Academic literature on the topic 'Écologie pélagique – Modèles mathématiques'

La Cuvette centrale est le plus vaste complexe de tourbières tropicales au monde, qui s'étend sur environ 145 000 km2 en République du Congo et en République démocratique du Congo. Ce complexe stocke environ 30,6 Pg C, soit l'équivalent de trois années d'émissions mondiales de dioxyde de carbone, et représente désormais le premier site Ramsar transnational. Malgré sa taille et son importance mondiale en tant que puits de carbone, les aspects clés de son écologie et de son histoire, notamment sa formation, l'ampleur des flux de gaz à effet de serre, sa biodiversité et l'histoire de l'activité humaine, demeurent relativement peu connus. Nous synthétisons ici les connaissances disponibles sur la Cuvette centrale, en identifiant des domaines clés pour la poursuite des recherches. Enfin, nous examinons le potentiel des modèles mathématiques pour évaluer les trajectoires futures des tourbières en termes d’impacts prévisibles de l'exploitation de ressources et du changement climatique.

Les causes et la dynamique de l'uwpelling ivoiro-ghanéen ont été récemment étudiées. Cette zone soutient une pêcherie de petits poissons pélagiques dont le plus dominant est la Sardinella aurita (S. aurita). Le succès du recrutement des premiers stades de développement de S. aurita est conditionné par la circulation locale qui permet soit de rapprocher les œufs et les larves des nourriceries, ou soit de les disperser vers le large où ils sont soumis à des conditions environnementales et trophiques défavorables. Les mécanismes par lesquels les conditions environnementales agissent pour réguler le recrutement de la S. aurita restent mal compris dans la région Nord du Golfe de Guinée, en particulier l'interaction potentielle entre la dispersion, la croissance et la mortalité des larves.L’objectif principal de la thèse est d'étudier l'impact de la disponibilité en nourriture sur la croissance et la dispersion des larves de sardinelles en utilisant une approche de modélisation numérique qui permet d'intégrer les processus hydrodynamiques, biogéochimiques et biologiques fondamentaux. Les résultats ont montré que les zones côtières sont les plus favorables à la rétention à cause de la présence des tourbillons qui agissent comme des barrières empêchant les œufs et les larves d'être emportés vers le large. Les pontes importantes ont lieu pendant la petite (Février) et la grande (Août,) saison d'upwelling. Les profondeurs de rétention maximale sont les couches de surface (0-25 m) et de subsurface (25-50 m). Elles sont associées aux maximum de distribution des champs de proies simulés et à la diminution de l'intensité du Courant de Guinée en profondeur
The causes and dynamics of the ivoiro-ghanean upwelling have recently been investigated. The northern Gulf of Guinea zone supports a fishery of small pelagic fish where the most abundant the Sardinella. aurita (S. aurita). The success of the recruitment of the early stages of the larvae into juveniles is essentially conditioned by the local circulation which allows either to bring the eggs and larvae closer to the often coastal nurseries where the juveniles can develop, or either to disperse them offshore where they are subject to predation and lack of food. The mechanisms by which environmental conditions act to regulate the recruitment of S. aurita remain poorly understood in the northern Gulf of Guinea region, especially the potential interaction between dispersal, growth and mortality of larvae. The main objective of the thesis is to study the impact of food availability on the growth and the dispersion of sardinella larvae during their dispersal phase using a numerical modeling approach that allows to integrate fundamental hydrodynamic, biogeochemical and biological processes (CROCO-PISCES, ICHTHYOP). The results showed that coastal areas are the most favorable for retention because of the presence of eddies which act as barriers preventing eggs and larvae advection offshore. The most important spawning takes place during the small (February) and large (August) upwelling season. The maximum retention depths are the surface layers (0-25 m) and subsurface (25-50 m). These maximum laying depths associated with the maximum distribution of the simulated prey fields and the decrease in the intensity of the Guinea Current at depth

L'etude des relations especes-environnement est un probleme central de l'ecologie. Elle conduit le plus souvent a l'analyse d'un jeu de donnees forme d'un tableau floro-faunistique associe a un tableau descriptif de l'environnement et qui ont en commun les stations d'echantillonnage. Une revue bibliographique des differentes approches qui ont ete mises en uvre par les ecologues pour analyser ce type de donnees permet de les regrouper selon trois grands types: les analyses separees, sous contrainte et symetriques. L'introduction des methodes d'analyse sur variables instrumentales apparait avoir fourni une solution efficace dans le cadre des approches sous contrainte et plus generalement aux analyses directes des gradients ecologiques. Nous en donnons un exemple d'application en utilisant l'analyse canonique des correspondances. Pour les approches symetriques nous presentons des developpements associes a l'analyse de la co-inertie (ou de la co-structure) d'un couple de tableaux. Cette methode est etroitement liee a l'analyse inter-batterie de tucker (1958) et a l'analyse d'un tableau de profils ecologiques selon romane (1972). Apres une presentation de la methode nous en developpons un certain nombre d'applications dans le cadre de l'analyse de donnees de milieu qualitatives, quantitatives et distributionnelles ainsi que les modes de depouillement associes

Les systèmes réels subissant des perturbations par l’interaction avec leur environnement sont susceptibles d’être entraînés vers des transitions irréversibles de leur principal état d’activité. Avec la croissance de l’empreinte humaine mondiale sur les écosystèmes, la caractérisation de la résilience de ces systèmes complexes est un enjeu majeur du 21e siècle. Cette thèse s’intéresse aux systèmes complexes pour lesquels il existe un réseau d’interactions et où les composantes sont des variables dynamiques. L’étude de leur résilience exige la description de leurs états dynamiques qui peuvent avoir jusqu’à plusieurs milliers de dimensions. Cette thèse propose trois nouvelles méthodes permettant de faire des mesures de la dynamique en fonction de la structure du réseau. L’originalité de ce travail vient de la diversité des approches présentées pour traiter la résilience, en débutant avec des outils basés sur des modèles dynamiques définis et en terminant avec d’autres n’exploitant que des données récoltées. D’abord, une solution exacte à une dynamique de cascade (modèle de feu de forêt) est développée et accompagnée d’un algorithme optimisé. Comme sa portée pratique s’arrête aux petits réseaux, cette méthode signale les limitations d’une approche avec un grand nombre de dimensions. Ensuite, une méthode de réduction dimensionnelle est introduite pour établir les bifurcations dynamiques d’un système. Cette contribution renforce les fondements théoriques et élargit le domaine d’applications de méthodes existantes. Enfin, le problème de retracer l’origine structurelle d’une perturbation est traité au moyen de l’apprentissage automatique. La validité de l’outil est supportée par une analyse numérique sur des dynamiques de propagation, de populations d’espèces et de neurones. Les principaux résultats indiquent que de fines anomalies observées dans la dynamique d’un système peuvent être détectées et suffisent pour retracer la cause de la perturbation. L’analyse témoigne également du rôle que l’apprentissage automatique pourrait jouer dans l’étude de la résilience de systèmes réels.
Real complex systems are often driven by external perturbations toward irreversible transitions of their dynamical state. With the rise of the human footprint on ecosystems, these perturbations will likely become more persistent so that characterizing resilience of complex systems has become a major issue of the 21st century. This thesis focuses on complex systems that exhibit networked interactions where the components present dynamical states. Studying the resilience of these networks demands depicting their dynamical portraits which may feature thousands of dimensions. In this thesis, three contrasting methods are introduced for studying the dynamical properties as a function of the network structure. Apart from the methods themselves, the originality of the thesis lies in the wide vision of resilience analysis, opening with model-based approaches and concluding with data-driven tools. We begin by developing an exact solution to binary cascades on networks (forest fire type) and follow with an optimized algorithm. Because its practical range is restricted to small networks, this method highlights the limitations of using model-based and highly dimensional tools. Wethen introduce a dimension reduction method to predict dynamical bifurcations of networked systems. This contribution builds up on theoretical foundations and expands possible applications of existing frameworks. Finally, we examine the task of extracting the structural causesof perturbations using machine learning. The validity of the developed tool is supported by an extended numerical analysis of spreading, population, and neural dynamics. The results indicate that subtle dynamical anomalies may suffice to infer the causes of perturbations. It also shows the leading role that machine learning may have to play in the future of resilience of real complex systems.

Pour mesurer la complexite de l'organisation spatiale des ecosystemes qui constituent les plaines fluviales, afin de comparer differents secteurs, nous proposons une modelisation de leur repartition spatiale par images de synthese. Pour cela, nous abordons l'analyse des structures spatiales en ecologie du paysage dans le cadre des statistiques spatiales, en articulant un modele purement spatial, la pyramide stochastique, avec des modeles de fonctionnements ecologiques, les successions temporelles. En effet, la pyramide stochastique est un generateur de patrons spatiaux aleatoires, non stationnaires, non convexes et multicolores. Elle tient son originalite du fait qu'elle utilise les concepts des mosaiques tout en s'inserant dans la theorie des champs aleatoires. Par definition, elle produit une hierarchie de figures, en procedant successivement a une decimation et une expansion recursives des sites du treillis. Nous avons introduit la pyramide stochastique en ecologie, afin de reconstruire des images correspondant a l'organisation spatiale des ecosystemes des plaines fluviales. La premiere etape a consiste a modeliser schematiquement les structures spatiales des ensembles fonctionnels que sont les iles et les chenaux, de facon a formaliser graphiquement toutes les possibilites de successions. Ces schemas theoriques sont transcrits sur des images reelles, en procedant a une partition de tous les elements fonctionnels en zones homogenes, vis-a-vis des coordonnees tant longitudinales (distance amont/aval) que transversales (distance au chenal actif le plus proche, forte courbure). Des probabilites a priori sont alors determinees en fonction des regles schematiques pour chaque zone elementaire. Ensuite, nous construisons une image initiale par un tirage aleatoire, en fonction de ces probabilites. La pyramide stochastique controlee s'attache alors a faire croitre chaque pixel, au cours d'un double processus de decimation et d'expansion, qui tient compte de la partition et des probabilites a priori. Nous simulons ainsi des cartes ecologiques dont les images sont soumises a un test de monte carlo pour mesurer la pertinence du modele. Nous utilisons la capacite de choquet, descripteur des ensembles aleatoires en morphologie mathematique, pour analyser les associations de couleurs, c'est-a-dire, les associations des ecosystemes. Toutes les paires de couleurs sont decrites selon cette methode, ce qui permet de voir graphiquement, comment la capacite de choquet calculee sur une image reelle se comporte par rapport a des images simulees. Toutefois, ceci ne fournit pas une reponse globale, autorisant une comparaison quantitative entre les images. Nous proposons alors une analyse triadique partielle des donnees, qui conduit a une synthese de la capacite de choquet en tenant compte des comportements de toutes les phases. On evalue ainsi globalement la distance entre modele et realite. La comparaison de differents secteurs des plaines fluviales peut alors se faire, non pas en comparant la complexite de leurs representations cartographiques, mais en comparant le degre de complexite des modeles qui assurent leurs simulations

Deux espèces jumelles d'oiseaux à distributions parapatriques: Hippolais icterina et H. Polyglotta ne coexistent que sur une étroite bande frontière (zone de sympatrie) passant par la Bourgogne ou les populations sont étudiées depuis une trentaine d'années. H. Icterina régresse alors que H. Polyglotta est en expansion à l'échelle européenne. Les niches écologiques des deux espèces diffèrent sur une dimension fondamentale, à savoir le régime alimentaire, ce qui rend peu probable l'action d'un mécanisme de type exclusion par compétition. Lorsqu'elles coexistent directement, les deux espèces se groupent en agrégats plus populeux que lorsqu'elles nichent seules et subissent plus d'échecs totaux des nichées qui sont largement attribuables à la prédation. Ce phénomène est nettement plus accusé chez H. Icterina car le comportement des adultes expose plus les nichées aux predateurs chez cette espèce que chez l'autre hippolais. La simulation de modèles mathématiques de compétition interspécifique et de prédation à deux proies et un predateur confirme la prépondérance possible de la prédation. Ainsi, la régression de H. Icterina en Bourgogne semble liée à la présence de l'espèce jumelle (comme s'il s'agissait d'une exclusion par compétition) mais fait intervenir la prédation. La généralisation de ce mécanisme à la situation de retrait de H. Icterina au niveau européen reste à démontrer mais semble possible. Bien au-delà, ces résultats soulignent l'importance de la prédation dans la structuration et l'évolution des communautés.

Un réseau écologique constitue une représentation de l'ensemble des interactions entre espèces dans un contexte donné. L'analyse de la structure topologique de ces réseaux permet aux écologues d'identifier et de comprendre les processus sous-jacents. La détection de sous-groupes d'espèces interagissant fortement ensemble, souvent nommés communautés o compartiments, est un des principaux moyens pour interpréter la structure sous-jacente des réseaux. Il existe de nombreuses méthodes de classification non supervisée, qui peuvent être utilisées pour analyser des réseaux écologiques. L'analyse des réseaux est actuellement un sujet de recherche en pleine expansion avec des applications dans des domaines de recherches variés. À notre connaissance, il n'existe pas de comparaison des méthodes de classification non supervisée dans le cas des réseaux écologique. Nous avons effectué une revue des méthodes disponibles de classification non supervisées des noeuds, et nous les avons comparé dans un contexte écologique. Afin d'évaluer la contribution des différents processus expliquant la structure d'un réseau, nous avons introduit de l'information extérieure au réseau. Nous avons analysé deux réseaux d'interaction arbre-champignon et arbre-insecte. Ces résultats sont préliminaires, mais la méthode semble ouvrir des perspectives intéressantes en écologie. Nous avons également étudié un réseau écologique de nature différente, un réseau de reproduction entre arbres. Nous avons utilisé ces résultats pour discuter d'un concept central en écologie, le concept d'espèce
An ecological network is a representation of the whole set of interactions between species in a given context. Ecological scientists analyse the topological structure of such networks, in order to understand the underlying processes. The identification of sub-groups of highly-interacting species (usually called communities, or compartments) is an important stream of research. The most popular method for the search of communities in ecological networks is the modularity optimization method. However this popularity is more due to the first paper published on this topic than to a rational choice based on solid grounds. There are many other clustering methods that could be used to delimit communities in ecological networks. The analysis of complex networks is indeed a rapidly growing topic with many applications in several scientific fields. To our knowledge, no comparison of different clustering methods is available in the case of ecological networks. Here we reviewed the whole set of methods available for clustering networks and we compared them using an ecological benchmark. In order to assess the relative contribution of several processes to the network structure, we integrated exogenous information in the clustering model. We analysed two bipartite antagonistic networks with this method, a tree-fungus and tree-insect network. The results are still preliminary but the method seems to us very promising for future ecological studies. Finally we searched communities in a different kind of network, a mating network between individuals belonging to two hybridizing tree species. We used our results to discuss a concept which is central in ecology, the species concept

En écologie, l'étude de tout écosysteme dans ses dimensions espace-temps conduit à l'obtention d'un ensemble de données tri-dimensionnelles (variables x temps x espace) qui s'organisent naturellement sous la forme de plusieurs tableaux. En statistique, des méthodes dites multitableaux ont été créées pour analyser simultanément plusieurs tableaux de données. Or, bien que ces méthodes semblent bien adaptées aux traitements des données récoltées en écologie, leur usage dans cette discipline est encore peu répandu. En s'inscrivant à l'interface de la statistique et de l'écologie, l'objectif de ce mémoire est d'étudier dans quelle mesure les méthodes d'analyse multitableaux permettent de répondre effectivement aux questions posées par les écologues dans le cadre des études spatio-temporelles des écosystèmes aquatiques. Notre travail, fondé sur une synthese bibliographique et sur notre propre expérience acquise en traitant plusieurs jeux de données, a montré que ces méthodes permettent d'aborder dans un cadre rigoureux les problèmes d'identification de structures spatiales ou temporelles et l'étude de la permanence de ces structures dans le temps ou dans l'espace. Par ailleurs, ce travail a montré également l'apport dans de nombreux cas de ces méthodes par comparaison avec d'autres stratégies ou méthodes d'analyses de données plus couramment utilisées. En revanche, il s'est également révélé que dans certaines situations, l'utilisation des analyses multitableaux n'est pas forcement justifiée ou conduit à des résultats dont l'interprétation peut parfois être délicate. Finalement, l'intérêt des méthodes multitableaux apparaît fortement lié à l'objectif de l'étude et au degré de précision désiré par l'écologue lors de l'exploitation des résultats. En conclusion, nous pensons que la capacité de ces méthodes à répondre si précisément à autant de questions diverses concernant la permanence des structures fait qu'une diffusion plus large en écologie est fortement souhaitable.

La façon dont un organisme se déplace dans un paysage est déterminée par l’interaction entre son comportement de déplacement et la structure du paysage. Les modèles qui prédisent la répartition des ressources dans l’espace supposent initialement que la capacité à se déplacer est indépendante de la structure du paysage. C’est la préférence qu’ont les animaux pour certains types de ressources qui fait que la structure du paysage a un effet sur les habitudes de déplacement. Notre objectif dans ce mémoire est d’étudier les méthodes d’échantillonnage et d’analyse statistique permettant de modéliser l’effet des préférences qu’ont les animaux pour certains types d’habitats sur leur comportement de déplacement. À l’aide d’une étude par simulation, nous tentons de déterminer quels modes d’échantillonnage des données sur les déplacements des animaux permettent d’obtenir des inférences valides sur la sélection d’habitat lorsque les paramètres des modèles sont estimés par régression logistique conditionnelle. Mots-clés. bison ; étude cas-témoins ; fonction de sélection des ressources ; fonction de sélection des pas ; mouvements d’animaux ; noyau de relocalisation ; parc Prince- Albert ; régression logistique conditionnelle ; télémétrie.

En ecologie, une partie importante des problematiques de recherche de typologies conduit a l'echantillonnage de descripteurs biotiques ou abiotiques dans le temps et l'espace sous certaines conditions experimentales. Un cadre general des etudes de ce type peut donc etre elabore a l'aide des quatre dimensions ecologiques de base: les descripteurs, les lieux et dates d'echantillonnage et les conditions experimentales. La prise en compte de trois dimensions parmi quatre definit des problematiques dites ternaires dont on peut essayer d'etablir une typologie globale en considerant pour chacune des dimensions des niveaux d'apprehension (niveaux taxonomiques, echelles spatiales et temporelles, pratiques experimentales) que l'on peut ensuite mettre en relation (meme interet accorde a chaque niveau, preference accordee a un niveau particulier,). Inspiree de recentes propositions en morphometrie, une approche des etudes mises en uvre en ecomorphologie fournit une illustration du cadre general propose. Lorsque le plan d'observation est complet, l'etude des memes descripteurs dans les memes lieux a differentes dates permet l'obtention de donnees tridimensionnelles que l'on peut organiser sous une forme cubique formalisee par l'archetype lieux x descripteurs x dates. L'integration d'hypotheses ou contraintes ecologiques souleve le probleme des transformations applicables sur les donnees recueillies. Partant de l'examen des travaux effectues sur ce theme en ecologie vegetale dans un cadre bidimensionnel, nous exposons un large eventail de transformations qui correspondent aux multiples points de vue que l'on peut privilegier dans l'abord de donnees tridimensionnelles. En psychometrie, le besoin d'un traitement approprie de donnees cubiques a suscite le developpement d'une famille de methodes statistiques adequates. Au sein de cet ensemble, l'analyse en composantes principales a trois modes, introduite comme une extension de l'analyse en composantes principales (tucker, 1963), constitue un outil methodologique de choix (kroonenberg, 1983). Privilegiant une perspective historique, nous presentons les fondements mathematiques, les solutions algorithmiques successivement proposees et les proprietes statistiques associees. L'interet de la methode dans la mise en evidence d'interactions ternaires exprimant des structures complexes est ensuite teste sur divers jeux de donnees obtenus en limnologie, en ichtyologie et dans l'etude de la vegetation aquatique

En ecologie, les problemes d'analyse statistique des relations especes-environnement augmentent en quantite et en qualite (complexite). Malgre une diffusion importante de nombreux programmes, il persiste un desequilibre entre d'une part un flot intense et un niveau de complexite eleve des problemes biometriques, et d'autre part la productivite creative d'un corps limite d'experts en statistiques. Pour tenter de reduire ce desequilibre, nous abordons la gestion et l'exploitation des strategies statistiques, c'est-a-dire la modelisation des connaissances methodologiques dans les processus d'analyse statistique. Nous apprecions ce probleme a la lumiere du concept d'environnement cooperatif de resolution de problemes. D'une part il s'agit d'integrer de multiples composantes specialisees, complementaires et inter-communicantes. D'autre part il s'agit d'integrer des capacites de cooperation homme-ordinateur afin de permettre l'exploration des nuances entre le tout automatique et le tout manuel. Nous proposons un environnement, denomme carol, integrant trois composantes : (i) coleoptera, une base de connaissances relatives au domaine d'application. Elle est implantee en shirka. Nous presentons un modele de representation des strategies ecologiques des coleopteres aquatiques de france (ii) slot, une base de connaissances relatives aux methodes factorielles de la statistique descriptive. Cette composante est une interface intelligente entre l'utilisateur et des programmes externes. Implantes en scarp, elle utilise un modele de taches et les methodes du dialogue a initiative mixte dans l'exploitation d'une bibliotheque organisee des methodes statistiques ou dans son utilisation comme plate-forme de programmation (iii) digit, un logiciel qui aborde l'aspect graphique de la modelisation en couplant des methodes du graphisme dynamique a ces bases de connaissances. L'environnement carol, participe a l'effort de definition d'un dictionnaire virtuel des pratiques statistiques en ecologie