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Influence de la glace de mer Antarctique sur la circulation méridionale

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Gavelle, Matthieu (2018). Influence de la glace de mer Antarctique sur la circulation méridionale. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 87 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: La circulation méridionale est composée de deux cellules alimentées par la formation d'eau dense résultant de la convection profonde ayant lieu en hiver aux haute latitudes. Les échanges (ou flux) de densité entre l'océan, l'atmosphère et la glace de mer contrôlent cette convection profonde et déterminent en partie le transport associé à chacune des deux cellules. Dans la littérature récente, une majorité d'auteurs suggère que la glace de mer autour de l'Antarctique détermine la transition entre des flux de flottabilité négatifs (sous la glace) et positifs (au niveau de la surface libre au nord du couvert de glace). Cette transition est présumée fondamentale pour déterminer la séparation entre les deux cellules à la surface de l'océan Austral. Les eaux remontant à la surface sous le couvert de glace Antarctique deviennent plus denses sous l'effet d'un rejet de sel et coulent dans les profondeurs abyssales pour alimenter la cellule inférieure de la circulation méridionale. Au contraire, les eaux remontant à la surface libre de glace deviennent moins denses en contact avec l'atmosphère et reviennent vers le nord dans les couches superficielles du bassin Atlantique pour fermer la cellule supérieure de la circulation méridionale. Il est donc naturel de supposer que des variations du couvert de glace Antarctique vont affecter le parcours des masses d'eaux de la circulation méridionale. Un des principaux objectifs de notre étude est de vérifier cette hypothèse à partir d'un modèle numérique dans une configuration idéalisée disposant d'un canal circumpolaire périodique ainsi que d'un bassin océanique. Dans un premier temps, on démontre qu'il est possible d'obtenir une circulation réaliste dans une telle configuration en imposant en surface des flux de quantité de mouvement et des flux de densité inspirés par les observations. Pour cela, trois profils de diffusion verticale dits adiabatique, diabatique (pour comparer avec la littérature) et réaliste (soit adiabatique en surface et diabatique en profondeur) sont paramétrés, en parallèle avec un cycle saisonnier de certains forçages. Seul le profil réaliste permet d'obtenir une circulation composée de deux cellules distinctes et d'ampleurs du même ordre de grandeur. Dans cette configuration couplée avec un modèle de glace, l'hypothèse de recherche est réfutée: la transition entre couvert de glace et surface libre ne correspond pas avec la séparation des cellules de la circulation méridionale dans l'océan Austral. Cette séparation dépend directement de l'intensité des flux de flottabilité négatifs appliqués aux hautes latitudes de cette région. En effet, un couplage entre la variation de ces flux avec celle de la densité caractérisant la séparation des cellules est mis en évidence. Le second objectif principal de notre étude est d'observer puis comparer avec la littérature les périodicités caractérisant la variabilité interne de la circulation méridionale (ne dépendant pas des forçages appliqués) à moyen et long termes (soit de l'ordre de la dizaine et centaine d'années) avec la même configuration sur une période de 1000 ans. Pour cela, le flux de chaleur méridional à l'équateur a été considéré comme métrique de l'intensité de la circulation méridionale.
Cette période, déterminée dans le but de limiter l'apparition d'anomalies d'origine inexpliquée dans la variabilité survenant tous les 1500 ans environ, permet de mettre en évidence plusieurs périodicités multi-décennales (correspondant à des puissances relativement importantes sur le spectre de densité spectrale du transport méridien de chaleur) comprises entre 20 et 100 ans. Leur origine est la formation d'anomalies de densité en surface de l'océan Austral, influençant également le transport des deux cellules de la circulation méridionale. Cependant, la période n'est pas assez long pour permettre une étude poussée des périodicités multi-centennales, bien qu'une périodicité supérieure à 200 ans soit visible. La similitude entre les périodicités du flux de chaleur méridien obtenues ainsi que le développement d'anomalies de densité et de transport au sein de notre configuration idéalisée avec celles décrites dans la littérature au moyen de configurations plus complexes et réalistes valide les choix de paramétrisation initiaux du projet. Cependant, l'idéalisation de la configuration couplée à un modèle de glace entraine quelques lacunes dans le comportement de la couverture de glace, trop compacte et dénuée de polynies, inhibant la formation des anomalies ainsi que la variabilité interne de haute fréquence de la circulation. -- Mot(s) clé(s) en français : circulation méridionale, convection profonde, flux de flottabilité, cycle saisonnier, séparation des cellules, variabilité interne, flux de chaleur méridional, anomalies de densité. -- ABSTRACT: The meridional circulation is composed of two cells powered by dense water formation resulting from the deep convection taking place in high latitudes during winter. Density fluxes between the ocean, the atmosphere and the sea ice control this deep convection and the transport coupled to these two cells. In recent papers, a majority of authors suggests that the sea ice cover around Antarctica sets the transition between negative (under the ice) and positive (in open waters northward the ice cover) buoyancy fluxes. This transition is presumed to be essential to set the separation between the two cells at the surface of the Austral Ocean. Water masses upwelled under the Antarctic sea ice cover become denser as a result of the salt rejection from the forming ice and sink to the abyss to power the inferior cell of the meridional circulation. On the contrary, the density of the water masses upwelled in open waters decreases in contact with the atmosphere and go back northward to form the superficial layers of the Atlantic Ocean, closing the superior cell of the meridional circulation. Consequently it is natural to assume that variations of the sea ice cover of Antarctica will affect the course of the meridional circulation. One of the main objective of our study is to verify this hypothesis using a numerical model in an idealized configuration composed of a periodic circumpolar channel and an oceanic basin.
First we show that it is possible to get a realistic circulation in this configuration, forcing at the surface density and momentum fluxes inspired from observations. To do so, three different profiles of vertical diffusion called adiabatic, diabatic (to compare with the literature) and realistic (adiabatic at the surface and diabatic in the abyss) are set, coupled with a seasonal cycle of some forcings. Only the realistic profile enables the formation of a two-cells circulation with the same transport magnitudes. In this configuration coupled with a sea ice model, the research hypothesis is refuted: the transition between sea ice and open water does not match with the separation of the two cells of the meridional circulation in the Austral Ocean. This separation directly depends on the intensity of the negative buoyancy fluxes set in high latitudes of this area. Indeed, a coupling between the variations of these fluxes with the density characterizing the separation of the two cells is highlighted. The second main objective of our study is to observe and to compare with literature the internal variability periodicities of the meridional circulation (which do not depend on applied forcings) over the mid and long term scale (about the dozen and hundred years) with the same configuration over a period of about 1000 years. To do so, the meridional heat flux at the equator is used as metric of the meridional circulation intensity.
The integration period, determined to prevent the formation of anomalies in the internal variability of unknown origin every 1500 years, enables the observation of several multi-decadal periodicities (corresponding to relatively high powers on the spectral density spectrum of the meridional heat flux) between 20 and 100 years. Their origin is the formation of density anomalies at the surface of the Austral Ocean, also influencing the transports of the two cells of the meridional circulation. However, this integration period is not quite long enough to enable a complete study of multi centennial periodicities, although a periodicity higher than 200 years is observed. The similarity between the periodicities of the meridional heat flux and the density and transport anomalies of our idealized configuration and the ones outlined in the literature in more realistic and complex configurations validates the initial choice of parameters. However, the idealization of the configuration coupled with a sea ice model cause several deficiencies in the ice cover behavior, which is too compact and without polynies, inhibiting the formation of anomalies as well as the high frequency internal variability of the circulation. -- Mot(s) clé(s) en anglais : meridional circulation, deep convection, buoyancy fluxes, seasonal cycle, cells separation, internal variability, meridional heat flux, density anomalies.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Nadeau, Louis-Philippe
Information complémentaire : Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en océanographie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences.
Mots-clés : Circulation Meridional Cellule Convection Profond Flux Masse Eau Antarctique Glace Couvert Periodicite Variabilite
Départements et unités départementales : Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 23 déc. 2019 18:33
Dernière modification : 23 déc. 2019 18:33
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1538

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