranéen d'Océanologie
Programme finançant la recherche (indiqué si obtenu ou                  BIOSWOT, financement obtenu, avec prolongement
envisagé) (1)                                                           envisagé sur AO CNES­TOSCA 2020
                                                                        Campagne en mer Proteus­BIOSWOT effectuée en
                                                                        mai 2017 ; campagne FUMSECK programmée en
                                                                        mai 2019 .

Sujet de doctorat proposé*

Intitulé * :
                    Circulation à fine échelle et impact sur la biodiversité du plancton.

Descriptif * :

La circulation océanique à fine échelle est caractérisée par des structures dont la taille est de l’ordre de
quelques kilomètres et la durée de vie de quelque jours ou semaines. Elle est typiquement agéostrophique et sa
dynamique est tridimensionnelle. Son caractère éphémère représente un défi pour l'observation in situ, un fait
qui a longtemps retardé l'appréciation de l'abondance et de l’ubiquité de telles structures dans l'Océan
[McWilliams 2016]. En effet, ces structures sont trop petites et évoluent trop rapidement pour les
méthodologies conventionellement utilisées pendant les campagnes en mer et pour la télédétection satellite.
Elles sont également souvent difficiles à distinguer des ondes inertielles dans les séries chronologiques
reccueillies à un point fixe. De plus, les difficultés liées à leur nature non linéaire ont fortement limité leur
étude théorique. Ce n'est que dans les années 2000 que la résolution des modèles de circulation numériques est
devenue suffisante pour représenter de telles échelles. En même temps, la résolution satellite a également
augmenté avec le temps. Ainsi, les modèles ajoutés aux images satellites à très haute résolution sont devenus le

point de départ de l’étude de ces structures, avec une croissance rapide au cours des quinze dernières années.
En effet, ces structures peuvent représenter "l'étape manquante" dans la cascade directe d'énergie de la
mésoéchelle à la dissipation [Ferrari et Wunsch 2009] et avoir ainsi un impact important sur le transfert
vertical de chaleur et de sel.

La dynamique à petite échelle joue également un rôle clé dans les processus biologiques de l'océan. Elle peut
contrôler l'injection de nutriments régénérés en profondeur dans la zone photique [Mahadevan 2016] et
influencer par conséquent la distribution du plancton [Lévy et al., 2018]. En outre, elle peut générer des
barrières physiques dont on pense qu'elles jouent un rôle important dans le développement et la répartition des
niches écologiques dans l'environnement océanique et dans la connectivité des écosystèmes côtiers [d'Ovidio et
al. 2010]. Le mélange vertical associé à ces structures peut également impacter, par le biais de la turbulence à
micro­échelle, la distribution des nutriments et des organismes. Une meilleure compréhension et prévisibilité
de ces structures reste un point critique pour mieux caractériser le couplage entre physique et biologie
marines.
Depuis quelques années, notre équipe au sein du laboratoire MIO a développé de nouvelles méthodologies et
mené à bien des campagnes en mer, accumulant des jeux de données uniques et précieux pour développer une
analyse innovante afin de répondre aux questions clés suivantes en océanographie contemporaine:

­ Quelle est la contribution de la circulation océanique à fine échelle dans le bilan énergétique des océans?

­ Comment la dynamique à fine échelle et les vitesses verticales associées influencent­elles la distribution du
plancton?

­ Les filaments constituent­ils des obstacles au transport et au mélange, contribuant ainsi à la structuration, en
termes de diversité et d'abondance du plancton?

Ce sujet de thèse s’inscrit dans la continuité des recherches menées au MIO. Les travaux prévus constitueront
de plus une base précieuse pour la préparation des futures observations in situ réalisées pendant la phase
d'échantillonnage rapide de la mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography).

Détail du Programme finançant la recherche * :

La mission SWOT (https://swot.cnes.fr/) mettra en orbite en 2021 l'instrument KaRIn, un radar en bande Ka
fonctionnant sur la base d'un radar à synthèse d'ouverture (RSO). Les radars altimétriques actuels sont limités
à une bande de moins de quelques kilomètres à la verticale du satellite. KaRIn pourra en revanche effectuer
des mesures sur une large bande d’environ 120 km, grâce à 2 antennes radar situées aux extrémités d’un mât
de 10 m (Fig.1). Cette mission fournira aux hydrologues les niveaux de tous les plans d’eau de taille
supérieure à 100 m de la planète.

En océanographie, SWOT fournira des champs altimétriques sur une largeur d’environ 150 km avec une
résolution spatiale qui se rapprochera de celle des mesures par satellite de la température de surface et de la
couleur de l’eau. Contrairement à ces deux dernières mesures, celles de SWOT ne seront pas affectées par la
présence de nuages. Il sera donc possible d’observer par satellite la circulation à petite échelle et la
circulation côtière, et ceci en particulier aux points de croisement des orbites lors de la première phase de la
mission par satellite, dite "phase d’échantillonnage rapide" (période janvier­mars 2022, Fig.2) [d'Ovidio et al.,
accepted].

Deux de ces points de croisement se produisent respectivement dans les bassins de la Méditerranée occidentale
et orientale. L'une sur le flanc nord du courant algérien, entre l'Algérie et les Baléares; et un au milieu du gyre
de Rhodes. En raison de son faible rayon de déformation, la mer Méditerranée est une région où l’altimétrie au
nadir ne capture qu’une petite partie de la dynamique mésoéchelle et, par conséquent, où l’analyse SWOT
devrait apporter une amélioration substantielle. La présence de faibles marées, d'une dynamique d'ondes
internes généralement faible (avec des pics d'activité principalement limités à des régions spécifiques et
connues), ainsi qu'une faible couverture nuageuse sont d'autres raisons de considérer avec une attention
particulière les croisements méditerranéens dans les études interdisciplinaires.

Fig.1 Schéma du satellite SWOT (Surface Fig.2 Traces du satellite SWOT pendant la phase de
Water and Ocean Topograhy) et de son répétition rapide. Le cercle rouge montre le point de
fonctionnement. Figure extraite du site croisement qui sera etudié lors de la campagne BIOSWOT,
https://swot.cnes.fr/ .                 tandis que les cercles verts illustrent les zones des
                                        campagnes océanographiques prévues dans le cadre de la
                                        collaboration internationale “Adopt a cross­over initiative”.

Le site occidental se trouve dans une région où les méandres du courant algérien s’arrachent pour former des
tourbillons de moyenne échelle se propageant de manière cyclonique depuis la côte africaine vers le plan
abyssal des Baléares. Ce courant algérien transporte des eaux plus fraîches d'origine atlantique,
éventuellement enrichies en nutriments le long de la côte nord­africaine.

Sur la base d'expériences antérieures menées en Méditerranée occidentale (Petrenko et al., 2017, Pascual et
al. 2017, Marrec et al., 2018, Rousselet et al., soumis), en mai 2018, une campagne océanographique
préliminaire franco­espagnole, Proteus­BIOSWOT (PI F.Dumas) a permis de tester la mise en œuvre de
mesures physiques et biologiques à haute résolution. Les objectifs de cette expérience commune étaient i)
d'évaluer l'intérêt océanographique du croisement SWOT en Méditerranée occidentale, ii) d'acquérir de
l'expérience en matière de coordination de campagnes multi­plateformes avec la contrainte imposée par les
traces du satellite SWOT, et iii) d'explorer la dynamique présente dans cette région, qui avait été peu
échantillonnée dans le passé avec seulement quelques données récentes à haute résolution recueillies par des
planeurs sous­marins (Aulicino et al., 2018), iv) d’optimiser les dispositifs de traitement en temps quasi réel
des données biologiques par cytométrie en flux automatisée.
Une nouvelle campagne, FUMSECK (Facilities for Updating the Mediterranean Submesoscale ­ Ecosystem
Coupling Knowledge, PI S.Barrillon) est prévue en mai 2019 pour effectuer plusieurs tests technologiques dans
la même région que la campagne OSCAHR (Observing Submesoscale coupling at High Resolution, PI
A.Doglioli) en 2015.
De plus, une nouvelle campagne dans le site du croisement SWOT en Méditerranée occidentale est envisagé en
début 2022.
Ces expériences de terrain fournissent une grande base de données multidisciplinaire à exploiter pour
répondre aux questionnements scientifiques presentes dans le paragraphe precedent.

Enfin, des collaborations avec des modélisateurs sont envisagées, de façon à compléter et comparer
l'information issue des mesures in situ avec celle issue de simulations numériques à haute résolution.
En particulier, si une configuration SYMPHONIE (Marsaleix et al., 2008, 2019) s'étendant sur tout le bassin
méditerranéen est disponible à une résolution d'environ 2 km dans la partie occidentale, il est envisagé
d'augmenter sa résolution jusqu'à 500 m afin de comparer sur la zone d'étude du croisement SWOT
l'amélioration apportée sur la représentation des filaments. La modélisation à 500m de résolution explorera

de plus l’apport de la physique non­hydrostatique sur les vitesses verticales. Il est également envisagé
d'analyser pour la Méditerranée Sud­Occidentale les données issues des la simulation NEMO­NATL60, qui
atteint la résolution horizontale de 1 km avec 300 niveaux verticaux [Le Sommer et al, in prep.].

Collaborations au sein du MIO : S.Barrillon, A.Petrenko, J.­L. Fuda (equipe OPLC), M.Thyssen (equipe
CYBELE), Axe Transverse COUPLAGE, Plateformes SAM et PRECYM.

Collaborations nationales : F.d'Ovidio (LOCEAN, Paris), Franck Dumas (SHOM), Pierre Garreau
(IFREMER), C.Estournel, P.Marsaleix (POC, Toulouse), J. Le Sommer (IGE, Grenoble);

Collaboration internationale : A.Pascual (IMEDEA, Palma de Mallorca, Spain)

Bibliographie

McWilliams, J. C. (2016), Submesoscale currents in the ocean, Proc. R. Soc. A, 472 (2189), doi :
   10.1098/rspa.2016.0117
Ferrari, R., et C. Wunsch (2009), Ocean Circulation Kinetic Energy : Reservoirs, Sources, and Sinks, Annu.
   Rev. Fluid Mech., 41, 253{282, doi :10.1146/annurev.uid.40.111406.102139
Mahadevan, A. (2016), Impact of submesoscale physics on primary productivity of plankton, Annu. Rev. Mar.
   Sci., 8, 161{184, doi :10.1146/annurev­marine­010814­015912
Lévy, M., Franks, P. J., & Smith, K. S. (2018). The role of submesoscale currents in structuring marine
   ecosystems. Nature communications, 9(1), 4758.
d'Ovidio F., S. De Monte, S. Alvain, Y. Danonneau, and M. Lévy (2010), Fluid dynamical niches of
   phytoplankton types, PNAS, 107, 18366­18370 doi: 10.1073/pnas.1004620107.
d'Ovidio, F., Pascual, A., Wang, J., Doglioli, A.M., Jing, Z., Moreau, S., Gregori, G., Swart, S., Speich, S., Cyr,
   F., Légresy, B., Chao, Y., Fu, L., Morrow, R. (accepted). Frontiers in fine scale in­situ studies: opportunities
   during the SWOT fast sampling phase, Front. Mar. Sci.
Petrenko, A.A., Doglioli, A.M., Nencioli, F., Kersalé, M., Hu, Z., d'Ovidio, F. (2017). A review of the LATEX
   project: mesoscale to submesoscale processes in a coastal environment. Ocean Dynam., 67:513,
   doi:10.1007/s10236­017­1040­9
Pascual, A., Ruiz, S., Olita, A., Troupin, C., Claret, M., Casas, B., ... & Mason, E. (2017). A multiplatform
   experiment to unravel meso­and submesoscale processes in an intense front (AlborEx). Frontiers in Marine
   Science, 4, 39.
Marrec, P., Grégori, G., Doglioli, A.M., Dugenne, M., Della Penna, A., Bhairy, N., Cariou, T., Hélias Nunige,
   S., Lahbib, S., Rougier, G., Wagener, T., Thyssen M. (2018). Coupling physics and biogeochemistry thanks
   to high resolution observations of the phytoplankton community structure in the North­Western
   Mediterranean Sea. Biogeosciences, 15, 1579­1606, doi:10.5194/bg­15­1579­2018
Rousselet L., Doglioli, A.M., de Verneil, A., Pietri, A., Della Penna, A., Berline, L., Marrec, P., Gregori, G.,
   Thyssen, M., Carlotti, F., Barillon, S., Simon­Bot, F., Bonal, M., d'Ovidio, F. and Petrenko, A.A. (sumbitted
   after revision). Vertical motions in a fine­scale cyclonic structure observed in the Ligurian Sea and their
   effects on a biogeochemical tracer. J.Geophys.Res.
Aulicino, G. , Y. Cotroneo, S. Ruiz, A. J. Sánchez Román, A. Pascual, G. Fusco, J. Tintoré, G. Budillon.
   Monitoring the Algerian Basin through glider observations, satellite altimetry and numerical simulations
   along a SARAL/AltiKa track. Journal of Marine Systems. 179, 55­71 (2018)
Marsaleix, P., Auclair, F., Floor, J., Herrmann, M., Estournel, C., Pairaud, I., Ulses, C., (2008). Energy
   conservation issues in sigma­coordinate free­ surface ocean models. Ocean Model. 20, 61–89.
Marsaleix, P., Michaud, H., Estournel, C., (2019). 3D phase­resolved wave modelling with a non­hydrostatic
   ocean circulation model. Ocean Modelling, 136, 28–50. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2019.02.002
Le Sommer, J., J.­M. Molines , A. Albert, L. Brodeau, A. Ajayi, L. Gomez Navarro, E. Cosme, T. Penduff, B.
   Barnier, J. Verron, P. Brasseur, P. Rampal and E. Chassignet (in prep.) NATL60 : A North Atlantic ocean
   circulation model dataset based on NEMO for preparing SWOT altimeter mission. Geosci.Model Dev.

Directeur(s) de thèse proposé(s)*
(limiter au plus à deux personnes principales, dont au moins une titulaire de l'HDR)

Directeur HDR proposé*
Nom ­ Prénom : Doglioli Andrea
Corps : Maître de Conférences
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) :
MIO ­ Institut Méditerranéen d'Océanologie, équipe d'Océanographie Physique, Littorale et Côtière
Adresse mail : andrea.doglioli@mio.osupytheas.fr
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co­signataires) :

Rousselet, L., De Verneil, A., Doglioli, A.M., Petrenko, A.A., Duhamel, S.,Maes, C., Blanke, B. (2018). Large
   to submesoscale surface circulation and its implications on biogeochemical/biological horizontal
   distributions during the OUTPACE cruise (SouthWest Pacific). Biogeosciences, 15, 2411­2431,
   doi:10.5194/bg­15­2411­2018.
Marrec, P., Grégori, G., Doglioli, A.M., Dugenne, M., Della Penna, A., Bhairy, N., Cariou, T., Hélias Nunige,
   S., Lahbib, S., Rougier, G., Wagener, T., Thyssen M. (2018). Coupling physics and biogeochemistry thanks
   to high resolution observations of the phytoplankton community structure in the North­Western
   Mediterranean Sea. Biogeosciences, 15, 1579­1606, doi:10.5194/bg­15­1579­2018. Popularization paper in
   French HTML PDF
Costa, A., Petrenko, A.A., Guizien, K., Doglioli, A.M. (2017). On the calculation of betweenness centrality in
   marine      connectivity    studies    using    transfer    probabilities.  PLOS     ONE,      12,    1­10.
   10.1371/journal.pone.0189021. see preprint PDF biorxiv source code & data
Costa, A., Doglioli, A.M., Marsaleix, P., Petrenko A.A. (2017). Comparison of in situ microstructure
   measurements to different turbulence closure schemes in a 3­D numerical ocean circulation model. Ocean
   Model., 120, 1­17, doi:10.1016/j.ocemod.2017.10.002. see preprint
Rousselet, L., Doglioli, A.M., Maes, C., Blanke, B., Petrenko, A.A. (2016). Impacts of mesoscale activity on
   the water masses and circulation in the Coral Sea. J. Geophys. Res. Oceans, 121, 7277­7289,
   doi:10.1002/2016JC011861. see preprint Popularization paper in French HTML PDF

Thèses encadrées ou co­encadrées au cours des quatre dernières années*

Nom : Louise Rousselet
Intitulé :Étude des circulations à (sous)mésoéchelle et de leur influence sur la
distribution spatiale des éléments biogéochimiques et biologiques à l’aide de mesures in situ et satellites
couplées physique­biogéochimie.
Type d'allocation : bourse MENRT
Date de début de l'allocation de doctorat : 01/10/2015
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : 04/12/2018
Programme finançant la recherche :
1) OUTPACE ­ Oligotrophy to UlTra­oligotrophy PACific Experiment, PIs : T.Moutin (MIO) et S.Bonnet
(MIO), projet financé par le CNRS­Centre National de la Recherche Scientifique, l'ANR­Agence National de la
Recherche, l'IRD­Institut pour la Recherche et le Dévéloppement, le CNES ­ Centre national d'Études
Spatiales. Financement obtenu : 430 Keuros. Durée du projet : 2014­2017. Campagne en mer effectuée
Février­Mars 2015.
2) OSCAHR ­ Observing Submesoscale Coupling At High Resolution, PIs : A.Doglioli (MIO) et G.Grégori
(MIO), projet financé par le MIO et par le CNRS­Centre National de la Recherche Scientifique. Financement
obtenu : 15,7Keuros. Durée du projet : 2014­2016. Campagne en mer effectuée 2015.
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : Post­doc à SCRIPPS, San Diego, CA (USA)
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co­direction : ...50...%

Nom : Costa, Andrea
Intitulé :Connectivité marine: explorer le rôle des courants et des processus turbulents.
Type d'allocation : bourse MENRT
Date de début de l'allocation de doctorat : 01/10/2013
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : 28/04/2017
Programme finançant la recherche :CoCoNET (Towards COast to COast NETworks of marine protected areas
from the shore to the high and deep sea, coupled with seabased wind energy potential), projet européen financé
dans le cadre du FP7
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : post­doc en Corée, Data Scientist chez Decathlon à
partir de Septembre 2019
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co­direction : 50 %

Autre directeur proposé (éventuellement)*

Nom ­ Prénom : Grégori ­ Gérald
Corps : Chargé de Recherche CNRS
Adresse mail : gerald.gregori@mio.osupytheas.fr
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) :
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co­signataires) :

Leblanc, K., Queguiner, B., Diaz, F., Cornet, V., Michel­Rodriguez, M., Durrieu de Madron, X., Bowler, C.,
  Malviya, S., Thyssen, M., Grégori, G., Rembauville, M., Grosso, O., Poulain, J., de Vargas, C., Pujo­Pay,
  M., Conan, P. 2018. Nanoplanktonic diatoms are globally overlooked but play a role in spring blooms and
  carbon export. Nature Communication, XXX. DOI :10.1038/s41467­018­03376­9
Marrec, P., Grégori, G., Doglioli, A.M., Dugenne, M., Della Penna, A., Bhairy, N., Cariou, T., Helias Nunige,
  S., Lahbib, S., Rougier, G., Wagener, T., Thyssen M. 2018. Coupling physics and biogeochemistry thanks
  to high resolution observations of the phytoplankton community structure in the North­Western
  Mediterranean Sea. Biogeosciences., doi:10.5194/bg­2017­343.
Garcia­Robledo E., Padilla C.C., Aldunate M., Stewart F.J., Ulloa O., Paulmier A., Grégori G., Revsbech N.P.
  (2017). Cryptic oxygen cycling in anoxic marine zones. PNAS 2017 114 (31) 8319­8324. (doi :
  10.1073/pnas.1619844114
Girault M., Grégori G., Barani A.and Arakawa H. (2016). A study of microphytoplankton and cyanobacteria
  consortia in four oligotrophic regimes in the western part of the north pacific subtropical gyre and in the
  warm pool. J. Plankton Res.38 (5) : 1317­1333. doi : 10.1093/plankt/fbw056
Girault M., Arakawa H., Barani A., Ceccaldi H. J. , Hashihama H. J. , and Grégori G. (2015). Heterotrophic
  prokaryote distribution along a 2,300 km transect in the North Pacific subtropical gyre during strong La
  Niña conditions : relationship between distribution and hydrological conditions. Biogeosciences, 12, 3607–
  3621

Thèses encadrées ou co­encadrées au cours des quatre dernières années*

Nom : Dugenne Mathilde
Intitulé : Dynamique à haute fréquence du phytoplancton en mer Méditerranée: Approches par modélisation et
statistiques bayésiennes
Type d'allocation : Bourse MENRT inter école­doctorale
Date de début de l'allocation de doctorat : 1er octobre 2013
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : 6 juin 2017
Programme finançant la recherche : PNEC­EC2CO (MISE), Mermex (DEWEX), HOTMIX (Espagne)
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : Postdoctorat à L’Oregon State University (USA)
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co­direction : 50.%