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Temporal and spatial evolution of the mixed layer in the southern Beaufort sea and the Amundsen Gulf.

Nahavandian Esfahani, Somayeh (2014). Temporal and spatial evolution of the mixed layer in the southern Beaufort sea and the Amundsen Gulf. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 223 p.

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Résumé

La couche mélangée, la couche de surface océanique dotée de propriétés physiques constantes en raison du mélange, joue un rôle important dans les études biologiques et de contaminants. La présente thèse se veut une tentative d'améliorer notre connaissance de l'océan Arctique à travers une étude des caractéristiques des couches mélangées dans le sud de la mer de Beaufort et dans le golfe d'Amundsen. La profondeur de la couche mélangée a été estimée à l'aide de cinq méthodes différentes et nous avons constaté que la plus appropriée pour notre région d'étude est une version modifiée de l'algorithme de Holte et Talley (2009). Notre étude est basée sur de nombreuses séries de données récentes et uniques recueillies dans le sud de la mer de Beaufort au cours des hivers 2003-2004 et 2007-2008, ainsi que pendant les étés et les automnes de 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 et 2009. Sa grande particularité est que nous présentons pour la première fois une analyse de deux années complètes de données obtenues en 2003-2004 et 2007-2008: ce sont les premières données hivernales recueillies dans la région. L'évolution temporelle et la répartition spatiale des profondeurs de la couche mélangée ont été étudiées dans quatre sous-régions, subdivisées à nouveau en eaux côtières (inshore, profondeur < 200 m) et hauturières (offshore, profondeur > 200 m). Il a été démontré que la couche mélangée est généralement plus profonde dans les zones offshore au cours de l'automne, en hiver et au printemps tandis qu'en été, elle est comparable dans les deux zones inshore et offshore. La profondeur de la couche mélangée était significativement plus profonde en 2007-2008 par rapport à toutes les autres années en raison d'un upwelling intense observé à l'automne 2007. Les différences entre les hivers de 2004 et 2008 sont également dues aux différentes couvertures de glace dans les régions à l'étude: la banquise côtière (landfast ice) en 2003-2004 versus la banquise de mer (drift ice) en 2007-2008. En outre, la profondeur de la couche mélangée est moindre au cours de l'été et, par la suite, elle s'approfondit progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne son épaisseur maximale en avril. L'étude de fonctions de distribution de probabilité ont montré que la distribution est la plupart du temps de type "bosse" (hump), ce qui signifie qu'il n'y avait qu'une seule gamme de profondeur préférée de la couche mélangée pour chaque région et saison. L'originalité de cette thèse réside dans l'approche que nous avons utilisée pour étudier l'évolution de la couche mélangée à partir d'une station fixe dans la baie de Franklin, dans le golfe d'Amundsen. Nous avons analysé le bilan de masse de la couche mélangée entre décembre 2003 et juin 2004 sur la base de l'approche de budget de chaleur d'Emery (1976), adaptée par Prieur et al. (2010). La seule hypothèse nécessaire est qu'il n'y a pas advection latérale non divergente. La beauté de cette approche est qu'elle ne nécessite que des profils verticaux de densité, obtenus à partir de plate-forme fixe ou de profileurs dérivants. Cette méthode nous permet également de comprendre, pour la première fois, l'effet important de l'advection verticale à la base de la couche mélangée. Cette méthode nous permet aussi de produire une estimation des taux de croissance de la glace de surface. L'analyse de quatre mois de concentrations de Chl a au-dessous de la glace a montré que la floraison printanière commence juste après que la couche mélangée ait atteint sa plus grande épaisseur au printemps et produit ses concentrations maximales environ un mois plus tard.

Abstract

The mixed layer, which is the oceanic surface layer with constant physical properties due to mixing, plays an important role in contaminant and biological studies. This thesis is an attempt to further enhance our knowledge of the Arctic Ocean through a study of the characteristics of the mixed layer in southern Beaufort Sea and Amundsen Gulf. The Mixed Layer Depth was estimated using five different methods and it was found that the most appropriate one for our study region was a modified version of the Holte and Talley (2009) algorithm. Our study is based on numerous recent, unique data sets gathered in southern Beaufort Sea during the winters of 2003-2004 and 2007-2008, as well as during the summers and falls of 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 and 2009. Its unique feature is the two complete years of data obtained during 2003-2004 and 2007-2008. The temporal evolution and the spatial distribution of the Mixed Layer Depths was studied in four subregions, further subdivided into inshore (depths < 200 m) and offshore (depths > 200 m) subregions. It was shown that the Mixed Layer Depth was generally deeper offshore during the fall, winter and spring, while in summer they are comparable in both regions. The Mixed Layer Depth was significantly deeper during 2007-2008 compared to all the other years due to a strong upwelling event in the fall of 2007. Differences between the winters of 2004 and 2008 are also due to the different ice covers in the study regions: landfast ice in 2003-2004 versus drifting ice floes in 2007- 2008. Furthermore, the Mixed Layer Depths were the shallowest during the summer and afterwards they gradually deepened until they reached their maximum thickness in April. Probability distribution functions showed that the distribution are mostly of the one "hump" variety, meaning that there was a single, preferred Mixed Layer Depth range for each region and season. The originality of this thesis lies in the approach we used to study the mixed layer evolution at a fixed station in Franklin Bay, Amundsen Gulf. We analyzed the mass budget of the mixed layer between December 2003 and June 2004, based on the heat budget approach of Emery (1976) and modified by Prieur et al. (2010). The only assumption needed was that there was no non-divergent lateral advection. The beauty of the approach is that it needs only vertical density profiles, from moored or drifting instruments. This method also enables us to include the important effect of the vertical advection at the base of the mixed layer and produces an estimate of the surface ice growth rates. The analysis of four months of under ice Chl a concentrations has shown that blooming starts just after the mixed layer has attained its largest thickness in the spring, and reaches its maximum concentrations about one month later.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gratton, Yves
Co-directeurs de mémoire/thèse: Prieur, Louis
Mots-clés libres: Mixed Layer Depth; MLD; Profondeur de la couche mixte; glace; méthodes d'estimation; distribution spatiale; évolution temporelle; flux atmosphériques; flux océaniques; mer de Beaufort; golfe d'Amundsen
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 17 mars 2015 20:20
Dernière modification: 15 nov. 2016 15:21
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2617

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