Dynamique de la circulation estuarienne double arctique

Shink, Rosalie (2026). Dynamique de la circulation estuarienne double arctique. Thèse. [Rimouski], Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 86 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : La circulation océanique arctique joue un rôle important dans le réchauffement climatique aux hautes latitudes par le phénomène de rétroaction glace-albédo. Celui-ci est amplifié par l'augmentation des flux de chaleur atmosphériques et océaniques dans le bassin Arctique, eux-mêmes influencés par la circulation océanique arctique. Il est donc essentiel de mieux comprendre la dynamique interne de la circulation de renversement afin d'évaluer son influence sur la région. Selon la littérature, la circulation de renversement arctique serait formée de deux cellules. Une première, estuarienne, située dans la portion supérieure de la colonne d'eau et une deuxième, convective, se trouvant plus en profondeur. Cependant, les méthodes utilisées jusqu'à maintenant pour diagnostiquer la circulation de renversement met surtout en évidence la cellule convective et peu d'informations relatives à la cellule estuarienne peuvent en être extraites. Il est montré qu'avec l'utilisation de parcours reliant le détroit de Béring au détroit de Fram, les deux cellules peuvent être diagnostiquées simultanément. Pour évaluer la réponse de cette circulation dans le régime transitoire du réchauffement climatique, le modèle "Community Earth System Model" (CESM) et le scénario de réchauffement "Representative Concentration Pathway 8.5" (RCP8.5) ont été utilisés. Il est montré que la cellule convective est forcée par une combinaison des flux de flottabilité à la surface du bassin arctique et de l'influence de la stratification nord atlantique. L'intensité de la cellule estuarienne quant à elle est fortement corrélée avec l'intensité de la cellule convective, mais ne présente pas de corrélation claire avec l'apport en eau douce dans le domaine. Avec le réchauffement climatique, des signes d'atlantification ont pu être diagnostiqués. La cellule convective devient plus intense, se concentre plus proche de la surface et persiste tout au long de l'année, ce qui restreint le domaine vertical de la cellule estuarienne. À l'aide d'un modèle idéalisé de l'Arctique, les mécanismes de forçage de ces cellules ont été explorés. La formation et la fonte de glace de mer constituent le principal mécanisme de forçage de la cellule convective et influence grandement la cellule estuarienne. Le cycle saisonnier de la glace génère un cycle saisonnier de la circulation de renversement. En hiver, la formation de glace crée des eaux saumâtres en surface. Si celles-ci sont suffisamment denses, elles peuvent traverser l'halocline, aller jusqu'au fond du bassin et générer la cellule convective. En été, la fonte de glace et l'apport fluvial restaurent la stratification, ce qui renforce la cellule estuarienne. Si les flux de sel demeurent trop importants, la stratification ne sera pas restaurée et la circulation devient alors purement convective. Ainsi, selon l'intensité des flux de sel, trois régimes dynamiques existent : estuarien, double estuarien ou convectif. D'autres mécanismes de forçage, tels que la stratification dans les mers nordiques, le transport au détroit de Béring et l'intensité de l'anticyclone de Beaufort, renforcent la stratification, ce qui favorise la cellule estuarienne. Dans ce cas, pour maintenir l'intensité de la cellule convective, le flux de sel à la surface doit augmenter de façon à permettre aux isopycnales de remonter jusqu'à la surface et maintenir le volume de création des eaux profondes. Finalement, une augmentation de la diffusivité renforce la cellule estuarienne puisqu'elle est forcée par le mélange. Finalement, grâce au modèle idéalisé les flux de chaleur océaniques et leur influence sur la température moyenne du bassin arctique ont pu être étudiés. Il est montré que le transport de chaleur au détroit de Fram est fortement corrélé à l'intensité de la cellule convective. Cette tendance se reflète dans la température moyenne au-dessus de l'halocline. Pour des circulations de type estuarien, la température moyenne de l'ensemble du bassin est plus chaude en raison de l'import d'eaux atlantiques chaude en profondeur. Dans le cas de la circu ation estuarienne double, la cellule convective apporte des eaux refroidies en surface vers le fond du bassin diminue la quantité de chaleur moyenne. Dans le cas d'une circulation estuarienne double dominée par la convection, la convection des eaux de surface froides vers le fond est contrebalancé par le transport de chaleur à Fram qui devient éventuellement dominant et augmente la température moyenne. -- Mot(s) clé(s) en français : Arctique, Circulation de renversement, Dynamique, Forçage, Flux de chaleur, Atlantification. --
ABSTRACT : The arctic ocean's circulation plays a significant role in warming at high latitudes due to its influence on atmospheric and oceanic heat import into the arctic basin which influences the albedo feedback mechanism. Therefore, to better understand the influence of the arctic ocean on the local climate it is important investigate the internal dynamics of the oceanic circulation. According to the literature, the arctic's overturning is composed of two cells. An estuarine cell is located in the upper portion of the water column sitting above a convective cell. The traditional method of diagnosis of the overturning along meridians favors the convective cell and provides little information about the estuarine cell. We show that both cells can be simultaneously diagnosed by integrating the circulation along an axe going from Bering Strait to Fram Strait. To assess the response of the overturning circulation under a transient regime such as global warming the Community Earth System Model (CESM) and the Representative Concentration Pathway 8.5 (RCP8.5) forcing scenario were used. It is shown that the convective cell is forced by a combination of surface buoyancy fluxes and influenced by North Atlantic stratification. The intensity of the estuarine cell is strongly correlated with the intensity of the convective cell. No clear correlation between the estuarine cell and freshwater input was found as it was established with the idealized model. Under climate warming, signs of Atlantification were detected. The convective cell strenghtens, shallows, and persists year-round, thereby constraining the estuarine cell closer to the surface. With this diagnostic method in hand and using an idealized Arctic model, the forcing mechanisms of each of the two cells were explored. The cycle of sea ice formation and melt was found to be the main forcing mechanisms of the convective cell and to strongly influence the estuarine cell. Moreover, the seasonal cycle of sea ice is reflected into the overturning circulation. In winter, sea ice formation creates brine rejection and dense surface waters. If those are dense enough, they can break the halocline, sink to the bottom of the basin and create the convective cell. In summer, ice melt and river runoff provide freshwater at the surface and restratify the water column thereby strengthening the estuarine cell. For large salt fluxes, the stratification is no longer restored in summer and the circulation becomes purely convective. Therefore, depending on the intensity of the surface buoyancy fluxes, the circulation can be estuarine, double estuarine or convective. The Nordic Seas stratification, transport at Bering Strait, and the strength of the Beaufort High, all previously suggested forcing mechanisms of the circulation, reinforce stratification in the Arctic basin, favoring the estuarine cell. For the convective cell to maintain the same intensity, surface salt flux must increase to compensate for the stronger halocline. Finally, increasing the diffusivity strengthens the estuarine cell, which is known to be forced by mixing, and does not influence de convective cell. Finally, using the idealized model, the oceanic heat fluxes and their influence on the mean temperature of the Arctic Basin were examined. The heat transport through Fram Strait is strongly correlated with the intensity of the convective cell. This relationship is reflected in the mean temperature above the halocline. However, the basin-wide mean temperature is warmer for purely estuarine circulations due to the import of Atlantic waters at depth. For double estuarine circulations, the convection of cooled surfaced waters to the bottom of the basin reduces the mean temperature until this effect is outweighed by heat transport through Fram Strait as the convective cell gains in intensity, and eventually becomes the dominant factor for heat content. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Arctic, Overturning circulation, Dynamics, Forcing, Heat flux, Atlantification.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Nadeau, Louis-Philippe
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor.
Mots-clés :	Estuaires - Béring, Détroit de - Hydrodynamique; Estuaires - Fram, Détroit de - Hydrodynamique; Circulation océanique - Arctique.
Départements et unités départementales :	Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Date de dépôt :	17 sept. 2026 15:34
Dernière modification :	17 sept. 2026 15:34
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3632