Tesis sobre el tema "Glace de mer – Arctique – Mesure"

En Arctique, les conséquences du réchauffement climatique sont plus fortes que partout ailleurs sur le globe : ainsi, l’augmentation de la température de l’air depuis deux décennies y est plus de deux fois plus élevée que l’augmentation moyenne, selon le dernier rapport du GIEC. La banquise témoigne de ces changements de façon privilégiée. On observe une diminution importante de la couverture de glace de mer, associée à une perte de volume entoute saison. La glace de mer devient plus jeune, fragile et mobile. Cette évolution de la banquise a fait entrer l’Arctique dans un nouvel état où les interactions air/neige/glace/océan sont modifiées et difficiles à appréhender. Mieux comprendre et prévoir ces changements nécessite des observations et des modèles numériques performants pour simuler correctement les interactions entre la glace de mer et les autres composantes qui commandent le climat de l’Arctique. Dans ce contexte de changement climatique, l’objectif de cette thèse est d’analyser des séries d’observations collectées principalement en hiver par des bouées dérivantes IAOOS -Ice Atmosphere Arctic Ocean Observing System- (équipées de SIMBAs -SAMS Ice MassBalance for the Arctic-) pour comprendre quels processus déterminent l’évolution récente de la glace de mer en Arctique. En plus d’une analyse des observations “per se”, des simulations numériques sont réalisées à partir du modèle unidimensionnel de glace et de neige LIM1D (Louvain-la-Neuve sea Ice Model)
In the Arctic, the consequences of global warming are stronger than anywhere else on the planet : the increase in air temperature over the last two decades is more than twice the average increase, according to the latest IPCC report. The evolution of the ice pack is a prime example of these changes. We observe a significant decrease in sea ice cover, associated with a loss of volume in all seasons. The sea ice becomes younger, more breakable, and more mobile. These changes in sea ice have brought the Arctic into a new state where air/snow/ice/ocean interactions are altered and difficult to apprehend. More observations and efficient numerical models are required to better understand and predict these changes and to correctly simulate the interactions between sea ice and the other components that control the Arctic climate. In this climate change context, the objective of this thesis is to analyze observations mainly collected in winter by IAOOS -Ice Atmosphere Arctic Ocean Observing System- drifting buoys (equipped with SIMBAs -SAMS Ice Mass Balance for the Arctic-), to understand which processes determine the recent Arctic sea ice evolution. We confront these analyses with numerical simulations made from the one-dimensional ice and snow model LIM1D (Louvain-la-Neuve sea Ice Model)

La banquise joue un rôle majeur dans la circulation océanique ainsi que dans le système climatique et météorologique. Dans un contexte de réchauffement climatique, où l’étendue de la banquise arctique ne cesse de décroître depuis les 40 dernières années, le suivi et la surveillance de l’Arctique est essentiel. Les instruments micro-ondes à bord de satellites permettent l’étude de cette région terrestre par tous les temps, indépendamment du cycle jour/nuit. Particulièrement adaptées à l’observation des régions polaires où la présence de nuages est importante et où la nuit polaire dure six mois, les observations satellites micro-ondes sont la pierre angulaire des estimations des paramètres géophysiques de la banquise. Néanmoins, la compréhension de la physique sous-jacente aux signatures micro-ondes observées est encore partielle. Cette thèse a pour but d’améliorer notre compréhension des signaux micro-ondes de la banquise et se place dans le cadre de la préparation de deux prochaines missions d’observation de la Terre menée par l’Agence Saptiale Européenne : le Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) et le Copernicus polaR Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). Dans une première partie, les covariabilités des signaux micro-ondes passifs, mis en avant par une technique de classification non supervisée, seront analysées et interprétées conjointement avec des signaux micro-ondes actifs à l’aide d’un modèle de transfert radiatif micro-onde spécifique à la banquise. Les résultats ont montré qu’il est possible d’identifier les comportements spécifiques de la concentration et de l’épaisseur de la glace de mer, et de la structure de la neige. L’importance du métamorphisme au sein du manteau neigeux pour l’interprétation des signaux micro-ondes passifs a été mis en évidence. Dans une deuxième partie, un algorithme d’estimation de l’épaisseur de la glace de mer à partir d’observations micro-ondes passives a été développé en utilisant une technique d’intelligence artificielle. Les résultats ont été comparés à des mesures in situ d’épaisseur de glace de mer et ont aussi montré de bonnes performances en comparaison à d’autres produits satellitaires d’épaisseur de glace de mer. En appliquant l’algorithme à une longue collection de données satellitaires intercalibrées, une série temporelle d’épaisseur de glace de mer arctique a été construite entre 1992 et 2020, ce qui en fait la plus longue à ce jour. Une dernière partie traite des techniques altimétriques micro-ondes pour la mesure des paramètres géophysique de la banquise. Une analyse de la sensibilité des formes d’ondes altimétriques micro-ondes à l’épaisseur du manteau neigeux de la banquise arctique est menée
Sea ice plays a major role in ocean circulation as well as in the climate and weather system. In the context of global warming, the extent of the Arctic sea ice has been decreasing steadily over the last 40 years and monitoring of the Arctic is essential. Microwave instruments on board satellites allow the study of this region of the Earth under all weather conditions, and regardless of the day/night cycle. Particularly suited over polar regions with high cloud cover and a six-month polar night, microwave satellite provide key observations for estimating geophysical parameters of the sea ice. Nevertheless, the understanding of the physics underlying the observed microwave signatures is still partial. This thesis aims at improving our understanding of the microwave signals of the sea ice and is part of the preparation of two upcoming Earth observation missions led by the European Space Agency: the Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) and the Copernicus Polar Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). In a first part, the covariabilities of passive microwave signals, highlighted by an unsupervised classification technique, will be analyzed and interpreted jointly with active microwave signals, using a microwave radiative transfer model. The results showed that it is possible to identify specific behaviors of sea ice concentration and thickness, and snow structure. The importance of metamorphism within the snowpack for the interpretation of passive microwave signals was highlighted. In a second part, an algorithm for estimating sea ice thickness from passive microwave observations was developed using an artificial intelligence technique. The results were compared to in situ sea ice thickness measurements and also showed good performance compared to other satellite-based sea ice thickness products. By applying the algorithm to a long collection of intercalibrated satellite data, a time series of Arctic sea ice thickness was constructed between 1992 and 2020, making it the longest to date. A final section deals with microwave altimetry techniques for measuring geophysical parameters of the sea ice. The sensitivity of microwave altimetry waveforms to the thickness of the snow cover of the Arctic sea ice is analyzed

L’oxyde nitreux (N2O) est un gaz à effet de serre dont la présence dans la stratosphère contribue aussi à la destruction de l’ozone. Le but de cette étude, était de déterminer la présence de N2O dans la glace de mer de l’océan Arctique et d’évaluer l’impact de cette source potentielle sur l’atmosphère. Les concentrations totales de N2O dans les derniers 10 cm de la glace de mer et dans l’eau de surface sous-jacente au couvert de glace ont été quantifiées dans la mer de Beaufort de mars à avril 2008. Nos mesures ont mis en évidence des concentrations totales en N2O faibles et constamment sous-saturées par rapport à l’eau de surface sous-jacente au couvert de glace (ca. 40%) et à l’atmosphère (ca. 30%). Nous expliquons cette sous saturation par un rejet de la saumure riche en N2O lors de la formation de la glace à l’automne et à l’hiver. La glace de mer pourrait donc représenter une source de N2O pour l’atmosphère arctique pendant ces périodes.
Nitrous oxide (N2O) is a greenhouse gas which also plays a role in stratospheric ozone depletion. The objective of this study was to demonstrate the presence of N2O in Arctic sea ice, and to quantify the impact of this potential source to the atmosphere. Bulk concentrations of N2O in the bottom 10 cm of the sea ice and in the underlying surface waters were measured in the Beaufort Sea from March to April 2008. Our sea ice measurements revealed low N2O bulk concentrations with N2O being consistently undersaturated with respect to the underlying surface water (ca. 40% saturation) and the atmosphere (ca. 30% saturation). The most plausible mechanism to explain the low N2O sea ice concentrations is a loss of N2O via brine rejection during sea ice formation in autumn and winter. Sea ice could thus act as a source of N2O via brine rejection during sea ice formation in autumn and winter.

La glace de mer Arctique connaît actuellement de profondes mutations dans sa structure et sa variabilité. Le déclin récent de la couverture estivale de glace de mer Arctique, qui a atteint un nouveau record en septembre 2012, a relancé l'intérêt stratégique de cette région longtemps oubliée. La prévision de glace de mer à l'échelle saisonnière est ainsi un problème d'océanographie opérationnelle qui pourrait intéresser nombre d'acteurs économiques (pêche, énergie, recherche, tourisme). De plus, en tant que conditions aux limites pour l'atmosphère, la glace de mer peut induire une prévisibilité de l'atmosphère à l'échelle saisonnière, au même titre que les anomalies de température de surface de l'océan sous les tropiques. Nous présentons dans cette thèse la construction d'un système de prévisions saisonnières dédié à la glace de mer Arctique avec le modèle couplé CNRM-CM5.1, développé conjointement par le CNRM-GAME et le CERFACS. Nous passons en revue la stratégie d'initialisation, la réalisation et l'évaluation des hindcasts (ou rétro-prévisions). La communauté dispose d'observations de concentration de glace de mer, mais de très peu de données d'épaisseur à l'échelle du bassin. Afin d'initialiser la glace de mer et l'océan dynamiquement et thermodynamiquement, nous avons choisi d'utiliser la composante océan-glace de mer de CNRM-CM5.1, NEMO-GELATO. L'initialisation consiste à forcer NEMO-GELATO avec les champs météorologiques issus de la réanalyse ERA-Interim, sur la période 1990-2010. Des corrections appliquées aux forçages basées sur des observations satellitaires et in-situ nous permettent d'obtenir une bonne simulation de l'océan et de la glace de mer en terme d'état moyen et de variabilité interannuelle. L'épaisseur reste néanmoins sous-estimée. Quelques propriétés de prévisibilité intrinsèque de la glace de mer Arctique sont ensuite présentées. Une étude de prévisibilité potentielle diagnostique nous a permis de distinguer deux modes de prévisibilité de la glace de mer à l'aide du volume et de la structure sous-maille d'épaisseur. Un " mode de persistance " concerne la prévisibilité de la couverture d'hiver. La surface de glace de mars est potentiellement prévisible à 3 mois à l'avance par la seule persistance, et dans une moindre mesure à l'aide des surfaces couvertes par la glace relativement fine. Un " mode de mémoire " concerne la prévisibilité de la couverture estivale. La surface de glace de septembre est potentiellement prévisible jusqu'à 6 mois à l'avance à l'aide du volume et surtout de la surface couverte par la glace relativement épaisse. Ces résultats suggèrent donc qu'une bonne initialisation du volume et de la structure d'épaisseur en fin d'hiver permettrait une bonne prévisibilité des étendues de fin d'été. Les prévisions d'été et d'hiver présentent des scores particulièrement encourageants, que ce soit en anomalies brutes ou en anomalies par rapport à la tendance linéaire. Cela suggère une prévisibilité liée à l'état initial et non aux forçages externes imposés. L'analyse des prévisions d'été montre que le volume et les structures d'épaisseur de l'état initial expliquent l'essentiel des différentes prévisions, ce qui confirme l'existence du " mode de mémoire " malgré un fort biais radiatif. L'analyse des prévisions d'hiver suggère que l'étendue initiale explique une partie des différentes prévisions, un indice du " mode de persistance " des prévisions hivernales. Une analyse régionale des prévisions d'hiver permet de préciser le rôle de l'océan dans ces prévisions, et montre dans quelle mesure nos prévisions pourraient être utilisées de manière opérationnelle, notamment en mer de Barents

La glace de mer Arctique connaît actuellement de profondes mutations dans sa structure et sa variabilité. Le déclin récent de la couverture estivale de glace de mer Arctique, qui a atteint un nouveau record en septembre 2012, a relancé l'intérêt stratégique de cette région longtemps oubliée. La prévision de glace de mer à l'échelle saisonnière est ainsi un problème d'océanographie opérationnelle qui pourrait intéresser nombre d'acteurs économiques (pêche, énergie, recherche, tourisme). De plus, en tant que conditions aux limites pour l'atmosphère, la glace de mer peut induire une prévisibilité de l'atmosphère à l'échelle saisonnière, au même titre que les anomalies de température de surface de l'océan sous les tropiques. Nous présentons dans cette thèse la construction d'un système de prévisions saisonnières dédié à la glace de mer Arctique avec le modèle couplé CNRM-CM5.1, développé conjointement par le CNRM-GAME et le CERFACS. Nous passons en revue la stratégie d'initialisation, la réalisation et l'évaluation des hindcasts (ou rétro-prévisions). La communauté dispose d'observations de concentration de glace de mer, mais de très peu de données d'épaisseur à l'échelle du bassin. Afin d'initialiser la glace de mer et l'océan dynamiquement et thermodynamiquement, nous avons choisi d'utiliser la composante océan-glace de mer de CNRM-CM5.1, NEMO-GELATO. L'initialisation consiste à forcer NEMO-GELATO avec les champs météorologiques issus de la réanalyse ERA-Interim, sur la période 1990-2010. Des corrections appliquées aux forçages basées sur des observations satellitaires et in-situ nous permettent d'obtenir une bonne simulation de l'océan et de la glace de mer en terme d'état moyen et de variabilité interannuelle. L'épaisseur reste néanmoins sous-estimée. Quelques propriétés de prévisibilité intrinsèque de la glace de mer Arctique sont ensuite présentées. Une étude de prévisibilité potentielle diagnostique nous a permis de distinguer deux modes de prévisibilité de la glace de mer à l'aide du volume et de la structure sous-maille d'épaisseur. Un « mode de persistance » concerne la prévisibilité de la couverture d'hiver. La surface de glace de mars est potentiellement prévisible à 3 mois à l'avance par la seule persistance, et dans une moindre mesure à l'aide des surfaces couvertes par la glace relativement fine. Un « mode de mémoire » concerne la prévisibilité de la couverture estivale. La surface de glace de septembre est potentiellement prévisible jusqu'à 6 mois à l'avance à l'aide du volume et surtout de la surface couverte par la glace relativement épaisse. Ces résultats suggèrent donc qu'une bonne initialisation du volume et de la structure d'épaisseur en fin d'hiver permettrait une bonne prévisibilité des étendues de fin d'été. Les prévisions d'été et d'hiver présentent des scores particulièrement encourageants, que ce soit en anomalies brutes ou en anomalies par rapport à la tendance linéaire. Cela suggère une prévisibilité liée à l'état initial et non aux forçages externes imposés. L'analyse des prévisions d'été montre que le volume et les structures d'épaisseur de l'état initial expliquent l'essentiel des différentes prévisions, ce qui confirme l'existence du « mode de mémoire » malgré un fort biais radiatif. L'analyse des prévisions d'hiver suggère que l'étendue initiale explique une partie des différentes prévisions, un indice du « mode de persistance » des prévisions hivernales. Une analyse régionale des prévisions d'hiver permet de préciser le rôle de l'océan dans ces prévisions, et montre dans quelle mesure nos prévisions pourraient être utilisées de manière opérationnelle, notamment en mer de Barents
Sea ice experiences some major changes in the early 21st century. The recent decline of the summer Arctic sea ice extent, reaching an all-time record low in September 2012, has woken renewed interest in this remote marine area. Sea ice seasonal forecasting is a challenge of operational oceanography that could benefit to several stakeholders : fishing, energy, research, tourism. Moreover, sea ice is a boundary condition of the atmosphere. As such, as tropical sea surface temperature, it may drive some atmosphere seasonal predictability. The goal of this PhD work was to set up a dedicated Arctic sea ice seasonal forecasting system, using CNRM-CM5.1 coupled climate model. We address the initialization strategy, the creation and the evaluation of the hindcasts (or re-forecasts). In contrast to sea ice concentration, very few thickness data are available over the whole Arctic ocean. In order to initialize sea ice and the ocean dynamically and thermodynamically, we used the ocean-sea ice component of CNRM-CM5.1, named NEMO-GELATO, in forced mode. The initialization run is a forced simulation driven by ERA-Interim forcing over the period 1990-2010. Corrections based on satellite data and in-situ measurements leads to skilful simulation of the ocean and sea ice mean state and interannual variability. Sea ice thickness seems overall underestimated, based on the most recent estimates. Some characteristics of sea ice inherent predictability are then addressed. A diagnostic potential predictability study allowed us to identify two regimes of predictability using sea ice volume and the ice thickness distribution. The first one is the 'persistence regime', for winter sea ice area. March sea ice area is potentially predictable up to 3 months in advance using simple persistence, and surface covered by thin ice to a lesser extent. The second one is the 'memory regime', for summer sea ice area. September sea ice area is potentially predictable up to 6 months in advance using volume and to a greater extent the area covered by relatively thick ice. These results suggest that a comprehensive winter volume and thickness initialization could improve the summer forecasts. Summer and winter seasonal hindcasts shows very encouraging skills, in terms of raw and detrended anomalies. These skills suggest a predicatibility from initial conditions besides predictability due to the trend. Summer forecasts analysis shows that the volume and the ice thickess distribution explains a high fraction of the variance of predicted sea ice extent, which confirms the existence of the 'memory regime'. Winter forecasts also suggest the 'persistence regime'. A regional investigation of the winter hindcast helps precising the role of the ocean in the forecasts, and shows to what extent our system predictions could be used operationally, especially in the Barents Sea

En Arctique, la productivité marine comprend deux floraisons successives de producteurs primaires, les algues deglace et le phytoplancton, qui sont étroitement liée à la phénologie de la glace de mer. Ceux-ci constituent la base du réseau trophique et fournissent l’énergie transférée vers les niveaux trophiques supérieurs. Ainsi, tout changement affectant la banquise arctique aura de fortes implications sur la phénologie des producteurs primaires, et affectera par conséquent tous les autres niveaux trophiques. Des études antérieures ont démontré le potentiel des Isoprénoides Hautement Ramifiés (HBIs) pour quantifier les contributions relatives des deux pools de producteurs primaires vers les niveaux trophiques supérieurs. Ici, nous combinons les HBIs avec les isotopes stables afin (i) d’évaluer si et à quel point les oiseaux marins arctiques dépendent de la glace de mer, et (ii) de déterminer si les variations de glace affectent leur écologie alimentaire et leur performance reproductive. L’étude cible deux espèces abondantes en Arctique présentant des écologies distinctes: le guillemot de Brünnich (Uria lomvia) et le fulmar boréal (Fulmarus glacialis). Pour chaque espèce, 60 œufs ont été récoltés sur l’île du Prince Leopold (Arctique canadien) pendant des années aux conditions de glace fortement contrastées (2010-2013). Les distributions en HBIs et les compositions isotopiques (carbone et azote) et énergétiques ont été analysées pour chaque œuf. Les résultats montrent que la présence de glace est bénéfique pour la performance reproductive des guillemots, avec des œufs plus gros et plus énergétiques pondus durant les années plus englacées. Les guillemots sont étroitement liés à la banquise et dépendent fortement de proies associées à la glace. Au contraire, les fulmars ne présentent aucune association claire aux communautés sympagiques, et les variations du couvert de glace n’affectent ni leur écologie alimentaire ni leur performance reproductive. De fait, les guillemots semblent plus vulnérables face aux changements climatiques à venir, alors que des espèces plus résilientes comme les fulmars pourraient en tirer avantage. Dans l’ensemble, notre étude souligne l’importance des approches multi-biomarqueurs afin de mieux appréhender l’importance des ressources sympagiques pour les prédateurs supérieurs au sein d’écosystèmes marins arctiques en pleine mutation.
In the Arctic, sea ice sets the clock for marine productivity. This includes two consecutive pulses of primary producers, sea-ice algae and phytoplankton, that constitute the basis of marine food webs and provide the energy transferred to higher trophic levels. As such, any change affecting Arctic sea-ice will have strong implications on the phenology of primary producers, and cascading effects on all other trophic levels. Previous studies demonstrated the potential of Highly Branched Isoprenoid biomarkers (HBIs) to quantify the relative contributions of the two pools of primary producers to higher trophic levels. Here, we combined HBIs with stable isotopesto (i) evaluate if and how much arctic seabird rely on sea ice, and (ii) determine if changes in sea ice affect their feeding ecology and reproductive performance. We focused on two Arctic species exhibiting contrasting ecologies: the thick-billed murre (Uria lomvia) and the northern fulmar (Fulmarus glacialis). For each species, 60 eggs were collected on Prince Leopold Island (Canadian Arctic) during years of highly contrasting ice conditions (2010-2013). Eggs were analysed for HBI distributions, isotopic (carbon and nitrogen) and energetic compositions. Results showed that murres were closely linked to sea ice and heavily relied on ice-associated prey. Sea ice presence was beneficial for murres’ reproductive performance, with larger and more energetic eggs laid during icier years. In contrast, fulmars did not exhibit a clear association with sympagic communities. Even large changes in sea ice did not seem to affect their feeding ecology or their reproductive performance. Murres therefore appear more vulnerable to changes and may become the losers of future climate shifts in the Arctic, while more resilient species such as fulmars might make the most of the situation. Overall, our study emphasises the importance of combining different biomarkers to better understand the importance of sympagic resources for top predators within changing Arctic marine ecosystems

Les observations spatiales d'extension de glace de mer montrent que la banquise arctique a fortement réduit au cours des 40 dernières années, avec une nette tendance à l'accélération depuis la fin des années 1990. Bien que les processus expliquant cette fonte accélérée soient en partie compris, les modèles de banquise ne reproduisent pas clairement les variations d'extension observées. Cette mauvaise représentation des modèles est généralement attribuée à une méconnaissance des rétroactions climatiques. Parmi ces rétroactions, nous souhaitons nous intéresser à l'une d'entre elles en particulier: l'amincissement de la glace de mer. Cet amincissement est généralement associé à une fonte plus précoce et à une accélération de l'export de glace. L'amélioration de la représentation de l'épaisseur de banquise est donc nécessaire pour mieux comprendre les variations d'extension de banquise observées au cours des dernières décennies. Contrairement aux données d'extension de banquise, il n'existe pas à l'heure actuelle de données d'épaisseur de glace à l'échelle du Bassin Arctique couvrant une longue période (> 20 ans). En revanche, de multiples études ont montré qu'il était possible d'estimer l'épaisseur de glace à l'échelle du Bassin Arctique à partir de l'altimétrie spatiale. Pour mesurer l'épaisseur de glace par altimétrie, on emploie généralement la technique du "franc-bord". Cette méthode consiste à estimer par altimétrie spatiale l'épaisseur de glace émergée (le franc-bord) et à convertir cette mesure en épaisseur totale en résolvant l'équation d'hydrostatique qui existe entre la glace recouverte de neige et l'océan. La méthode du franc-bord a été appliquée à diverses missions altimétriques (ERS-2, Envisat et CryoSat-2) depuis 1995 et devrait ainsi pouvoir fournir une série temporelle d'épaisseur de glace de plus de 20 ans. Cela dit, il n'existe à ce jour aucune série temporelle d'épaisseur de glace couvrant plus de 6 années. Cette absence d'une longue série temporelle est principalement due à un manque de continuité de la mesure du franc-bord liée à l'évolution des techniques radar (altimétrie conventionnelle/altimétrie SAR) ainsi qu'aux incertitudes liées à la conversion du franc-bord en épaisseur de glace. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectifs d'analyser les biais inter-missions de franc-bord et d'améliorer la conversion du franc-bord en épaisseur de glace en exploitant au mieux la mesure altimétrique. Pour remplir ces objectifs, un travail de fond est réalisé sur l'interaction de la mesure radar avec l'environnement de la banquise (neige, rugosité, etc). Les résultats de l'analyse de la mesure radar sur la banquise permettent d'établir la plus longue série temporelle d'épaisseur de glace de mer disponible à ce jour (2002-2016). L'analyse de cette série temporelle montre que la banquise s'est amincie en moyenne de 0.013(± 0.09) m/an au cours de la période 2002-2016. Cet amincissement est principalement attribué à la réduction de surface de glace pérenne ayant eu lieu au cours de la même période. La forte incertitude associée à cette tendance est quant à elle attribuée à l'importante variabilité inter-annuelle de l'épaisseur de banquise arctique
Satellite observations have shown that the arctic sea ice extent has strongly decreased during the last 40 years, with a clear increase of the shrinking since the 90's. While the mechanisms responsible for this accelerated shrinking are relatively well known, sea ice models do not clearly reproduce the observed extent variations. This inaccurate representation is generally attributed to a misunderstanding of the arctic system climate feedbacks. Among these feedbacks, we seek to study one of them in particular: the sea ice thinning. Sea ice thinning is generally associated with an earlier seasonal melt as well as an increase in sea ice export; both tend to accelerate the sea ice retreat. A good representation of sea ice thickness is therefore necessary to improve our understanding of the arctic sea ice extent variations observed during the last decades. Unlike sea ice extent data, there are currently no pan-Arctic sea ice thickness observations covering a large period (> 20 years). However, several studies have demonstrated the potential of satellite altimetry to retrieve sea ice thickness at a basin scale. To measure sea ice thickness from radar altimetry, the "freeboard" technique is generally employed. This methodology consists of estimating the thickness of the emerged sea ice (freeboard) from radar altimetry and then converting this measurement to sea ice thickness, using an equation for the hydrostatic equilibrium that exists between the snow covered sea ice and the ocean. The freeboard methodology has been applied to diverse altimetric missions (ERS-2, Envisat and CryoSat-2) since 1995 and should allow the retrieval of more than 20 years of pan-Arctic ice thickness. However, the previous estimates of sea ice thickness are data shorter than 6 years in duration. This absence of a long ice thickness time series is mostly due to the difficulty in providing continuity between the different altimetric missions (conventional altimetry/SAR altimetry) as well as to the uncertainties related to the freeboard-to-thickness conversion. In this context, this thesis makes an analysis of the freeboard inter-mission biases and improves the freeboard-to-thickness conversion in order to produce long term ice thickness estimates. To achieve these goals, a thorough analysis of the interaction between the radar signal and the sea ice parameters (snow, roughness, etc) is performed. The analysis of the radar signal physics over sea ice allows to derive the longest time series of arctic sea ice thickness ever established to this day (2002-2016). The analysis of this time series shows that sea ice has thinned from 0.013(± 0.09) m/year in average during the 2002-2016 period. The ice thinning is mainly attributed to the loss of perennial sea ice that occurred during the same period while the high uncertainty associated with this trend is associated to the important inter-annual variability of arctic sea ice thickness

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016
L'objectif principal de cette étude était de quantifier, à la base de la glace de mer de première année dans l’archipel Arctique canadien, la variabilité spatiale des principales réactions biologiques du cycle de l'azote, soit l'assimilation du nitrate et de l'ammonium, la nitrification, l'ammonification et la fixation de N₂ afin d’en comparer les taux et de les relier à la variabilité des conditions environnementales du milieu. Les flux d'azote quantifiés ont démontré une grande variabilité selon les conditions biologiques, physiques et chimiques de la glace. La productivité du milieu, estimée par la concentration en biomasse, modulait un grand nombre de ces flux, dont l’intensité relative était généralement semblable pour l'ensemble des sites échantillonnés malgré la variabilité des conditions environnementales. L’ammonification s’est avérée particulièrement importante, favorisant une assimilation conséquente de l’ammonium et une production essentiellement régénérée. Les résultats de cette étude approfondissent la compréhension des mécanismes régulant les flux biologiques d’azote dans la glace de mer et pourront servir à l’élaboration de scénarios futurs en resserrant la paramétrisation des modèles biogéochimiques.

L'objet de cette thèse est la compréhension des mécanismes contrôlant la variabilité spatio-temporelle de la concentration de glace de mer (SIC) en mer du Groenland, l'un des sites de formation d’eau dense de l’Atlantique Nord. Cette variabilité est caractérisée à partir des données satellitaires de concentration de glace obtenues par radiométrie hyperfréquence sur la période 1979-2007, en se concentrant sur la période convective (hiver et printemps). Trois modes de variabilité sont identifiés avec une forte dominance du premier mode qui représente 70% de la variance de la SIC dans la région. Les liens statistiques de ces modes avec les forçages atmosphériques sont examinés à partir des réanalyses du centre européen. On montre l'importance de la variabilité du vent méridien sur le mode dominant de SIC par son impact sur la dérive d’Ekman et un lien avec la température de surface de l’air mettant en jeu la rétroaction de la glace sur l’atmosphère via les flux de chaleur. Une étude complémentaire basée sur une classification en régimes de temps de Cassou et al. (2004) montre une réponse préférentielle de la SIC à la phase négative de la NAO. La construction d’un jeu de données hydrologiques homogène sur la période 1982-2006 a permis d’examiner le lien statistique entre les modes de variabilité de la SIC et l’activité convective dans le gyre du Groenland identifiée à partir d’un critère de stratification de la colonne d'eau. On met en évidence une corrélation significative entre la variabilité de la convection et le second mode de variabilité de la SIC associant un faible englacement dans le centre du bassin à une forte activité convective.

Le moment de démarrage de la fonte sur la glace de mer (Snow Melt Onset, SMO) a un impact sur la fonte intégrale de la glace de mer au cours de l'été et sur le volume résiduel de la glace à la fin de l'été polaire. La variabilité interannuelle et régionale de la SMO, est régulée par des flux de chaleur sur la glace. Une SMO précoce (retardé) est seulement et entièrement conditionnée par une accumulation de chaleur intense/hâtive (lente/tardive). Des observations satellitaires (SSM/I) démontrent que le démarrage de la fonte apparente (Melt Onset, MO) varie de 20-30 jours sur une distance de 25-50 km et d'une année à l'autre. Notre analyse des séries temporelles MO a révélé que ces données constituent une combinaison de la SMO (sur la glace) avec l'ouverture divergente dans les champs de glace (sans aucune fonte préalable). Pour extraire la SMO à partir de la MO il a fallu prendre en compte les concentrations de glace de mer. Les séries temporelles des flux de chaleur radiatifs et turbulents (ERA Interim) ont été appliqués pour examiner si elles peuvent expliquer les variations dans la SMO. Nous avons établis que les anomalies de bilan de flux (avant la fonte) expliquent une part importante de la variabilité interannuelle et régionale dans SMO en Arctique central. Le flux thermique radiatif a représenté/restitué les variations dans SMO mieux que d'autres termes de flux. Le rôle de la chaleur latente et sensible dans la fonte précoce (tardive) s’est manifesté par la perte réduite (renforcée) de la chaleur. Le rayonnement solaire n'a pas eu d'effet sur la variabilité de la SMO. Les anomalies des flux ont ensuite été examinées en relation avec les conditions météorologiques
Timing of spring Snow Melt Onset (SMO) on Arctic sea ice strongly affects the heat accumulation in snow and ice during the short melt season. This summertime heat uptake is quasi-linearly and inversely proportional to the remnant ice volume by the end of the melt season. On top of sea ice SMO timing, as well as its interannual and regional variations are controlled by surface heat fluxes. Anomalously early (delayed) SMO is due to large and early (weak and retarded) heat accumulation within the snowpack. Satellite passive microwave (SSM/I) observations show that the \textit{apparent} Melt Onset (MO) varies by 20-30 days interannually and over 25-50 km distance. These apparent MO records appear to be a complex blend of SMO on sea ice and sea ice opening due to divergent ice drift. We extracted SMO out of the apparent MO record using sea ice concentration data. Applying 20-year ERA Interim reanalysis of radiative and turbulent surface heat fluxes we examined how well the heat fluxes reflect the variations in SMO. Anomalies of heat fluxes in the pre-melt period explained a significant portion of the interannual and spatial variations in SMO within the central Arctic. The main term was the downward longwave radiation locally accounting for up to 90\% of the temporal SMO variations. The role of the latent and sensible heat fluxes in earlier/later SMO was not to bring more/less heat to the surface but to reduce/enhance the surface heat loss. Solar radiation alone was not an important factor for SMO timing. Anomalies in surface fluxes were examined also in relation to meteorological conditions. 20-year MO and SMO trends are towards earlier spring melt in the central Arctic Ocean

Les processus dynamiques et thermodynamiques du couplage glace-ocean sont etudies a l'aide d'une hierarchie de modeles numeriques. Un modele thermodynamique de glace de mer ou le flux de chaleur oceanique est impose revele l'influence de ce flux sur le cycle saisonnier d'epaisseur de la glace. L'influence de la derive de la glace sur les bilans locaux de fonte-congelation est examinee a l'aide d'un modele dynamique-thermodynamique de glace de mer

Les polynies côtières ont un impact sur la circulation océanique et le système climatique. Ces régions constituent un lieu de formation d'eau dense par rejet de sel suite à la formation de glace. Les propriétés des ces eaux denses ont une forte variabilité interannuelle liée aux processus océaniques, cryosphériques et atmosphériques. La thèse porte sur l'étude de ces processus dans la polynie du Storfjord (Svalbard). Les observations hydrographiques de haute fréquence recueillies dans le fjord en Mars 2007 sont au coeur des analyses menées au cours de cette thèse. Des observations satellitales de concentration en glace ont été utilisées en liaison avec des simulations numériques: un modèle a été développé afin d'estimer la production de glace et le rejet de sel. Les conditions hydrographiques ont été caractérisées. La «Brine Enriched Shelf Water » formée en 2007 est plus dense que la moyenne des observations historiques. Afin de replacer ces observations dans un cadre plus large, des images de concentration en glace ont permis de quantifier l'activité de la polynie. Les observations ont aussi révélé deux phénomènes intéressants: (i) la présence d'eau super-refroidie et (ii) un épisode de rejet de sel issu de la glace. Les processus océaniques à haute fréquence conduisant à du mélange diapycnal ont été caractérisés. Le premier d'entre eux, faisant intervenir les marées barotropes et la génération de marée barocline, constitue une source d'énergie cinétique turbulente nécessaire au mélange. Le second processus, le rejet de saumures, se produit de manière sporadique en hiver mais l'intensité du mélange en résultant est supérieur de deux ordres de grandeur.

L'étude a pour objectif d'estimer la quantité de saumures produites dans Storfjorden, par rejet de sel lors de la formation des glaces de mer. Pour cela, nous avons couple des observations d'sar d'ers-2 des glaces de mer, avec des simples modèles de dérive et de production de glace et des observations in situ. A l'aide de relevés hydrographiques pré- et post-hivernaux, les masses d'eaux, leur transformation et les courants sont décrits, et en particulier, l'augmentation en salinité liée aux saumures, induisant une circulation thermohaline locale. L'observation de la couverture de glace pendant l'hiver 1997-1998 a montre l'évolution d'une vaste banquise côtière, couvrant la partie peu profonde au nord de 78\ n, et de polynies récurrentes qui s'ouvrent sous l'effet des vents du nord, de la banquise côtière jusqu'au seuil du fjord a 77\ n. Les images sar ont été classées manuellement en banquise côtière, polynie et floes de première année. Les estimations de la polynie ont été interpolées par un modèle de dérive de glace. Sa composition en eau libre et jeune glace a été déterminée en supposant l'accumulation du frasil en une couche mince de jeune glace sur le bord de la polynie. L'application d'algorithmes de production de frasil dans l'eau libre et d'épaississement de la jeune glace, de la banquise côtière et des floes permis d'estimer une production de 40 km 3 de glace, dont deux tiers sont formes à l'intérieur des polynies qui ne couvrent en moyenne que 15% du fjord. . .

Une des sources majeures d'incertitudes à propos de nos connaissances sur les mécanismes gouvernant la croissance du phytoplancton dans les régions englacées arctiques est liée aux interactions entre banquise, lumière et phytoplancton arctique. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces interactions et de révéler les sources principales d'incertitude dans les modèles du système Terre. Je montre d'abord que la période d'eau libre arctique est majoritairement contrôlée par le cycle solaire et par les échanges thermodynamiques entre océan et atmosphère durant l'été. Selon les projections climatiques, elle devrait augmenter et se décaler vers l'automne. J'évalue ensuite le schéma de transfert radiatif du modèle d'océan, NEMO, dans la zone de banquise arctique. Je montre que le rayonnement transmis sous la banquise est aujourd'hui fortement sous-estimé, en raison notamment d'une surestimation de l'atténuation par la neige et par les premiers centimètres de l'océan couvert de banquise. Je définis, enfin, un diagnostic pour décrire le cycle saisonnier de la lumière disponible dans la zone de glace, et j'étudie son impact sur le phytoplancton simulé par le modèle biogéochimique, PISCES. Il reste néanmoins, de larges incertitudes pour comprendre la relation entre ce diagnostic et la croissance du phytoplancton
Large weaknesses remain considering our understanding of the drivers of phytoplankton growth in Arctic sea ice zone, especially due to large uncertainties in the interactions between sea ice, light and phytoplankton.The aim of this PhD thesis is to better understand these interactions and to highlight the main uncertainties considering these interactions in Earth System Models. I first show that the ice-free period is mainly led by the solar irradiance cycle and by the ocean-atmosphere thermodynamic exchanges during summer. It is consequently projected to extend into fall in the future. Then, I evaluate the radiative transfer scheme in the ocean model NEMO, in arctic sea ice zone. I show that NEMO largely underestimates the transmitted shortwave radiation in ice-covered waters, especially due to the overestimation of the snow and the first level of the ocean attenuation. I finally define a diagnostic to describe available light seasonality in the sea ice zone and I study the impact of this diagnostic on simulated phytoplankton in the bio-geochemistry model PISCES. However, large uncertainties remain in the study of the relation between this diagnostic and the phytoplankton growth. This is especially due to the non-linearity between available light and phytoplankton growth and also due to the lake of knowledge about the phytoplankton physiology

La banquise arctique est une plaque de glace flottant à la surface de l'océan sur plusieurs millions de km2. La variation spatiale et temporelle de son épaisseur contrôle les échanges d'énergie mécanique et thermique entre l'atmosphère et l'océan. De ce fait, la banquise est une sorte d'isolant pour l'océan arctique, qui lui même joue un rôle déterminant dans la circulation thermohaline de l'océan mondial, et par voie de conséquence sur le climat de la planète.
On observe une disparition significative et progressive de la banquise depuis environ un demi siècle, disparition qui s'est accélérée au cours des dernières années, a tel point qu'elle dépasse les prévisions les plus alarmistes des modèles les plus sophistiqués.
Nous montrons dans cette thèse que cette sous-estimation pourrait être le résultat de l'utilisation d'un cadre de modélisation inadéquat : en considérant la banquise comme un milieu continu fluide, les modèles actuels ne parviennent pas a reproduire, entre autres, les propriétés d'intermittence et d'hétérogénéité de son champs de déformation que nous mettons en évidence. De ce fait, la fracturation de la banquise, bien que largement observable sur le terrain et/ou par satellite, n'est pas correctement reproduite. Or, elle apparait comme essentielle au regard de son contrôle sur le caractère isolant décrit plus haut.
Dans ce travail, nous suggérons également d'adopter un nouveau schéma de modélisation, considérant la banquise comme une plaque rigide ayant un comportement mécanique elasto-fragile.

Dans l'océan Arctique, la stratification est déterminée par la salinité, contrairement aux océans des latitudes moyennes qui sont stratifiés par la température. En d'autres termes, en Arctique, les eaux salées se retrouvent au fond, même si elles sont plus chaudes. La halocline de l'océan Arctique correspond à une couche épaisse de 100-200m avec de forts gradients verticaux de salinité et est située entre 100 et 350m de profondeur. Elle s'insère entre la glace de mer située en surface et la couche relativement chaude des eaux Atlantiques. La halocline isole ainsi la glace du réservoir de chaleur contenu dans la couche Atlantique sous-jacente, et constitue un élément clé pour le maintien de la couverture de glace de mer. Durant cette thèse, nous avons étudié l'évolution de la halocline de l'océan Arctique depuis 2007, en utilisant plusieurs outils : des mesures hydrographiques obtenues à partir de plateformes dérivantes autonomes ou de campagnes en mer, et les simulations du modèle numérique de haute résolution spatiale (« PSY4 »)
In the Arctic Ocean, stratification is determined by salinity, unlike the mid-latitude oceans which are stratified by temperature. In other words, in the Arctic, salty water ends up at the bottom, even if it is warmer. The halocline of the Arctic Ocean is a 100-200m thick layer with strong vertical salinity gradients and is located between 100 and 350m depth. The halocline lies between the sea ice at the surface and the relatively warm Atlantic water. The halocline thus insulates the ice from the heat reservoir contained in the underlying Atlantic layer, and is a key element for the maintenance of the sea ice cover. During this thesis, we studied the evolution of the Arctic Ocean halocline since 2007, using several tools: hydrographic measurements obtained from autonomous drifting platforms or from sea campaigns, and high spatial resolution numerical model simulations ("PSY4")

L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 millions de kilomètres carré. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale.Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise, afin de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collecté lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance à travers la banquise.Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2kg-1 à moins de 3 m2kg-1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu'une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, et marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d'éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 600 ngg-1 de poussières minérales et 10 nng-1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’à des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 uEm-2s-2. Ces variations d’éclairement sont causées par le métamorphisme et la fonte de la neige en surface
The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 millions km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale.This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow.During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2kg-1 to less than 3 m2kg-1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 660 ngg-1 of mineral dust and 10 ngg-1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 uEm-2s-2. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface

La mer de Barents possède un écosystème particulièrement riche. Elle est affectée par le changement climatique actuel, comme le reste de l'Arctique. L'effet le plus visible et le plus connu est la réduction spectaculaire de la banquise. On examine dans cette thèse les répercussions de ces changements sur l'hydrologie et le phytoplancton en mer de Barents. Pour cela, on s'appuie sur la création d'une base de données historiques comprenant les paramètres hydrologiques et bio-géochimiques. Un modèle 3D bio-géochimique spécifique à l'écosystème arctique est aussi utilisé quand les observations sont manquantes. Enfin, les données satellites fournissent des séries temporelles de concentration de glace, de Chlorophyle-a...La mer de Barents est caractérisée par un front polaire séparant les eaux atlantiques issues des mers Nordiques des eaux arctiques dont la position est connue à l'ouest de 35°E. Nous avons pu montrer que ce front se sépare en deux branches dans l'Est du bassin: le front du Nord et le front du Sud. Ces fronts enferment les eaux de la mer de Barents qui se forment en hiver. Un doublement du volume des eaux atlantiques (une " Atlantification " de la mer de Barents), a aussi été mise en évidence. Elle accompagne un déplacement des fronts Nord et Sud vers le Nord-est. Le volume des eaux de la mer de Barents reste inchangé.Ces changements, affectant l'hydrologie et la glace de Mer, ont un impact significatif sur le phytoplancton. Les deux efflorescences qui le caractérisent ont lieu plus au Nord et à l'Est. La biomasse totale annuelle a augmenté de 40% lors des deux dernières décennies. Ce travail montre que les conditions de glace de mer et la structure frontale sont les paramètres clefs dirigeant la variabilitéinter-annuelle du phytoplancton
The Barents Sea has a particularly rich ecosystem. This is an Arctic region subject to intense climate changes. The drastic decrease in sea ice cover is the most visible effect. What are the impacts of these climatic changes on the hydrology and phytoplankton? In order to answer these questions, this thesis relies on the creation of an extensive historical database of physical and bio-geochemical parameters. A 3D bio-geochemical model with an Arctic specific ecosystem is used when observations are lacking. At least, remote sensing data provides valuable time series of Ice concentration, Chlorophyll-a... The Polar Front, separating the Atlantic Water coming from the Nordic Sea from the Arctic Water, is the principal feature of the Barents Sea region. Its position is known west of 35°E, but we showed that the polar front splits into two branches in the East part of the Barents Sea: the "Southern Front" and the "Northern Front". They enclose the winter locally formed Barents Sea Water. An “Atlantification”, illustrating a doubling of the Atlantic Water volume, has been evidenced and goes along with a North-eastward shift of the fronts. These hydrological and sea ice changes have a significant impact on the phytoplankton development. The two blooms of the Barents Sea occur further North and East with a 40% total anual biomass increase for the last two decades. This study suggests that the winter sea ice conditions and the frontal structure are the key mechanisms driving the inter-annual phytoplankton variability

C'est sans doute en Arctique que le changement climatique est le plus visible, et semble affecter toutes les composantes du système Arctique, et notamment ses bilans d'eau douce et de chaleur. Alors que l'on s'attend à ce que le signal d'un changement local en Arctique ait son impact climatique le plus important lorsqu'il est exporté au sud d'un coté ou de l'autre du Groenland vers les mers subarctiques, où il peut moduler l'intensité de la circulation thermohaline, l'objectif de cette thèse est donc d'étudier les échanges de volume, de chaleur, d'eau douce et de glace de l'Océan Arctique vers l'Atlantique Nord. Tout d'abord, une simulation réaliste des années 1958 à 2002 basée sur un modèle global couplé glace/océan est utilisée pour étudier la variabilité du bilan d'eau douce en Arctique, afin de comprendre quelle composante de ce bilan contrôle les variations du contenu halin du bassin. On s'intéresse également à la variabilité des exports d'eau douce vers l'Atlantique Nord, et on montre que les exports d'eau douce vers l'Atlantique sont contrôlés par des mécanismes différents de part et d'autre du Groenland: dans les détroits canadiens, le transport de volume domine la variabilité, alors que salinité et courants contribuent à la variabilité dans le détroit de Fram. Par la suite, une réanalyse océanique des années récentes nous permet d'explorer les conséquences pour le contenu halin de l'Arctique du minimum record de l'extension de glace de l'été 2007. Une méthode numérique originale est ensuite utilisée pour comprendre l'origine des masses d'eau qui sont exportées de l'Arctique vers l'Atlantique Nord. On effectue ainsi une analyse lagrangienne qualitative à partir des sorties 3D mensuelles climatologiques d'un modèle global couplé glace/océan à haute résolution, qui permet de quantifier les contributions relatives des différentes branches de circulation à ces exports, ainsi que les échelles de temps et les transformations de masses d'eau associées. Un schéma complet de la circulation dans le bassin Arctique est ainsi proposé, et nous soulignons le rôle clé de la mer de Barents pour les transformations des eaux d'origine Atlantique. Enfin, nous examinons l'influence relative des différents forçages atmosphériques (vent, flux de chaleur et halins) sur les variations du volume de glace en Arctique. Des expériences de sensibilité sont réalisées à l'aide d'un modèle régional de l'Arctique et l'Atlantique Nord, permettant de mieux comprendre les distributions spatiales et temporelles des contributions des différents forçages atmosphériques.

La mer de Barents possède un écosystème particulièrement riche. Elle est affectée par le changement climatique actuel, comme le reste de l'Arctique. L'effet le plus visible et le plus connu est la réduction spectaculaire de la banquise. On examine dans cette thèse les répercussions de ces changements sur l'hydrologie et le phytoplancton en mer de Barents. Pour cela, on s'appuie sur la création d'une base de données historiques comprenant les paramètres hydrologiques et bio-géochimiques. Un modèle 3D bio-géochimique spécifique à l'écosystème arctique est aussi utilisé quand les observations sont manquantes. Enfin, les données satellites fournissent des séries temporelles de concentration de glace, de Chlorophyle-a...La mer de Barents est caractérisée par un front polaire séparant les eaux atlantiques issues des mers Nordiques des eaux arctiques dont la position est connue à l'ouest de 35°E. Nous avons pu montrer que ce front se sépare en deux branches dans l'Est du bassin: le front du Nord et le front du Sud. Ces fronts enferment les eaux de la mer de Barents qui se forment en hiver. Un doublement du volume des eaux atlantiques (une " Atlantification " de la mer de Barents), a aussi été mise en évidence. Elle accompagne un déplacement des fronts Nord et Sud vers le Nord-est. Le volume des eaux de la mer de Barents reste inchangé.Ces changements, affectant l'hydrologie et la glace de Mer, ont un impact significatif sur le phytoplancton. Les deux efflorescences qui le caractérisent ont lieu plus au Nord et à l'Est. La biomasse totale annuelle a augmenté de 40% lors des deux dernières décennies. Ce travail montre que les conditions de glace de mer et la structure frontale sont les paramètres clefs dirigeant la variabilitéinter-annuelle du phytoplancton
The Barents Sea has a particularly rich ecosystem. This is an Arctic region subject to intense climate changes. The drastic decrease in sea ice cover is the most visible effect. What are the impacts of these climatic changes on the hydrology and phytoplankton? In order to answer these questions, this thesis relies on the creation of an extensive historical database of physical and bio-geochemical parameters. A 3D bio-geochemical model with an Arctic specific ecosystem is used when observations are lacking. At least, remote sensing data provides valuable time series of Ice concentration, Chlorophyll-a... The Polar Front, separating the Atlantic Water coming from the Nordic Sea from the Arctic Water, is the principal feature of the Barents Sea region. Its position is known west of 35°E, but we showed that the polar front splits into two branches in the East part of the Barents Sea: the "Southern Front" and the "Northern Front". They enclose the winter locally formed Barents Sea Water. An “Atlantification”, illustrating a doubling of the Atlantic Water volume, has been evidenced and goes along with a North-eastward shift of the fronts. These hydrological and sea ice changes have a significant impact on the phytoplankton development. The two blooms of the Barents Sea occur further North and East with a 40% total anual biomass increase for the last two decades. This study suggests that the winter sea ice conditions and the frontal structure are the key mechanisms driving the inter-annual phytoplankton variability

La glace de mer saisonnière représente un environnement dynamique et biologiquement productif des régions polaires. La forte activité microbiologique associée à la glace de mer se traduit par une production de sulfure de diméthyle (DMS) souvent exceptionnelle. Le DMS est un gaz biogène soufré impliqué dans la régulation du climat via l’impact refroidissant de ses produits d’oxydation dans l’atmosphère. Cette thèse a pour objets d’étude la répartition et la dynamique du DMS dans la zone de banquise de première année en Arctique pendant la période de fonte printanière. L’ensemble des travaux de recherche présentés ici met en évidence l’ubiquité du DMS dans cet écosystème au coeur duquel la glace de première année exerce un rôle prépondérant. Mes résultats montrent que la communauté microbienne à la base de la banquise est à l’origine de concentrations de DMS parmi les plus élevées rapportées à ce jour dans les océans polaires. Ce réservoir de DMS dans la glace basale participe à l’enrichissement direct de l’océan sous la banquise, mais aussi potentiellement à un flux de DMS vers l’atmosphère. Suivant le déclin des algues de glace à la fin du printemps, les floraisons de phytoplancton sous la glace peuvent aussi être à l’origine d’une augmentation des concentrations océaniques de DMS. Mes résultats montrent que les mares de fonte qui se forment à la surface de la banquise représentent également des sources importantes de DMS pour l’atmosphère arctique. Les concentrations de DMS mesurées dans ces mares de fonte s’élevaient jusqu’à 12 nmol l-1, soit 4 fois la moyenne globale de l’océan de surface. Mes recherches indiquent que le potentiel de production du DMS par ces mares de fonte repose sur leur salinisation et leur ensemencement en algues via les canaux de saumures de la glace sous-jacente. Dans l’ensemble, les mesures effectuées au cours de cette thèse contribuent à mettre en évidence la diversité et l’importance des sources de DMS associées à la glace de première année au printemps en Arctique. Il est primordial d’inclure l’ensemble de ces flux de DMS de la banquise saisonnière dans les modèles climatiques régionaux et globaux. Enfin, mes résultats suggèrent que le remplacement graduel de la glace pluriannuelle par de la glace saisonnière résultera en une augmentation des émissions de DMS depuis la zone de glace saisonnière.
Seasonal sea ice represents a dynamic and episodically productive environment in the Polar Regions. This high biological productivity translates into the accumulation of exceptionally high concentrations of dimethyl sulfide (DMS). DMS is a biogenic sulfur-containing gas involved in the regional climate regulation through its influence on aerosols and clouds formation. This thesis focuses on DMS distribution and dynamics within the Arctic seasonal sea ice during the melt period. Together, my results highlight the ubiquity of DMS within the ice-associated ecosystem, and the determinant role played by sea ice in the DMS cycle in ice-covered regions. DMS concentrations reported in bottom sea ice are amongst the highest ever observed in polar oceans and throughout the marine environment. This pool of bottom ice-DMS enriches the under-ice ocean and potentially acts as a source of atmospheric DMS as it diffuses upward through interior sea ice. Following the decay of the sea ice algal bloom, phytoplankton growth under the ice may lead to a second increase of pelagic DMS concentrations. My results show that melt ponds that form atop sea ice following snow melt are also sources of DMS for the arctic atmosphere. Melt ponds were observed to accumulate DMS concentrations up to 12 nmol l-1, hence four-fold the global ocean surface average DMS concentration. Results from incubations experiments conducted during my thesis indicate that DMS production in melt ponds is initiated upon algal and salt intrusion via the underlying brine network during the melt season. Together, my results contribute to highlighting the importance and diversity of iceassociated DMS sources within the Arctic Ocean. DMS fluxes from seasonally ice-covered ocean should be accounted for in future global and regional models. Finally, my results suggest that gradual replacement of perennial sea ice with seasonal sea ice in the Arctic would result in an increase of DMS emission from the ice-covered ocean.

Les Eaux Atlantiques (AW) sont cruciales pour le budget de sel et de chaleur de l'Arctique. Ce doctorat apporte de nouvelles informations sur l'entrée des AW dans la région du nord Svalbard. Les plateformes IAOOS ont collecté pendant la campagne N-ICE2015 les premières données hydrographiques d'hiver de la région. Elles ont documentées des eaux chaudes peu profondes sur le talus continental du Svalbard qui ont généré des flux de chaleur océan-glace atteignant 400 W/m2 et faisant fondre la glace. Cette chaleur est amenée des AW vers la surface par des ondes quasi-inertielles causées par des tempêtes hivernales, de grandes marées barotropes sur des pentes raides et/ou des ajustements géostrophiques. Les extensions de glace sont très différentes entre 2015 et 2016. Les sorties du modèle opérationnel de Mercator Ocean (1/12°) suggèrent que les flux de chaleur orientés vers la surface et induits par la convection expliquent ces différences. En plus de la Svalbard Branch et de la Yermak Branch, le modèle présente un chemin robuste l'hiver à travers le plateau du Yermak: la Yermak Pass Branch. Enfin, le modèle suggère une activité méso-échelle importante le long du courant des AW. Les propriétés de la Yermak Pass sont examinées avec un an de données ADCP (2007-2008) dans la Yermak Pass. Le courant est dominé par la marée. En hiver, des tourbillons baroclines d'AW avec une périodicité de 5-10 jours et des entrées sporadiques d'AW tous les un/deux mois sont observés, transportant les AW vers l'Est. Le modèle suggère que la Yermak Pass Branch est une structure robuste d'hiver les 10 dernières années et transporte en moyenne 31% du transport volumique du West Spitsbergen Current
The Atlantic Water (AW) inflow is crucial for the heat and salt budget of the Arctic. This PhD thesis brings new insights to the inflow of AW in the area north of Svalbard. The IAOOS (Ice Atmosphere Ocean Observing System) platforms were deployed during the N-ICE2015 expedition which gathered the first winter hydrographic data in the area. They document shallow warm water over the Svalbard continental slope that melts sea ice with ice-ocean heat fluxes reaching up to 400W.m-2. Heat is brought from the AW layer up to the surface through near-inertial waves generated by winter storms, large barotropic tides over steep topography and/or geostrophic adjustments. Sea ice extent largely differs between winters 2015 and 2016. 1/12° operational model outputs from Mercator-Ocean suggest that convection-induced upward heat fluxes explain the differences. Model outputs are also used to examine the AW inflow pathways : besides the Svalbard Branch and the Yermak Branch, the model shows an AW winter pathway not much documented before : the Yermak Pass Branch across the Yermak Plateau. Finally, the model suggests an important mesoscale activity throughout the AW flow. The Yermak Pass Branch properties are examined using one-year (2007-2008) of moored ADCP data in the Yermak Pass. The flow is largely dominated by tides. In winter, baroclinic eddies of AW with a periodicity of 5 to 10 days and pulses of AW monthly/bimonthly are found, carrying AW eastward through the Pass. Model outputs suggest that the Yermak Pass Branch is a robust winter pattern over the last 10 years, carrying on average 31% of the volume transport of the West Spitsbergen Current

L’étendue hivernale de la banquise en mer de Barents n’a cessé de diminuer, et un certain nombre d’études suggèrent que cette diminution pourrait coïncider avec des hivers très froids en Europe et Asie. L’eau Atlantique (AW) transportée vers la mer de Barents, se réchauffe. En mer de Barents, l’AW se transforme en Barents Sea Water (BSW), plus froide et moins salée. Etudier cette dernière nous permet d’en savoir plus sur l’influence de la saisonnalité de la banquise Arctique sur la stratification et la circulation de l’océan.Tout d’abord, nous utilisons des observations satellites pour localiser le Front Polaire (PF) qui matérialise la limite entre la BSW et l’eau Arctique. Nous établissons que l’étendue de la banquise était indépendante du PF jusqu’au milieu des années 2000, jusqu’à ce que le réchauffement de l’AW commence à limiter l’extension de la banquise hivernale au sud du front. Ensuite, en combinant données satellites et in situ, nous montrons que l’on peut surveiller ‘à distance’ les propriétés de la BSW : les variations de la température de surface de l’océan sont ainsi corrélées à celles du contenu en chaleur de la mer de Barents qui, associées à celles de la hauteur stérique, permettent également d’estimer son contenu en eau douce.Pour finir, nous utilisons un modèle à haute résolution pour calculer les bilans de volume, transport et flux des masses d’eau. Le volume de la BSW atteint un minimum en 1990 et 2004 : l’étendue de glace de mer hivernale ayant fondue l’été suivant était alors conséquente, résultant notamment d’une masse d’AW plus froide. L’événement de 2004 a permis une entrée massive d’AW, de plus en plus chaude, dans la mer de Barents
Winter sea ice has declined in the Barents Sea and there is growing evidence that the low sea ice here coincides with cold, winter surface air temperature in Europe and Asia. Atlantic Water (AW) transported into the Barents Sea is warming and its temperature variability is correlated with variability in sea ice extent. As AW extends into the Barents Sea it is modified into a cooler, fresher water mass called BarentsSea Water (BSW). There are limited observations of BSW despite its importance in the Arctic Ocean system, leading to the question, how does the seasonal sea ice impact ocean stratification and mean flow?First, satellite observations are used to find the Polar Front, a water mass boundary between BSW and fresher Arctic Water to the north. The sea ice extent was found to be independent of the Polar Front until the mid-2000s when warming AW prevented the extension of winter sea ice south of the front.Second, by combining satellite and in situ data, it is shown that sea surface temperature can approximate heat content in the Barents Sea. Using heat content with satellite steric height, freshwater content can also be estimated, showing the potential for remote monitoring of BSW properties.Third, a high-resolution model is used to calculate the volume, transport and flux budgets within the AW and BSW domain south of the Polar Front. The model shows BSW volume minimum years in 1990 and2004. Both events were preceded by extensive winter sea ice and substantial summer sea ice melt, a result of preceding, cool AW. The event in 2004 was more extreme and allowed warming AW a greater volume in the Barents Sea

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3. 2GHz, et Bande Ku soit 13. 6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents
This work aims at improving our understanding of the altimetric time series acquired over the Antarctic Ice Sheet. Dual frequency data (S Band - 3. 2GHz and Ku Band - 13. 6GHz) from thealtimeter onboard the ENVISAT satellite are used, during a five year time period from january2003 until december 2007. These data cover around 80% of the surface of the Antarctic continent,up to 82°S. Having data in two different frequencies is valuable when it comes to better estimatethe altimeter sensitivity regarding snow surface property changes. Over the Antarctic ice sheet, snow surface changes with respect to space and time, beingaffected by meteorological conditions close to the surface, and especially winds. The altimetricwave penetrates more or less deeply beneath the surface, depending on snow surface and subsurfaceproperties. As a result, when the wave comes back to the satellite, the recorded signal, namedwaveform, is more or less distorted. The accuracy of the ice sheet topographic changes computedthanks to satellite altimetric techniques depends on our knowledge of the processes inducing thisdistortion. The purpose of the present work is to better understand the effect of changing windconditions on altimetric data. Winds in Antarctica are indeed famous for their strength and theirimpact on the snow surface state. First, spatial and temporal variability of the altimetric data on the one hand, and of wind speedreanalysis fields (from ERA-Interim, NCEP/NCAR and NCEP/DOE projects) on the other handare studied. We estimate spatial and temporal typical length scales for all datasets. As a result, weare able to smooth the data, so that all datasets have the same spatial and temporal caractericticlength scales. Furthermore, we note that our time series are well described by an annual signal. This annual cycle shows that whereas wind speed would always be maximum in austral winter,altimetric seasonal cycles have very different behaviors depending on the location. .

Les océans et la banquise jouent un rôle important dans le système climatique et météorologique. Une future mission satellite en micro-ondes passives basses fréquences, conçue pour observer les régions polaires est actuellement à l’étude à l’Agence Spatiale Européenne pour l’expansion du programme Copernicus. Les observations satellites en micro-ondes passives permettent une observation de la surface de la Terre par tous temps, aussi bien de jour que de nuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’estimation des paramètres de surface de l’océan et de la banquise à partir des observations satellites micro-ondes passives basses fréquences. L’objectif est de développer de nouvelles méthodes d’estimation de ces paramètres qui soient plus efficaces et adaptées à la future mission satellite micro-onde passive CIMR (Copernicus Imaging Microwave Radiometer). La première partie de la thèse traite de l’estimation des paramètres océaniques tels que la température de la surface de la mer, la salinité et la vitesse du vent océanique. La deuxième partie traite de l’estimation des paramètres de la banquise tels que la concentration en glace, l’épaisseur de neige et la température d’interface neige-glace. Enfin, avec les méthodes développées dans cette thèse les performances de la mission CIMR sont évaluées et comparées à celles des missions actuelles
The oceans and sea ice play an important role in the climate and weather system. A future low-frequency passive microwave satellite mission designed to observe the polar regions is currently under study at the European Space Agency for the expansion of the Copernicus programme. Passive microwave satellite observations provide all-weather observation of the Earth surface, both day and night. In this thesis, we are interested in estimating ocean and ice surface parameters from low-frequency passive microwave satellite observations. The objective is to develop new methods for estimating these parameters that are more efficient and adapted to the future passive microwave satellite mission CIMR (Copernicus Imaging Microwave Radiometer). The first part of the thesis deals with the estimation of ocean parameters such as sea surface temperature, salinity and ocean wind speed. The second part deals with the estimation of sea ice parameters such as sea ice concentration, snow depth and snow-ice interface temperature. Finally, with the methods developed in this thesis, the performances of the CIMR mission are evaluated and compared with the current missions

Cette thèse s’intéresse à la variabilité de la relation mass-diamètre (m(D)) des hydrométéores en phase glace présents dans les systèmes convectif de moyenne échelle (MCS). Elle s’appuie sur une base de données acquise pour 4 types de MCS différents durant 4 campagnes de mesure aéroportée : (i) MCS de la mousson Africaine (Continent ; MT2010), (ii) MCS de l’océan Indien (MT2011), (iii) MCS de la Méditerranée (côtes ; HyMeX), (iv) MCS de la mousson Nord-Australienne (côtes ; HAIC-HIWC). La relation m(D) est calculée à partir de l’analyse combinée des images des hydrométéores enregistrées par les sondes optiques et les facteurs de réflectivité mesurés à l’aide d’un radar Doppler embarqués sur le même avion de recherche. Il est d’usage que la relation m(D) des hydrométéores soit représentée par une loi puissance (avec un pré-facteur et un exposant), qui doit être contrainte par des informations supplémentaires sur les hydrométéores. Une étude théorique sur les formes des hydrométéores à l’aide de simulations en 3 dimensions dans lesquelles les hydrométéores sont orientés aléatoirement et projeté sur un plan, permet de contraindre l’exposant β de la relation m(D) en fonction de l’exposant σ de la relation surface-diamètre (S(D)). La relation S(D) est aussi représentée par une loi puissance, et elle peut-être calculée pour une population d’images d’hydrométéores enregistrés par les sondes optiques. La variabilité de l’exposant est finalement calculée à partir de la variabilité de l’exposant σ déduis des images des hydrométéores. Ensuite le pré-facteur α est calculé à partir de simulations des facteurs de réflectivité, de sorte que les facteurs de réflectivité simulés soient égaux aux facteurs de réflectivité mesurés par le radar nuage le long de la trajectoire de l’avion dans les MCS. Des profils moyens en fonction de la température sont calculés pour les coefficients de la relation m(D), les distributions en tailles des hydrométéores et les contenus massiques de glace dans les MCS (CWC). Les profils moyens pour les quatre types de MCS sont différents les uns des autres. Pour les quatre types de MCS, il est montré que les variations des coefficients de la relation m(D) sont corrélées avec les variations de la température. Four types de paramétrisations de la relation m(D) sont calculées depuis l’analyses des variations des coefficients de la relation m(D). Le bénéfice apporté par l’utilisation de relation m(D) non constante contrairement à l’utilisation de relation m(D) avec α et β constant, est démontré en étudiant l’impact de toutes les paramétrisations de la relation m(D) sur le calcul des relations Z-CWC et Z-CWC-T
This study focuses on the variability of mass-diameter relationships (m(D)) and shape of ice hydrometeors in Mesoscale Convective Systems (MCS). It bases on data base which were recorded during four airborne measurement campaigns: (i) African monsoon’s MCS (continent; MT2010), (ii) Indian Ocean’s MCS (MT2011), (iii) Mediterranean’s MCS (costs; HyMeX), (iv) North-Australian monsoon’s MCS (costs; HAIC-HIWC). m(D) of ice hydrometeors are derived from a combined analysis of particle images from 2D-array probes and associated reflectivity factors measured with a Doppler cloud radar on the same research aircraft. Usually, m(D) is formulated as a power law (with one pre-factor and one exponent) that need to be constrained from complementary information on hydrometeors. A theoretical study of numerous hydrometeor shapes simulated in 3D and arbitrarily projected on a 2D plan allowed to constrain the exponent β of the m(D) relationship from the exponent σ of the surface-diameter S(D) relationship, which is likewise written as a power law. Since S(D) always can be determined for real data from 2D optical array probes or other particle imagers, the evolution of the m(D) exponent can be calculated. After that, the pre-factor α of m(D) is constrained from theoretical simulations of the radar reflectivity factor matching the measured reflectivity factor along the aircraft trajectory. Mean profiles of m(D) coefficients, particles size distributions and Condensed Water Content (CWC) are calculated in functions of the temperature, and are different for each type of MCS. For the four types of MCS, it is shown that the variability of m(D) coefficients is correlated with the variability of the temperature. Four types of m(D) parametrisations are calculated since the analysis of the variability of the m(D) coefficients. The significant benefit of using variable m(D) relations instead of a single m(D) relationship is demonstrated from the impact of all these m(D) relations on Z-CWC and Z-CWC-T fitted parametrisations

Cinq des plus grands fleuves mondiaux sont en Arctique et transportent des quantités importantes de carbone dissous organique (COD) et inorganique (CID) dans l’Océan Arctique (OA). La réponse de l’océan côtier à ces apports est encore incertaine, ce qui est un frein à l’estimation des flux air/mer de CO2 dans cette région. Dans un contexte de réchauffement climatique et de changement rapide de l’environnement arctique, il est donc important de mieux comprendre l’effet de ces apports de carbone terrigène sur les flux de CO2 dans les panaches fluviaux. Le modèle couplé océan/glace/biogéochimie ECCO-Darwin est utilisé afin d’étudier la réponse du sud-est de la mer de Beaufort aux apports de carbone dissout du fleuve Mackenzie des échelles synoptiques à interannuelles. Ce modèle régional intègre le tout premier forçage interannuel journalier de COD terrigène provenant du Mackenzie estimé grâce à la fusion de données in situ et de données satellites acquis aux trois embouchures principales du delta. Nous observons que la variabilité interannuelle du débit du Mackenzie module localement les flux air/mer de CO2 dans le panache fluvial côtier. Le CID terrigène contribue deux fois plus que le COD terrigène au dégazage du panache. Avec le dégel du pergélisol, les incertitudes sur la dégradation du COD terrigène dans les panaches fluviaux sont nombreuses. La variabilité des flux air/mer de CO2 liée à la dégradation bactérienne est estimée à ±0.39 TgC yr−1 en 2009. D’autres processus biophysiques contribuent également à cette variabilité comme la floculation du COD terrigène (+0.14 TgC yr−1 absorbé par l’océan) et la stratification verticale induite par le panache (+0.35 TgC yr−1 rejeté par l’océan). Ce travail de thèse met en lumière l’importance d’inclure une représentation réaliste du continuum terre/mer dans les modèles régionaux arctiques afin d’améliorer les estimés de flux de carbone dans cet océan changeant et fortement altéré par les modifications de ses bassins versants
About 10 % of atmospheric carbon dioxide is sequestered in the ocean above 60°N, half of which is in coastal seas where 10 % of the global riverine freshwater volume flows in. Five of the world’s largest rivers convey in the Arctic Ocean (AO) huge quantities of dissolved carbon in the organic (DOC) and inorganic (DIC) form. The response of the coastal ocean to this supply is still highly uncertain, which makes the assessment of air-sea CO2fluxes challenging in this remote region. It is thus timely to gain a better understanding of the impact of terrestrial carbon released by watersheds on air-sea CO2 fluxes in Arctic rivers plumes, especially in a context of global warming. In the present PhD thesis, the ECCO-Darwin ocean-sea ice-biogeochemical model is used to investigate the synoptic to interannual response of the South eastern Beaufort Sea (Western AO) to the Mackenzie River’s carbon exports. The model includes the very first daily terrestrial DOC (tDOC) runoff forcing estimated through merging riverine in situ measurements and coastal remotely sensed data at three major delta outlets, over the last two decades (2000-2019). We find that interannual variability in river discharge modulates localized air-sea CO2flux in the coastal plume with riverine DIC contributing twice as much as riverine DOC to CO2 outgassing. As current knowledge on tDOC remineralization in Arctic plume regions is still uncertain, the range of air-sea CO2 flux variability due to microbial remineralization is estimated to ±0.39 TgC yr−1 in 2009. Other biophysical processes also contribute to the high CO2 flux variability, such as tDOC flocculation (+0.14 TgC yr−1 in gassing) and enhanced plume stratification (+0.35 TgC yr−1 outgassing). To conclude, the work presented here intends to pave the way toward a better representation of the land-to-ocean continuum (LOAC) in regional Arctic models with the aim to improve the simulated carbon cycle in rapidly changing Arctic watersheds and coastal seas

La fonte rapide des glaces de l'Arctique dans le contexte actuel du réchauffement climatique est un sujet scientifique majeur de ces 30 dernières années. L'Arctique joue un rôle fondamental dans l'équilibre du climat et requiert une attention particulière. Les régions arctiques sont alors surveillées par des observations satellitaires et des mesures in-situ. L'impact climatique de la fonte totale de la glace arctique est encore spéculatif. Des recherches sont donc nécessaires pour le suivi à long terme de l'Océan Arctique, en particulier la dynamique spatio-temporelle de la couverture de glace et ses conséquences sur les écosystèmes. Notre travail s'inscrit dans ce contexte, et est porté sur le paysage sonore des régions polaires avant leur possible industrialisation qui accompagnera la fonte de la glace. Ainsi, nous avons d'abord examiné les conséquences de la disparition du couvert de glace sur les paysages sonores de ces régions. Nous avons alors étudié les variations saisonnières du bruit de fond et ses pilotes environnementaux. De ce fait, nous avons développé un algorithme d'estimation du bruit ambiant afin de pouvoir constituer des séries temporelles à partir des données acoustiques longue durée. Deuxièmement, nous avons étudié les transitoires générés par le comportement mécanique de la banquise en Arctique. Cette étude vise d'une part à comprendre le mécanisme de production de ces transitoires sous la glace, et d'autre part à évaluer leur potentiel comme moyen d'observation de la dynamique de la glace de mer
The Arctic sea ice melting, in the global warming context, has become a major scientific topic during the last 30 years. The Arctic Ocean plays a fundamental role in the global climate balance and requires a particular attention. The Arctic Regions are then monitored by satellite observations and in-situ measurements. The climatic impact of the total melting of the Arctic sea ice is not yet understood and researches are still needed for long term monitoring of Arctic Ocean, particularly the dynamics of the ice cover and its consequences on the ecosystems. Our work focused on the natural soundscapes of these Polar Regions prior to their possible industrialization. So, we first examined the impact of climate warming alone on polar soundscapes by studying the seasonal variability of ambient noise and its environmental drivers. We then developed an ambient noise estimation algorithm for automatic extraction of this noise component from long term measurements. In second, we examined the acoustic transients generated by the mechanical behavior of the ice cover at its maximum extent. This aims to better understanding of the physical processes involved in under-ice noise production and their potential use for sea ice monitoring

Les Eaux Atlantiques (AW) sont cruciales pour le budget de sel et de chaleur de l'Arctique. Ce doctorat apporte de nouvelles informations sur l'entrée des AW dans la région du nord Svalbard. Les plateformes IAOOS ont collecté pendant la campagne N-ICE2015 les premières données hydrographiques d'hiver de la région. Elles ont documentées des eaux chaudes peu profondes sur le talus continental du Svalbard qui ont généré des flux de chaleur océan-glace atteignant 400 W/m2 et faisant fondre la glace. Cette chaleur est amenée des AW vers la surface par des ondes quasi-inertielles causées par des tempêtes hivernales, de grandes marées barotropes sur des pentes raides et/ou des ajustements géostrophiques. Les extensions de glace sont très différentes entre 2015 et 2016. Les sorties du modèle opérationnel de Mercator Ocean (1/12°) suggèrent que les flux de chaleur orientés vers la surface et induits par la convection expliquent ces différences. En plus de la Svalbard Branch et de la Yermak Branch, le modèle présente un chemin robuste l'hiver à travers le plateau du Yermak: la Yermak Pass Branch. Enfin, le modèle suggère une activité méso-échelle importante le long du courant des AW. Les propriétés de la Yermak Pass sont examinées avec un an de données ADCP (2007-2008) dans la Yermak Pass. Le courant est dominé par la marée. En hiver, des tourbillons baroclines d'AW avec une périodicité de 5-10 jours et des entrées sporadiques d'AW tous les un/deux mois sont observés, transportant les AW vers l'Est. Le modèle suggère que la Yermak Pass Branch est une structure robuste d'hiver les 10 dernières années et transporte en moyenne 31% du transport volumique du West Spitsbergen Current
The Atlantic Water (AW) inflow is crucial for the heat and salt budget of the Arctic. This PhD thesis brings new insights to the inflow of AW in the area north of Svalbard. The IAOOS (Ice Atmosphere Ocean Observing System) platforms were deployed during the N-ICE2015 expedition which gathered the first winter hydrographic data in the area. They document shallow warm water over the Svalbard continental slope that melts sea ice with ice-ocean heat fluxes reaching up to 400W.m-2. Heat is brought from the AW layer up to the surface through near-inertial waves generated by winter storms, large barotropic tides over steep topography and/or geostrophic adjustments. Sea ice extent largely differs between winters 2015 and 2016. 1/12° operational model outputs from Mercator-Ocean suggest that convection-induced upward heat fluxes explain the differences. Model outputs are also used to examine the AW inflow pathways : besides the Svalbard Branch and the Yermak Branch, the model shows an AW winter pathway not much documented before : the Yermak Pass Branch across the Yermak Plateau. Finally, the model suggests an important mesoscale activity throughout the AW flow. The Yermak Pass Branch properties are examined using one-year (2007-2008) of moored ADCP data in the Yermak Pass. The flow is largely dominated by tides. In winter, baroclinic eddies of AW with a periodicity of 5 to 10 days and pulses of AW monthly/bimonthly are found, carrying AW eastward through the Pass. Model outputs suggest that the Yermak Pass Branch is a robust winter pattern over the last 10 years, carrying on average 31% of the volume transport of the West Spitsbergen Current

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus.

Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.

On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur.

Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple).

La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.