1. La campagne VALHYBIO

Un total de 169 CTD a été effectué sur 53 stations couvrant les lagons Sud et Sud-ouest depuis la Baie de Dumbéa (22° 14'S,166°23'E) jusqu'au Chenal de la Havannah (22°30'S, 167°10'E) en passant par les Baies de Boulari et de la Pirogue, et incluant des stations de référence à l'extérieur des barrières coralliennes à l'extrême sud de l'Ile des Pins à l'est (23°15'S,167° 40'E) et à l'extrême sud de la barrière Sud à l'ouest (167°E, 23°05'S). Le timing a pu être respecté (malgré 3 jours de grève au départ avec un démarrage le samedi 22 mars au lieu du mercredi 19 mars).
La cartographie des propriétés optiques et des pigments a pu être réalisée grâce à une météorologie clémente au cours du premier réseau optique long (du 22 mars au 1^er avril 2008, Figure ABCD). Une deuxième cartographie plus rapide des pigments a pu être réalisée du 5 au 7 avril 2008 (une nuit au mouillage permettant de laisser passer une dépression à 35 noeuds). Une station de référence en eaux oligotrophes a pu être réalisée à plus de 10 milles de la barrière récifale ouest en dehors du panache déssalé (5 avril 2008). Enfin, les 3 points fixes de 24h ont été réalisés à fréquence horaire ou bi-horaire aux stations représentatives T29 (1-2 avril 2008) entre les 2 cornes est et ouest, T4 (3-4 avril 2008) dans le Chenal de la Havannah et à A11 (8-9 avril) dans le canyon de la passe de Boulari, près du Phare Amédée.
L'absorption de la lumière par le phytoplancton a été mesurée par trois méthodes :

• une mesure hyperspectrale sur le spectre visible (sphère intégrante PSICAM, prototype du GKSS, volume de 100 ml),
• à 9 longueurs d'onde avec un Ac9 (WetLabs) rempli par gravité et calibré sur l'eau distillée filtrée sur 0.2µm avec contrôle de la température,
• la méthode spectrophotométrique des filtres. Des échantillons ont été conservés pour analyse de la matière organique colorée dissoute (CDOM) dans l'UV à l'aide du capillaire de 200 cm Ultrapath (WPI).

La rétrodiffusion par l'Hydroscat aux longueurs d'onde 440, 488, 510, 550, 620 et 660 nm (Fig 1B) complétait la transmissométrie de la CTD à 660 nm (Fig 1C) et l'Ac9. Au cours du réseau optique « court », l'Hydroscat a pu être installé sur la CTD ce qui a permis la réalisation systématique des stations, notamment aux points fixes de 24h, augmentant le nombre de mesures de rétrodiffusion. Notons que la CTD était complète, avec capteurs calibrés de Température, salinité, oxygène, transmissométrie WetLabs, capteur de PAR. Un plus était la mesure simultanée des réflectances par deux spectroradiomètres TRIOS installés sur un radeau prototype maintenant les deux capteurs d'éclairement descendant et remontant à la même profondeur et en position verticale. L'échantillonnage a été complet (toutes stations, surface et fond et parfois au maximum de chlorophylle de sub-surface pour les stations extérieures). Les échantillons ont été stockés à bord dans l'azote liquide pour analyse ultérieure des pigments par spectrofluorométrie, pigments HPLC, absorption par la méthode des filtres, cytométrie en flux. Les échantillons ont été conservés, pour l'analyse des sels nutritifs tandis que l'ammoniaque a pu être mesuré a bord sur un fluorimètre Turner. Quelques mesures optiques sur des colonies naturelles de Trichodesmium récoltées au filet 35 µm ont pu être réalisées avec le PSICAM pour la première fois. Des échantillons ont été systématiquement récoltés en surface pour comptages et identification des espèces par tamisage sur des filtres Nuclépore 10 µm. Les données météo ont pu être récoltées grâce à une station (US 25) et alimenteront les entrées du modèle biogéochimique couplé au modèle hydrodynamique. Enfin, des mesures d'ADCP en route ont permis de mesurer les courants lors des traversées océaniques à l'extérieur des barrières et dans les parties profondes du lagon sud (> 80m). Quatre scènes claires MODIS ont été acquises sur la durée de la campagne.

Fig. 1ABCD : Distributions spatiales de A) ap(442), B) bbp510, C) log(abs(cp(660)), D) bbp/bp(650) pour le réseau optique 1 du 22 Mars au 31 Mars (Jour julien 82 à  92 = 10 jours) de la campagne PNTS sur l'Alis Valhybio (Mars-Avril 2008) in Dupouy et al., 2009b. Principales rivières indiquées. Période de pluie La Nina 2008.

Le quadrillage systématique des lagons et des stations de référence au large des barrières coralliennes a montré que l'apport de sels nutritifs dû aux pluies exceptionnelles de l'épisode La Nina de 2008 a permis l'explosion de la croissance des diatomées qui ont remplacé le picoplancton et les Trichodesmium rencontrés aux périodes plus sèches (campagnes Bissecote de 2006 et Echolag de 2007, suivi lagonaire DIAPAZON entre 2001 et 2003). Les propriétés optiques mesurées (Figure 1ABCD) (absorption, rétrodiffusion Hydroscat, transmissométrie, et rapport de rétrodiffusion particulaire) indiquent que l'apport d'eau douce a provoqué un enrichissement en tchla, ap, et bb (Dupouy et al., 2009a). Le faible rapport de rétrodiffusion mesuré dans les plumes riches liées à l'apport d'eau douce indiquent que l'enrichissement est d'origine organique (cellules de phytoplancton) plutôt que minéral (apports de particules) (Dupouy et al., 2009b, 2011, 2012). Cette conclusion a une forte implication pour l'interprétation des images satellites obtenues en période de pluie ainsi que pour la modélisation future de cette situation exceptionnelle (Fuchs et al., 2010 ; Fuchs et al., 2011, 2012, Fuchs et al., 2013).

Les images satellites MODIS obtenues pendant la campagne à 4 dates : les 28, 30 mars et les 4 et 10 avril montrent l'extension des eaux enrichies en chlorophylle (x 2 par rapport aux valeurs habituelles) à plusieurs milles au large des côtes Est (Mars) puis Ouest (Avril). Elles ont permis la validation de l'algorithme par comparaison entre les réflectances satellitaires et mesurées pour l'extraction du signal fond à partir de MERIS (Minghelli-Roman et al., 2010a,b, Minghelli-Roman et al., 2011, 2013).

Un résultat important concerne la distribution de l'absorption du CDOM pendant la période de pluie 2008 (Figure 2). Mesuré à l'aide d'un PSICAM à bord (Dupouy et Rottgers, 2010), la valeur moyenne pour la campagne à 412 nm est de 0.038 m^-1.  Le maximum est obtenu dans la Baie de Dumbéa (à 412 0.08 m^-1 (Station D27) dans le lagon sud ouest. Curieusement, il y a peu de CDOM dans la plume d'eau riche en chlorophylle issue de l'apport d'eaux douces (découplage ap/acdom). Le minimum est observé au large du lagon sud (0.014 m^-1 à T28). Le rapport de acdom(PSICAM)/ap (filtre) varie autour de 0.52 à 442 nm et 0.80 à 412 nm (à 412 nm, il peut dépasser 1 comme aux stations G03, A11, D27, N44 et T05). Le rapport moyen acdom/atot PSICAM est de 0.42 à 442 nm et 0.55 à 412 nm.

Fig. 2AB : A) ap(442) méthode des filtres ; B) aCDOM à 412 nm avec le PSICAM in Dupouy et Rottgers, 2010.

2. Le suivi mensuel VALHYBIO dans le lagon sud ouest

Le projet VALHYBIO comportait également un suivi mensuel à 5 stations (carte ci-jointe) effectué entre mars 2008, à la suite de la campagne jusqu'en mai 2011 destiné à mieux connaître la variabilité des iop's dans le lagon, à des stations représentatives de différents types de fond :

Tableau 1. Descriptif des stations du suivi mensuel VALHYBIO Mars 2008-mai 2011.

• Analyse des données du suivi mensuel in situ (Gonzalez, Master 2 Européen, 2011)

Les données de température, salinité, et de fluorescence in vivo de la chl a  aux quatre stations suivies mensuellement de 2008 à 2011 (Carte Figure 3A)  ont été utilisées.  Alors que le cycle de température est identique à toutes les stations, l'amplitude de la variabilité temporelle de la chlorophylle extraite (Figure 3C) est plus forte à la côte, en particulier dans les baies avec des fluctuations mensuelles de même amplitude que les variations annuelles. Les variations à court terme sont en grande partie liées aux événements météorologiques. Le passage d'eau lagonaire enrichie à travers la Passe de Dumbéa explique généralement les augmentations en chl a à la station océanique, sauf celles liées au refroidissement hivernal. La production de phytoplancton dans le lagon montre un maximum remarquable en janvier (visibles en 2009 et 2010) et un autre plus régulier entre avril et juin, ce dernier en lien avec la disparition de la thermocline estivale.

Fig. 3ABC : A) position des stations d'échantillonnage pour le suivi mensuel 2008-2011; B) température; C) Chlorophylle en surface (Gonzalez, 2011, Master 2 Européen).

Les valeurs de rétrodiffusion par les eaux du lagon (à 510 nm) atteignent des valeurs élevées de 0.015 m^-1 au fond de la station la plus côtière (GD10) située dans la baie de Dumbéa et soumise aux apports de la rivière Dumbéa. L'influence de la rivière se fait aussi sentir à la station G003 sur les fonds coralliens proches de la barrière de corail et même dans la partie profonde du lagon à fort renouvellement (comme M33) qui contrastent avec celles mesurées à OC1 (Figure 3D). On doit en conclure que les fortes valeurs en profondeur résultent de la resuspension par le vent et que ce phénomène impacte fortement  les stations les moins profondes du lagon de la Nouvelle-Calédonie.

Fig. 3D : Profils Hydroscat-6 (à 510 nm) à la station océanique OC1 ainsi qu'aux stations lagonaires G003, GD10, M33 (Dupouy, 2011). L'Hydroscat-6 est depuis Mars 2012 fixé à -5 mètres dans le cadre du projet GOPS MOISE de mouillage instrumenté).

• Validation d'algorithmes de couleur de l'eau pour le lagon (Savranski, M2, Toulouse et Wattelez, M2, Lille1)

Les données de VALHYBIO ont  permis d'alimenter une base de validation des données MODIS  pour le lagon sud de la Nouvelle Calédonie (Dupouy et al., 2010 ; Savranski et al., 2010, Master 2 Toulouse; Wattelez, 2011, Master 2 Lille, Dupouy et al., 2012). Cette base est en train d'être finalisée pour MERMAID (la Nouvelle Calédonie est un site KALICOTIER). Une classification des eaux selon la profondeur permet de montrer que l'algorithme OC3 de MODIS sous-estime la chlorophylle des eaux du large, et la sur-estime dans les baies (Figure 1ABC). Un travail destiné à rechercher les meilleurs couples de canaux MODIS en comparaison d'OC3 et d'un Support Vector Machine pour estimer la chlorophylle de surface du lagon est en cours de préparation. (Wattelez et al., in prep).

Fig. 4abc : Approche fine : match up in situ MODIS (le jour même, rayon 1,5km, 240 coïncidences). Nuage de points de Chlorophylle OC3 estimée par MODIS en fonction de in situ TCHL a transformée en log.  a) eaux du large (profondeur  >= 70 m), en bleu clair; b) eaux du lagon (profondeur >= 20m),  en bleu foncé; c) eaux du lagon (profondeur < 20m), en orange. In Savranski, 2010.

• Utilisation d'un "Support Vector Machine" (SVM) pour l'atténuation de l'effet du fond

Afin d'atténuer l'effet du fond sur le calcul par OC3 ou OC5 de la chlorophylle de surface, un SVM a  été mis au point avec le jeu de données MODIS/in situ de T. Savranski (RMSE réduite, Figure 4). Puis une analyse statistique des chlorophylles « SVM » a été mise en oeuvre à l'aide d'une décomposition des séries temporelles (tendance, composante saisonnière) de chaque pixel puis d'une ACP. Cette ACP a permis d'identifier deux axes principaux (représentant respectivement 78% et 3 % d'inertie) fortement corrélés avec la bathymétrie et avec la saison.

Deux groupes de pixels dans le lagon, l'un formé de pixels océaniques et l'autre de pixels lagonaires de forte profondeur (plus de 20m) ont pu être identifiés, avec des composantes saisonnières différant par l'amplitude et la phase. La chlorophylle de surface par MODIS-svm est plus forte à la côte (GD10). De plus, les pixels du lagon (GD10 et M33, Figure 5B) ont un cycle plus précoce, le pic de chlorophylle arrivant plus tôt (à GD10) et le maximum se maintenant de mars à mai en milieu de lagon (M33). Les variabilités intra et interannuelles sont plus fortes dans le lagon que dans l'océan (station OC1, Figure 5B) (Wattelez, 2011, Univ. Lille1, programmation R, Master 2 LOPB M.I.O./Unité Espace IRD).

Fig. 5AB : A) Cartes résultantes de l'application de la fonction SVM pour le calcul des chlorophylles dans le lagon de la Nouvelle-Calédonie, utilisant comme variables la bathymétrie et les réflectances MODIS à 443, 488 et 555 nm. B) Résultat des chlorophylles estimées MODIS (2002-2011) pour 3 stations du suivi mensuel : en milieu de lagon (M33, 23m), dans une baie côtière (GD10, 19 m), à l'extérieur (OC1, 800 m) (in G. Wattelez, Master 2, 2011, Univ. Lille 1) repères rouge et vert, mois de Mars (été) et septembre (automne) australs.

3. Utilisation des données pour une inversion des iop's avec le capteur japonais AVNIR 2 à haute résolution

Les mesures optiques de VALHYBIO ont servi à valider un algorithme d'inversion des propriétés optiques (absorption et rétrodiffusion), permettant d'estimer la chlorophylle de surface à partir d'une relation globale entre le coefficient d'absorption et la chlorophylle. Cette méthode d'inversion a été ensuite appliquée à des images de très haute résolution (30 mètres) du lagon sud ouest acquises par le capteur multispectral AVNIR2 (Japon) (Murakami et Dupouy, 2010 ; Murakami et Dupouy, 2013). La méthode d'inversion peut être utilisée pour les images MODIS. Murakami et Dupouy, 2013, Applied Optics, Issue Iss. 2, pp. 182-198 (http://www.opticsinfobase.org/ao/issue.cfm).

Fig. 6 : Estimation par AVNIR-2  de (a) apg à 442 nm et (b) bbp à 555 nm du 3 Septembre 2009 [utilisant le modèle spectral (A) Table 4 et aucune correction de la réflexion des fonds]. (c) et (d) idem que (a) et (b) excepté une correction de la réflexion. Les marqueurs indiquent les stations d'observation in situ du suivi mensuel VALHYBIO obtenues le jour même (3 septembre 2009, sortie CORIS, IRD Nouméa). In Murakami et Dupouy, 2013, Applied Optics, Issue Iss. 2, pp. 182-198 (http://www.opticsinfobase.org/ao/issue.cfm).

4. Utilisation des données de Valhybio pour algorithmes d'inversion de la bathymétrie et couleur des fonds

• Estimation bathymétrie et carte des fonds (Minghelli-Roman, LSI)

L'étude radiométrique menée par Audrey Minghelli-Roman à partir de données MERIS sur le lagon de Nouvelle Calédonie a permis de classifier les fonds en trois grands types (le type « mud » étant éliminé dans la dernière version du traitement), correspondant à la classification établie à partir d'études menées par l'équipe CAMELIA sur la texture et nature géomorphologique des fonds (Chevillon, rapport ZONECO, 1991).

Fig. 7AB : A) Carte de la bathymétrie résultant de la méthode de Philpot. B) A droite, carte de la couleur des fonds obtenue par cartographie supervisée une fois l'effet de l'atténuation de la lumière par la colonne d'eau retirée. (In Minghelli-Roman et al., 2010, 2011).

Aucune carte des fonds n'était disponible dans le lagon de la Nouvelle-Calédonie. L'effet non linéaire de l'atténuation de la colonne d'eau a été corrigé pour obtenir les réflectances absolues du fond à partir des canaux MERIS pour une image de décembre, en situation oligotrophe.  L'atténuation de l'eau est déterminée en comparant la réflectance d'un site test unique (ensemble de pixels de nature homogène) pris à différentes profondeurs. La bathymétrie peut ensuite être déterminée en comparant les réflectances relatives aux canaux vert et rouge de Meris. Une fois retiré l'effet de l'atténuation de l'eau, une classification supervisée est appliquée pour obtenir la cartographie de chaque type de fond. Les validations ont été faites à partir des données VALHYBIO, des profondeurs réelles (fichier bathymétrie du SHOM+ sondeur multi-faisceau de l'Alis mise en base par P. Douillet et R. Legendre), et des cartes de couleurs de fonds obtenus par plongée et dérivées de l'étude de la structure du fond par signaux acoustiques avec le Roxann (C. Chevillon, CAMELIA). Minghelli-Roman et Dupouy, IJRS, soumis.

• Composition de l'eau en surface (Minghelli-Roman, LSI)

Une estimation de la bathymétrie dans le lagon optiquement complexe de la Nouvelle-Calédonie a été réalisé à partir d'images du satellite multicanaux MERIS. L'estimation de l'abthymétrie a été obtenue à partir de plusieurs images acquises à différentes dates. La méthode est basée sur la rotation d'une paire de canaux (canaux rouge et vert).  Une des images résultante n'est dépendante que de la profondeur tandis que l'autre n'est dépendante que de la réflectance. Une comparaison a été faite à partir de données de bathymétrie du SHOM compilées à l'Institut de Recherche pour le Développement à Nouméa. Cette étude montre l'influence de la variation de la composition de l'eau, et donc de l'atténuation, sur les résultats de bathymétrie. La variation de la concentration en chlorophylle, corrélée avec la variation de l'atténuation diffuse, explique les erreurs de la carte bathymétrique estimée. Les résultats montrent que la méthode reste valide sous un seuil de chlorophylle bas (<1 mg.m^-3) et une concentration de chlorophylle constante ( <10% de variation) de façon à limiter la variation de la RMSE (<15.5%) dans l'image sur l'estimation de la bathymétrie. Minghelli-Roman et Dupouy, 2013, IEEE JSTARS, sous presse.

5. Utilisation des données campagne VALHYBIO pour validation du modèle biogéochimique Lagon Sud (thèse Bourse CIFRE ACRI-ST Rosalie Fuchs, soutenance Mars 2013).

• LAGON SUD OUEST

La modélisation de la distribution de la chlorophylle de surface MARS3D- ECO3M pendant la situation exceptionnelle de pluies de l'épisode La Nina de VALHYBIO a pu être réalisée (bourse CIFRE, Fuchs et al., 2010 ; Fuchs et al., 2012). La distribution de la concentration en chlorophylle a été modélisée à partir du couplage MARS3D-ECO3M pendant la campagne VALHYBIO. Les restitutions de l'hydrodynamique (profils verticaux de température) et de la biogéochimie réelle (profils de fluorescence) ont été obtenues. L'évènement exceptionnel de pluie liée à la situation La Nina dans le Pacifique est maintenant mieux modélisé, avec l'ajout d'apports de sels nutritifs des rivières (estimés d'après des mesures réalisées lors d'une Mission Longue Durée à Nouméa en 2011). Fuchs et al., 2012. Marine Pollution bulletin, 64, 1596-1613.

Fig. 8 : Chlorophylle de surface modélisée pour la période de la campagne VALHYBIO Avril 2008 en période d'apports de sels nutritifs par la pluie (Fuchs et al., 2010, Fuchs et al., 2012).

• UPWELLING LAGON SUD OUEST (thèse Bourse CIFRE ACRI-ST Rosalie Fuchs, soutenance Mars 2013).

Une remontée d'eaux froides côtière « sporadique » liée au vent a été identifiée le long du récif sud-ouest de la Nouvelle-Calédonie depuis 2005. Plusieurs études ont décrit des processus physiques principaux par des modèles 1D et 3D et des mesures in situ. Ces modèles étaient appliqués à moyenne échelle sans prendre en considération le lagon. En utilisant un modèle physique-biogéochimique couplé 3D développé récemment et considérant l'interface complexe d'océan-lagune, nous avons cherché à mieux comprendre l'impact de l'upwelling sur le lagon. Le modèle couplé s'est avéré en bon accord avec des données mesurées des publications précédentes pour deux événements. Cependant, la concentration en chlorophylle-a à l'extérieur est généralement surestimée par le modèle dans la zone de l'upwelling comparée aux données de couleur de l'eau. Plusieurs hypothèses ont été recherchées : nous avons suivi les zones riches d'upwelling par une analyse de transport lagrangien direct. Nous avons trouvé que les eaux remontées d'une profondeur au-dessus de la thermocline peuvent atteindre le sud ouest du lagon. Un tourbillon anticyclonique a été détecté à proximité de la zone d'upwelling, potentiellement responsable, en partie, de l'intrusion d'eaux riches dans le lagon. Fuchs et al., accepté, Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2013.