Les régions arctiques sont soumises à une augmentation des températures atmosphériques de deux à trois fois plus rapide que celle de la moyenne planétaire, occasionnant une contraction rapide de la cryosphère, y compris une diminution de l’épaisseur, de l’étendue et de la durée du couvert de glace lacustre. Bien que plusieurs effets de la dégradation du couvert de glace soient documentés, peu d’observations ont été recueillies sur les lacs polaires couverts de glace pérenne. Le lac Ward Hunt, le lac le plus nordique du Canada, était jusqu’à récemment caractérisé par un couvert de glace qui a persisté au moins depuis 1953. Ce dernier s’est récemment rapidement dégradé faisant du lac Ward Hunt un lac sentinelle du réchauffement climatique dans l’Arctique. L’objectif de cette thèse était de définir la structure et le fonctionnement de ce lac comme modèle permettant de mieux comprendre la nature et les implications des changements subis par les lacs polaires ainsi que d’évaluer une série de questions et d’hypothèses concernant leurs gradients horizontaux et verticaux affectés par ces changements. Une approche spatio-temporelle a permis d’évaluer l’influence du couvert de glace sur la structure physicochimique et biologique du lac Ward Hunt. Des enregistrements à haute fréquence s’échelonnant sur 2 ans ont été obtenus à l’aide d’un mouillage installé dans la section profonde du lac Ward Hunt. Ces informations ont permis de comparer la dynamique saisonnière de température de l’eau, de fluorescence de la chlorophylle a et d’oxygène dissous entre une année où le couvert de glace a complètement fondu (2016) et une année où il a persisté (2017). La disparition du couvert de glace a provoqué un mélange, occasionnant une perte de chaleur, la température chutant de 6,5°C au fond à moins de 1°C sur toute la colonne d’eau. Le mélange a équilibré la concentration d’oxygène dissous dans l’eau (140% de saturation sous la glace) avec celle de l’air. En absence de glace, le mélange a diminué le rayonnement incident dans la colonne d’eau en remettant en suspension des sédiments et en favorisant une plus grande production de chlorophylle a telle que révélée par la fluorescence. La disparition du couvert de glace pourrait avoir stimulé la production primaire avec un maximum de fluorescence plus élevé et précoce en 2016. L’échantillonnage le long d’un transect reliant le littoral et le large a révélé deux patrons de variation des variables limnologiques physiques et biologiques, qui impliquaient un changement abrupt en marge du couvert de glace qui agissait comme démarcation entre la zone littorale et le large. Les résultats mettent en évidence le rôle écologique de l’étroite bande d’eau libre qui se forme autour du couvert de glace des lacs polaires en été (moat). Une analyse de la composition en acide gras des composantes du réseau alimentaire a permis d’identifier la source principale de nourriture pour le zooplancton des zones pélagique et littorale comme étant, respectivement, le seston et les communautés liées aux mousses. L’analyse de la structure verticale de la colonne d’eau en été a révélé que le couvert de glace, limitant les échanges directs avec l’atmosphère, favorise une stratification thermique inverse de la colonne d’eau et permet l’accumulation de chaleur malgré qu’il bloque de 40 à 60% de la lumière incidente. La radiation incidente qui atteint le fond du lac a tout de même permis la prolifération d’une luxuriante communauté benthique dont les stocks de pigments photosynthétiques étaient 10 à 100 fois supérieurs à ceux de la colonne d’eau. La stabilité de la colonne d’eau permet aussi une sursaturation d’oxygène pouvant atteindre 180% de l’équilibre atmosphérique et une accumulation de dioxyde de carbone, d’oxyde nitreux et de méthane. L’analyse optique de la colonne d’eau indique la présence de matière organique colorée qui a influencé le régime spectral de l’éclairement sous l’eau. Cette thèse apporte une vision intégrée de la structure des lacs couverts de glace pérenne au moment où ils amorcent une transition vers un couvert de glace saisonnier. Elle souligne l’importance du couvert de glace sur les variables limnologiques de la colonne d’eau en contrôlant l’éclairement disponible pour la photosynthèse et en limitant les échanges avec l’atmosphère induits par le vent, favorisant la stabilité de la colonne d’eau et l’établissement de forts gradients écologiques entre le littoral et le large. / Arctic regions are experiencing increases in atmospheric temperature at rates that are two to three times faster than the global mean. A rapid contraction of the cryosphere has resulted from this warming, with a decrease in lake ice cover thickness, area and duration. Several effects of degradation of the ice cover on lakes have been documented, but there is a lack of information concerning polar lakes covered by multi-year ice. Ward Hunt Lake, Canada’s northernmost lake, was until recently characterized by a perennial ice cover that remained in place from at least 1953 onwards. This ice cover degraded rapidly in the past few years, making Ward Hunt Lake a far northern sentinel of Arctic climate change. The main objective of this thesis was to define the structure and function of this lake as a model to better understand the nature and implications of changes that polar lakes are undergoing now and in the future, and to address a series of questions and hypotheses about their horizontal and vertical gradients in the face of these changes. The influence of the ice cover on the physicochemical and biological structure of Ward Hunt Lake was evaluated with a spatiotemporal approach. A 2-year, high-frequency record was obtained with a mooring installed in the deepest point of Ward Hunt Lake. This allowed comparison of the seasonal dynamics of water temperature, chlorophyll fluorescence and dissolved oxygen concentrations between a year where the ice cover completely disappeared (2016) and a year where it remained (2017). The seasonal disappearance of the ice cover resulted in the loss of heat in the water column due to mixing throughout the water column. Water temperatures, which reached 6.5°C at the bottom before mixing, dropped to 1°C in the whole water column. Complete mixing also caused dissolved oxygen concentration in the water column to reach equilibrium with the atmosphere whereas it rose to 140% saturation under the ice cover. During open water conditions, incident radiation declined in the water column due to sediment resuspension and increased chlorophyll a fluorescence. The loss of ice cover may have stimulated primary productivity, with a higher and earlier chlorophyll a fluorescence peak in 2016 than in 2017. Sampling along an inshore-offshore gradient revealed two patterns of physical and biological variation. Both patterns included an abrupt shift at the ice cover margin, which acts as a demarcation between the littoral and offshore zones. The results underscored the ecological role of the narrow ice-free water area (moat) that forms around the ice cover of polar lakes each summer. Principal food sources for zooplankton were identified through the analysis of fatty acid composition of the different components of the food web. The pelagic zooplankton diet was mainly composed of seston whereas communities associated with mosses dominated their diet in the littoral zone. High populations of chironomids in the genus Metriocnemus occurred in the benthos. Analysis of the vertical structure of the Ward Hunt Lake water column in summer showed that the ice cover, by limiting direct exchange with the atmosphere, allowed the onset of inverse thermal stratification and the accumulation of heat despite blocking 40 to 60% of incident radiation by reflection and attenuation. Incident radiation reaching the lake floor allowed the development of a rich benthic community, with photosynthetic pigment stocks that were one to two orders of magnitude above those in the overlying water column. The stability of the water column also limited gas diffusion, resulting in oxygen supersaturation up to 180% of air equilibrium and the accumulation of carbon dioxide, nitrous oxide and methane. Optical analysis of the water column indicated the presence of weakly colored dissolved organic matter that influenced the underwater spectral radiation regime. This study provides an integrated view of perennially ice-covered lakes at a turning point as they undergo transition towards a seasonal ice-cover regime. It highlights the importance of ice cover as a driver of limnological variables in the water column by controlling the availability of solar radiation for photosynthesis, and by limiting wind-induced exchanges with the atmosphere, thereby favoring water column stability and strong inshore-offshore gradients in many ecosystem features.

Les problèmes d'allocation des ressources en eau deviennent de plus en plus complexes, car les approvisionnements en eau peinent à suivre la demande croissante en eau, alimentée par la croissance de la population et l'augmentation des normes de vie. L'incertitude hydroclimatique aggrave le problème, en particulier dans les régions déjà caractérisées par la variabilité climatique, c'est-à-dire les fluctuations pluriannuelles de la température et des précipitations, et/ou sensibles au changement climatique. La détermination de politiques d'allocation efficaces et socialement acceptables est au cœur de la gestion intégrée des ressources en eau. Lorsqu'un système de ressources en eau comprend plusieurs réservoirs, les politiques de libération efficaces n'allouent pas seulement l'eau dans l'espace (entre les utilisateurs d'eau), mais aussi dans le temps (en conservant ou non l'eau en réserve). D'importants efforts de recherche ont été consacrés à l'amélioration de l'efficacité opérationnelle des systèmes multiréservoirs grâce, par exemple, à l'intégration d'informations hydroclimatiques pertinentes dans les modèles d'exploitation des réservoirs. Cette analyse est particulièrement pertinente dans les régions où les signaux climatiques de basse fréquence, tels que les variations pluriannuelles de la température et des précipitations, influencent les régimes hydrologiques des rivières. Dans ces régions, les séries temporelles de débits des rivières montrent des patterns qui correspondent à ces régimes hydrologiques. Le fait de ne pas capturer correctement ce comportement de type régime conduit à des politiques d'exploitation sous-optimales, en particulier dans les systèmes caractérisés par une grande capacité de stockage. Cette recherche aborde cette question en développant et en évaluant la valeur de politiques de libération adaptées au climat pour les systèmes multiréservoirs dans les régions sensibles au climat. Pour ce faire, nous combinons une technique d'optimisation à grande échelle (Programmation Dynamique Stochastique dual- SDDP) avec un Modèle de Markov Caché. La variante proposée, intitulée SDDP-HMM, capture la persistance à long terme qui caractérise le régime des écoulements dans les régions exposées à la variabilité climatique, et fournit donc des politiques d'exploitation des réservoirs adaptées à différents états climatiques (par exemple, sec, normal ou humide). Pour évaluer les avantages associés aux politiques de libération dérivées du climat, l'extension proposée est testée et comparée aux formulations traditionnelles en utilisant le bassin du fleuve Sénégal (SRB) comme exemple. Le régime hydrologique du SRB présente des périodes sèches, normales et humides sur plusieurs années. De plus, le bassin connaît des développements hydrauliques et agricoles rapides qui devraient se poursuivre dans les décennies à venir. Les résultats montrent que les politiques adaptées au climat sont particulièrement pertinentes pendant les extrêmes hydrologiques, indiquant que les politiques dérivées de SDDP-HMM offrent une meilleure protection contre des conditions hydrologiques défavorables. S'appuyant sur les enseignements tirés de la première activité, la recherche s'est ensuite tournée vers l'identification d'un ensemble de politiques adaptées pour faire face à la fois à la variabilité climatique et au changement climatique. L'objectif ici est d'investiguer si les politiques adaptées au climat sont susceptibles de rester pertinentes ou non en cas de changement climatique. Pour ce faire, un nouveau cadre de modélisation basé sur un grand ensemble de projections hydrologiques est proposé. Encore une fois, en utilisant le bassin du fleuve Sénégal comme étude de cas, une analyse comparative des politiques de libération pour différentes altérations possibles du régime des écoulements révèle que les avantages associés aux politiques adaptées au climat sont modérés en cas d'altérations les plus extrêmes, tandis qu'ils restent significatifs en cas d'altérations plus modérées. / Water resources allocation problems are increasingly challenging as water supplies can barely keep up with exploding water demands fuelled by population growth and rising living standards. Hydroclimatic uncertainty exacerbates the problem, especially in regions already characterized by climate variability, i.e. multiyear fluctuations in temperature and precipitation, and/or sensitive to climate change. Determining efficient and socially-acceptable allocation policies is at the heart of integrated water resources management (IWRM). When a water resources system includes multiple reservoirs, efficient release policies not only allocate water in space (between water users) but also in time (by keeping or not the water in storage). Significant research efforts have been devoted to improving the operational effectiveness of multireservoir systems through, for example, the incorporation of relevant hydroclimatic information into reservoir operation models. This effort is particularly relevant in regions characterized by low-frequency climate signals, where time series of river discharges exhibit regime-like behavior. Failure to properly capture such regime-like behavior yields suboptimal operating policies, especially in systems characterized by large storage capacity. This research addresses this issue by developing and then assessing the value of climate-tailored release policies for multireservoir systems in climate sensitive regions. To achieve this, we combine a large-scale optimization technique (Stochastic Dual Dynamic Programming - SDDP) with a Hidden Markov Model. The proposed variant, entitled SDDP-HMM, captures the long-term persistence that characterizes the flow regime in those regions exposed to climate variability, and therefore provides reservoir operating policies tailored to different climate states (e.g. dry, normal, or wet). To assess the gains associated with climate-derived release policies, the proposed extension is tested and compared to traditional formulations using the Senegal River Basin (SRB) in West Africa as an example. The SRB's flow regime features multiyear dry, normal, and wet periods. Furthermore, the basin is undergoing rapid hydropower and agricultural developments expected to continue in the coming decades. The results demonstrate that climate-tailored policies are particularly relevant during hydrological extremes, indicating that the SDDP-HMM-derived policies better hedge against adverse hydrologic conditions. Building upon the insights gained from the first activity, the research then shifted to the identification of a portfolio of adapted policies to cope with both climate variability and climate change. The objective here is the investigate whether climate-tailored policies are likely to remain relevant or not under climate change. To achieve this, a new modeling framework organized relying on a large ensemble of hydrologic projections is proposed. Again, using the Senegal River basin as a case study, a comparative analysis of the release policies for different possible alterations of the flow regime reveal that the gains associated with climate-tailored policies are moderate under the most extreme alterations, while they remain meaningful under more moderate alterations.

Texte remanié de: Thèse de doctorat--Histoire--Paris. / Bibliogr. p. 409-419. Glossaire. Index.

Thèse de doctorat : Sciences de l'univers et de l'environnement : Paris 12 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 265 réf.

Thèse (Ph.D.) -- Université Laval, 2007. / Thèse présentée sous forme d'un recueil d'articles scientifiques rédigés en anglais avec résumés en français, soumis ou publiés dans différents titres de périodiques. Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Ress.Renouv.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ressources renouvelables. CaQCU Bibliogr.: f. 72-84. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse--Sc. nat.--Paris XI, 1974. / Bibliogr. p. 153-161.

Th.--Sci. phys.--Grenoble--I.N.P., 1981. N°: DE 99.

L'Arctique est confronté à une importante période de transition en raison du réchauffement atmosphérique accéléré. Pour les lacs qui dominent ces régions, il en découle une prolongation de la durée sans couvert de glace. Cette couche de glace est déterminante pour les écosystèmes aquatiques arctiques. Son absence augmente la fréquence des brassages de la colonne d'eau, l'exposition à la lumière, en plus d'altérer la stratification thermale. Les microorganismes, les acteurs principaux du réseau trophique et des cycles biogéochimiques des lacs arctiques, doivent donc s'adapter aux déséquilibres de leur environnement. Il s'avère crucial de mieux comprendre les impacts des changements climatiques sur les communautés microbiennes des lacs polaires afin d'anticiper leur portée à l'échelle mondiale. Aux premières loges des changements climatiques, les quatre lacs de la vallée de Stuckberry (île d'Ellesmere) représentent des laboratoires naturels pour l'étude de ces perturbations. Bien que proches en distance, ils diffèrent par leurs caractéristiques physicochimiques, morphologie et apports en eau et nutriments. Le séquençage par amplicon du gène codant pour l'ARNr 16S a été réalisé afin de comparer les communautés microbiennes intra et interlacs. Deux lacs profonds (>25 m) et majoritairement oxygénés ont montré des assemblages de communautés similaires, possiblement expliqué par la présence d'un ruisseau les reliant. Ces communautés étaient également très distinctes de celles des lacs peu profonds (<10 m) et anoxiques en profondeur. Néanmoins, chaque lac était composé de sa propre distribution verticale microbienne définie par les propriétés limnologiques de sa colonne d'eau. Un des lacs profonds avait des proportions de Cyanobacteria et de Thaumarchaeota qui le distinguaient des autres. Des bactéries prédatrices ont été abondamment identifiées dans les deux lacs peu profonds, ainsi que des microbes contribuant aux cycles du soufre et du méthane. Ces travaux établissent un point de départ pour la caractérisation de cette région éloignée, extrême et vulnérable. / The Arctic is undergoing a dramatic transition due to accelerated atmospheric warming. For the lakes that dominate this environment, it has resulted in an extension of the ice-free period. Ice cover is crucial for Arctic aquatic ecosystems. Its absence alters thermal stratification, increases the frequency of the upward mixing of nutrients, and results in a greater exposure to light. Microorganisms, the principal actors in the food webs and biogeochemical cycles of Arctic lakes, must therefore adapt to these changing conditions. It is crucial to better understand the impacts of climate change on the microbial communities of polar lakes to better prepare for the global impact of this massive perturbation. The Stuckberry Valley lakes, located on the northern coast of Ellesmere Island, are a natural laboratory to study the effects of climate change on freshwater microbial communities. Although they are close in distance, the lakes have distinct catchments, morphologies, and physicochemical characteristics. Amplicon sequencing of the 16S rRNA gene was performed to compare intra- and inter-lake microbial community diversity. Two deep (>25 m) and mostly oxygenated lakes showed highly similar community assemblages that were distinct from the two shallow lakes (<10 m) with anoxic bottom waters. Water exchange via a stream connecting these lakes most likely explains these similarities. Each lake, however, had its own unique vertically distributed assortment of microbes that was shaped by the limnological properties of its water column. One deep lake contained proportions of Cyanobacteria and Thaumarchaeota that distinguished it from the others. The shallow lakes had abundant communities of predatory bacteria, as well as microbes in their bottom waters contributing to the sulfur and methane cycles. This study establishes an important baseline characterization of microbial communities in lakes in a remote, extreme, and vulnerable region.

De par le monde, la gestion des réservoirs hydroélectriques repose largement sur des modèles hydrologiques qui simulent les entrées et les sorties d’eau du système. L’évaporation sur ces réservoirs est typiquement négligée ou calculée de la même façon que l’évapotranspiration sur l’ensemble du bassin versant, bien que les processus régissant ces deux phénomènes diffèrent. Une meilleure quantification de l’évaporation suscite un intérêt grandissant, dû aux changements climatiques qui provoquent une augmentation des pertes en eau par évaporation sur les réservoirs. Cette étude examine divers modèles d’évaporation, et ce, en tenant compte de la réalité dans laquelle les modèles hydrologiques sont opérés de façon générale, c’est-à-dire avec une faible disponibilité de données d’entrée. L’étude se concentre principalement sur deux réservoirs situés dans la zone boréale canadienne, soit Eastmain-1 et Romaine-2. Un jeu de données observées d’évaporation obtenues grâce à la technique de covariance des tourbillons, est utilisé comme référence. De toutes les approches considérées, le modèle de transfert de masse avec un nombre de Dalton constant de 1,2 x 10⁻³ est le plus performant à un pas de temps horaire. Les cumuls journaliers sont également estimés avec une bonne précision autant lors du réchauffement de la masse d’eau que lors de la période de relâchement d’énergie. Des analyses de sensibilité montrent que l’utilisation de ce modèle avec des données limitées est possible, du moins pour les deux réservoirs étudiés. Ces données limitées consistent en la température de l’air et l’humidité relative prises sur la terre ferme à proximité du réservoir, la température de la surface de l’eau mesurée in situ et la vitesse du vent à une hauteur de 10 m prise depuis la berge du réservoir face aux vents dominants. L’application du modèle sur le lac Léman, situé dans une région plus tempérée, donne aussi de bons résultats. / Hydroelectric reservoirs around the world are managed using hydrological models to calculate water inflows and outflows. Evaporation on these reservoirs is typically neglected or calculated in the same way as evapotranspiration over the entire watershed, although the processes governing the two phenomena are different. A better quantification of evaporation is of growing interest in Quebec and internationally due to climate change, which is causing an increase in water losses by evaporation on reservoirs. This study therefore examines various evaporation models for open water bodies, taking into account the practical context in which hydrological models are generally operated, that is with low availability of input data. The study focuses mainly on two reservoirs with contrasting morphometries and located in the Canadian boreal zone, Eastmain-1 and Romaine-2. For this purpose, a set of observed evaporation data obtained using a direct measurement technique called eddy covariance, is used as a reference. Of all the approaches considered, the mass transfer model with a constant Dalton number of 1.2 x 10⁻³ gives the most accurate estimation of evaporation at hourly time steps. Daily totals are also estimated with good accuracy both during the warming of the water body in spring and during the energy release period in fall. Sensitivity analysis show that the use of this model with limited data is possible, at least for the two reservoirs studied. These limited data consist of air temperature and relative humidity taken on land in the vicinity of the reservoir, water surface temperature measured in situ, and wind speed at a height of 10 m taken from the bank of the reservoir facing the prevailing winds. The application of the model on Lake Leman, located in a more temperate region, also gives good results.