202 - Dynamique des océans et des glaces

Un élément clé dans l’adaptation aux changements climatiques en Arctique provient de notre capacité à prévoir la position et les propriétés de la glace de mer. L’étendue minimale de la couverture de glace de mer en septembre présente une forte tendance à la baisse tout en étant marquée par une importante variabilité interannuelle. De plus, de grands systèmes dynamiques, comme la gyre de Beaufort ou la dérive transpolaire, causent des particularités régionales distinctes au système de glace de mer. La présente étude porte sur la prévisibilité saisonnière du minimum de glace de mer à une échelle régionale. Un algorithme de traçage lagrangien (LITS-Lagrangian Ice Tracking System) basé sur les dérives de glace obtenues à partir d’observations satellitaires permet de suivre le mouvement de la glace de mer dans le temps. En utilisant cette méthode lagrangienne, nous quantifions le transport de glace loin des lignes côtières (divergence côtière). Le transport de glace loin des lignes côtières tard dans l’hiver (février-mai) crée des zones d’eau libre (polynies côtières), et la nouvelle glace qui s’y forme n’atteint pas une épaisseur suffisante pour survivre à la fonte de l’été. Le préconditionnement hivernal de la glace de mer permet une certaine prévisibilité du minimum de glace en septembre. Nous trouvons une corrélation statistiquement significative entre le flux régional de  glace et l’étendue régionale minimale de glace, pour différentes mers de l’océan Arctique. Un  exemple est donné pour la mer de Laptev, où nous identifions explicitement la formation de  glace de mer dans les polynies côtières durant les mois d’hiver et sa corrélation avec la  couverture de glace dans la mer de Laptev au minimum d’étendue de glace en septembre. 

L'atmosphère arctique est caractérisée par la présence très fréquente d'inversion de température près de la surface,  causée par un déficit radiatif à la surface ainsi que le transport de chaleur en provenance des moyennes latitudes.  Dans le contexte d'une réduction du couvert de glace en Arctique, les flux de surfaces sont modifiés, avec d'importants impacts sur les processus climatiques dépendants de la stabilité atmosphérique.  Utilisant des données de réanalyse et de modèles de climat globaux, nous observons un fort signal saisonnier dans les projections de changement de l'inversion, plus précisément des diminutions hivernales et augmentations estivales significatives.  Les diminutions projetées durant l'hiver sont liées à une diminution de l'épaisseur du couvert de glace, alors que les augmentations en été sont plutôt dues à un réchauffement atmosphérique dans les régions où la glace de mer est en fonte.  Bien que ces résultats soulignent l'impact du couvert de glace sur l'inversion arctique, une grande partie de la variabilité à petites échelles spatiales et temporelles reste non-quantifiée. L'étude préliminaires de la contribution atmophérique à la force de l'inversion montre une grande variabilité spatiale dans leur fréquence et durée de vie, et suggère un lien avec la fréquence des systèmes météos d'échelle synoptique.

Nous avons développé un système régional à 4-5km de résolution de prévision océan-glace (SRPOG) basé sur les modèles NEMO-CICE. Le système est maintenant tourné par les équipes opérationnelles du service météorologique du Canada. Le système produit des prévisions jusqu'à 48h, et ce quatre fois par jour, et produira à terme des alertes dans les eaux infestées de glace. Il inclut aussi des marées simulées et une représentation de la glace de rive basée sur la friction des quilles de glace contre le fond marin (Lemieux et al. 2015) et sur une augmentation de la résistance de la glace en tension et en cisaillement (Lemieux et al. 2016). Suivant un premier évaluation du service canadien des glaces, il a été noté des valeurs d'épaisseur de glace trop larges dans les régions à fortes marées. Le problème a été retracé --en partie-- à l'utilisation de la formulation de Rothrock (1975) dans le calcul de la résistance de la glace (en présence d'une représentation statistique de la glace en plusieurs catégories d'épaisseur par cellule de calcul du modèle). Nous avons utilisé à la place la formulation de Hibler (1979) qui ne considère que les valeurs moyennes pour toute la cellule de calcul de la concentration et du volume de glace. Ce changement, bien que marquant un pas en arrière en terme de complexité dans la description mathématique et statistique de la physique de la glace, résout malgré tout un second problème qui est la représentation à large échelle de l'épaisseur de glace, que l'on peut maintenant déduire de certaines missions satellitaires. Nous montrerons aussi quelques expériences idéalisées pour mieux saisir la différence entre les deux formulations de la résistance de la glace.
 

Les modèles classiques de circulation océanique considèrent la tension du vent comme specifiée (et souvent comme stationnaire dans le temps).  Des paramétrisations simples traitent la tension comme une fonction quadratique du vent à 10 m d'altitude.  Plusieurs études ont montré qu'une modification de cette paramétrisation qui tient compte de la vitesse de l'océan produit des circulations moins énergétiques.  Un argument simple suggère cet effet dissipatif est plus fort lorsqu'on inclut les fluctuations haute-fréquence du vent. Pourtant, ces fluctuations contribuent également aux basses fréquences dans la tension du vent. L'inclusion de ces fluctuations du vent a donc deux effets: elle augmente à la fois la dissipation et la forçage. Dans ce contexte, nous examinons les contributions relatives des differentes échelles temporelles du vent aux differents échelles temporelles de la tension du vent. 

La circulation thermohaline joue rôle crucial dans le système climatique puisqu’elle contrôle la quantité de chaleur et de CO2 emmagasinée dans l’océan. Malgré son rôle fondamental sur le climat, il existe encore aujourd’hui un écart très important entre les études théoriques, tentant de comprendre la dynamique fondamentale de la circulation themohaline, et les études plus réalistes, tentant de modéliser ou d’observer l’interaction entre la circulation thermohaline et le climat. Par exemple, la plupart des théories sur la circulation utilisent une intégrale longitudinale sur l’ensemble du globe et négligent ainsi les échanges entre les différents bassins océaniques. En analysant la circulation dans chacun des bassins séparément, on trouve que ces échanges entre bassins sont inversement proportionnels à l’amplitude de la circulation dans l’Océan Austral. Dans la limite où cette dernière circulation est nulle, la circulation thermohaline est formée d’une seule boucle s'étendant sur les deux bassins et connectée au sud un écoulement géostrophique entre chaque bassin.
 

Que ce soit dans les zones marginales ou dans les mers englacées de manière saisonnière, les vagues ont un impact important sur la dynamique de la banquise. Celles-ci participent très probablement à la réduction rapide de l’étendue de la banquise notamment en la fragmentant en floes de petites tailles, augmentant ainsi la fonte latérale, en modifiant l’albédo et en réduisant la résistance à la déformation. Bien comprendre et modéliser les processus en jeu reste toutefois compliqué par la grande hétérogénéité du couvert de glace, par la complexité des interactions et par la difficulté à observer ces processus aux échelles appropriées. Depuis 2014, une caméra autonome installée au sommet du Pic Champlain, situé sur la rive sud de l’estuaire du Saint-Laurent, permet l’observation à hautes résolutions spatiale et temporelle de la fragmentation et de la déformation du couvert de glace. Plusieurs évènements de rupture de la banquise par les vagues ont pu être enregistrés, ce qui a permis de suivre l’évolution temporelle de la taille et de la forme des floes produits. En 2016, des mesures additionnelles d’épaisseur de glace et de la propagation des vagues réalisées in situ à l’aide d’un canot à glace, de bouées et de mouillages nous ont permis de confirmer et de raffiner certains aspects de la théorie des interactions vagues-glace. Nous présenterons donc les principaux apprentissages que nous avons faits de ces observations et discuterons des raffinements possibles à apporter aux modèles d’interaction vagues-banquise.

La dynamique des marées en milieux côtiers est sujette à des changements importants causés par des interactions encore mal connues entre l’augmentation du niveau marin, l’expansion thermique des eaux due au réchauffement planétaire, et le déséquilibre isostatique des fonds marins en cours depuis la dernière glaciation. On attribue à ces causes l’augmentation séculaire de l’amplitude de la marée principale semi-diurne M2 observée par le biais de quatre stations marégraphiques situées autour du système résonant que forme la Baie de Fundy et le Golfe du Maine (~ 6 cm/siècle, de 1900-2010). Ici, le sujet est abordé d’un point de vue géophysique qui, à la base de mesures de la déformation des côtes qu’engendre la lourde charge des marées, confirme l’amplification de la marée M2 dans l’ensemble du système. De plus, un mécanisme de transfert d’énergie mécanique à l’interface eau-fond est élaboré, dans lequel la nature perméable des fonds marins est prise en compte. Ce mécanisme altère la condition d’adhérence et le terme de friction couramment utilisés dans les équations de Navier-Stokes visant à modéliser les régimes de marées en état de résonance. Ce transfert d’énergie peut être éphémère et, conséquemment, modifier la fréquence de résonance du système et donc moduler l’amplitude de lamarée prédominante.
 

En théorie thermodynamique des gaz (imparfaits) la fonction de partition canonique est une mesure de l’énergie d’un système de N particules qui interagissent deux à deux dans un volume V selon une fonction de potentiel Q ne dépendant que de la distance entre les particules. La fonction de partition grand canonique du système est alors la série génératrice exponentielle des fonctions de partition canonique. La méthode de Mayer fait apparaître la série génératrice de l’espèce des graphes simples, évalués par une fonction de poids W associé au potentiel. Cette approche permet d’interpréter et d’évaluer certains paramètres physiques. Par exemple, la pression du système, qui est essentiellement le logarithme de la fonction grand canonique, est alors la série génératrice des graphes connexes, pondérés par W. En prenant la limite thermodynamique, on obtient un nouveau poids w(c) pour chaque graphe connexe c et le énième coefficient du viriel le w-­poids total des graphes 2-­connexes de taille n. Il existe ;plusieurs variantes de cette théorie, selon la dimension du système et la fonction d’interaction Q. Ceci donne lieu dans chaque cas à un nouvel invariant w(c). Dans ce travail, nous calculons les poids de Mayer et de Ree-­Hoover de graphes particuliers ou de familles spéciales de graphes 2-­connexes, à partir de leur structure.