A numerical model is being developed for ice forecasting which is based on a granular dynamics approach. This model is intended to analyse the movements of broken ice fields at the mesoscale; i.e. for length scales of the order of 100 km and time scales of the order of a few days. It will therefore be useful for navigation, for the operation of offshore drilling platforms and for commercial fishing. At the mesoscale, the forces governing the motion of ice floes are wind drag, water drag, Coriolis force and the contact forces arising from internal collisions. Expressions are developed to evaluate in the most accurate manner the drag exerted by the water and by the wind on individual ice floes by considering non-linear effects. The second aspect of the present work is to modify the inter-particle contacts such that their tangential contribution involves elastic deformation of the ice floes. The effects of an incrementally slipping friction force model are studied for a system where the conditions vary from a quasi-static to a rapid flow regime. Under these circumstances the model is found to adequately reproduce the behaviour of small scale laboratory experiments using aluminum cylinders. Computations performed with tangentially rigid particles yield a system which is very unstable in its behaviour. The analysis of the macroscopic variables, made in order to determine how a broken ice field is affected by the shearing effects of the particles, shows that for a rapidly flowing field the elastic contribution to the contact shear force is minor, if not negligible, when one considers long time averages or instantaneous values. It appears from these investigations that attention must be paid to the problem of ice floes flowing under quasi-static or transitional conditions.

The idea that basin-like dynamics may influence or control the Antarctic Circumpolar Current (ACC) is investigated with idealized analytic and numerical models. A simple 2-layer analytic model is developed to predict the transport evolution with the wind stress amplitude. At very low forcing, a non-zero minimum is predicted. This is followed by two distinct dynamical regimes for stronger forcing: a linearly increasing Stommel regime and a saturation regime in which the transport ceases to increase. The vertical distribution of the flow obtained using the geometry of the geostrophic contours (or characteristics) is key to predicting the occurrence of this transport saturation. Many eddy-permitting numerical simulations in large domains are carried over a wide range of parameters. The simulations using a reference zonal wind stress profile agree qualitatively with the analytic model. However, quantitative discrepancies are observed in the saturation regime: i) when a topographic continental ridge is added along the western boundary and ii) when the bottom drag is varied. When a continental ridge is added, eddy fluxes associated with zonal jets enhance the bottom layer recirculation and lower the saturation transport values. When the bottom drag is increased, the lower layer recirculation is suppressed, and this increases the saturation transport values. Experiments investigating the relative roles of the wind stress and wind stress curl in Drake Passage latitudes are also carried out. It is found that the transport is increased when adding a significant constant wind stress. In this regime dominated by the wind stress itself, there is an offset between the numerical results and what is predicted by the analytic model. The vertical momentum flux by mesoscale eddies can be used to distinguish between different regimes: an upward momentum transfer is observed when the dynamics is dominated by the wind stress curl and a downward flux is observed when it is not. In the regime where the wind stress curl dominates, Sverdrup circulation applies over most of the domain --- even in absence of meridional barriers. Also in this regime, transport is saturated, as suggested by the analytic model. The analytic model is also generalized to a continuous stratification and numerical experiments varying the vertical resolution are carried out to test its robustness. These simulations show that the 2-layer and 5-layer models give equivalent results when inertial effects are weak. However, in the 5-layer simulations, topographically-driven inertial recirculations blocking Drake Passage reduce the transport when inertial effects are strong. This behavior disapears, however, when realistic topography is used. In this context, the numerical results agree well with the predictions of the analytic model. It is also found that when the wind stress curl dominates, meridional walls play an important role in the dynamics at weak forcing but become less and less important as the forcing increases. / Dans cette thèse, on étudié l'idée qu'une circulation de type bassin peut influencer et contrôler la dynamique du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) à l'aide de modèles analytique et numérique. Dans un premier temps, on développe un modèle analytique simple à deux couches pour estimer l'évolution du transport en fonction de l'amplitude du vent appliqué à la surface. À très faible amplitude, ce modèle prévoit un transport minimum non-nul. Deux régimes dynamique distincts succèdent à ce minimum: un régime de type "Stommel", dans lequel le transport augmente linéairement et un régime de "saturation" dans lequel le transport plafonne. On utilise la géométrie des "contours géostrophiques", pierre angulaire de la théorie, pour obtenir la distribution verticale de la circulation et estimer l'occurrence de ce régime de saturation.On effectue ensuite un grand nombre de simulations numériques à haute résolution spatiale, en variant la plupart des paramètres du modèle afin de tester la théorie analytique. On définit un profil de vent "référence" soufflant vers l'est suivant une fonction sin^2(y), où y est la latitude. Les simulations utilisant ce profil de référence correspondent qualitativement aux prévisions de la théorie analytique. Par contre, on observe des différences quantitatives dans le régime saturation: i) lorsqu'un plateau continental est ajouté à la frontière ouest et ii) lorsqu'on varie le coefficient de friction au fond. Lorsqu'on ajoute un plateau continental, les flux de tourbillons associés aux jets longitudinaux favorisent la circulation abyssale et baissent ainsi les valeurs de saturation du transport. Lorsqu'on augmente le coefficient de friction, la circulation abyssale est supprimée, ce qui augmente les valeurs de saturation du transport.Dans les expériences où l'on rajoute un vent constant au profil de référence, un décalage est observé entre les résultats des simulations numériques et les prévisions du modèle analytique. Cela définit un nouveau régime où le vent lui-même est fort en comparaison à son rotationnel. Le flux vertical de quantité de mouvement des tourbillons méso-échelle peut être utilisé afin de distinguer les différents régimes. En effet, ce flux est orienté vers le haut lorsque la dynamique est dominée par le rotationnel tandis qu'il est vers le bas lorsque le vent lui-même domine la dynamique. Dans le régime dominé par le rotationnel, une circulation de type Sverdrup est observée dans l'ensemble du bassin, même en absence de péninsules. De plus, le transport y est saturé, tel que suggéré par la théorie analytique.Le modèle analytique est ensuite généralisé au cas où la stratification est continue. On effectue des simulations numériques où la résolution verticale est variée afin de tester cette théorie généralisée. Ces simulations montrent que les modèles à 2 et 5 couches donnent des résultats similaires lorsque les effets d'inertie sont faibles. Par contre, d'intenses circulations générées au-dessus de la topographie bloquent le détroit de Drake et réduisent le transport lorsque les effets d'inertie sont importants. Cependant, ce comportement disparaît lorsqu'une topographie plus réaliste est utilisée. Dans ce contexte, les simulations numériques correspondent aux prévisions du modèle analytique. De plus, on observe que dans un régime où le rotationnel est dominant, les péninsules jouent un rôle important dans la dynamique lorsque le vent est faible tandis que leur rôle devient de plus en plus négligeable lorsque le vent augmente.

Small-scale flow features were examined near a straight coastline off Ste. Flavie and an adjacent wharf in the Lower St. Lawrence estuary, using moored current meter and acoustic doppler current profiler (ADCP) data. The leading order velocity was found to be dominated by the mean and lunar semi-diurnal (M2) tidal currents. In the straight shoreline area, no eddy was found. The presence of stratification led to baroclinic low frequency (LP, including the mean) velocities with depth. Freshwater forcing and wind stress dominated the "non-tidal" surface layer dynamics. Near the bottom, friction and other factors induced an Ekman-like spiral in the LP velocity profile. The tidal currents were barotropic, with the M2 constituent dominating the tidal energy. In the wharf area, flow in the lee was found to be an order of magnitude weaker than the free strewn flow offshore. Time-mean spatial eddies were also evident in the lee. Evolution maps within a single M2 tidal cycle show the existence of transient eddies, characterized by a pair of counter-rotating eddies generated both during maximum flood and ebb tide.

A novel and simple "constant-addition" technique was used to study calcite precipitation kinetics and the partitioning of REE between calcite overgrowths and their parent seawater solutions under steady state conditions. / As a consequence of solute interactions in solution and at the growing mineral surface, the calcite precipitation mechanism in seawater is complex. It is dominated by the following reversible overall reaction: $ rm Ca sp{2+}+CO sbsp{3}{2-} rightleftharpoons CaCO sb3.$ A kinetic expression is proposed which describes the precipitation rate according to this reaction. A partial reaction order of 3 with respect to CO$ sb3 sp{2-}$ is obtained. / REE have a strong affinity for calcite and substitute for Ca$ sp{2+}$. REE partition coefficients in calcite overgrowths were calculated from their concentrations in the overgrowths and their parent solutions using a non-thermodynamic homogeneous model. The concentrations were determined by chelation and gradient ion chromatography (CGIC) using a revised procedure. REE partition coefficients decrease gradually with increasing REE atomic number. They are sensitive to changes in (REE): (Ca$ sp{2+}$) and the presence of O$ sb2$ in solution, but unaffected by the precipitation rate, $ rm lbrack CO sb3 sp{2-} rbrack$ or Pco$ sb2$ of the solution. The partitioning behaviour of REE is negatively correlated to the solubility of their respective carbonates and influenced by speciation, adsorption, and subsequent surface reactions (e.g., dehydration).

A Lagrangian dynamic and thermodynamic iceberg drift model was developed, coded and validated against observations. First, the model was used to create a climatology (1979-2000) of iceberg drift in the Southern Ocean. The simulation reproduced the main patterns of motion and the northernmost extent of Antarctic icebergs as inferred from satellite and ship observations. The model was then used to hindcast 29 giant iceberg drift tracks in what was the first study of an iceberg model ability to reproduce the motion of individual icebergs around the Antarctic continent on timescales of years. The shape and timing of twelve of the twenty-nine tracks was successfully modeled with a model error in the 0.9-50% range. In six cases, the shape of the observed drift track was reproduced but the timing was off, and in the remaining eleven simulation the icebergs moved in the wrong direction. The model error was found to be independent of simulation length suggesting that the error was due to inaccuracies in the forcing data rather than in the physics of the model. In particular, model performance deteriorated in coastal areas and in the southern portions of the Weddell and Ross sea, highlighting the need for higher resolution forcing data in these regions. The model accuracy would benefit from a better definition of the Antarctic coastline, a better representation of Katabatic winds off the continent and a forcing ocean model which would include a dynamic and thermodynamic sea-ice component. / Un modèle Lagrangien dynamique-thermodynamique pour la dérive d'icebergs a été développé, codé et validé à l'aide d'observations. Premièrement, nous avons produit, à l'aide du modèle, une climatologie (1979-2000) de la dérive d'icebergs dans l'Océan du Sud. Les principales tendances du mouvement des icebergs simulés sont en accord avec les observations satellitaires et les mesures in-situ. Le modèle simule bien la limite septentrionale des icebergs d'Antarctique. Nous avons ensuite simulé vingt-neuf trajectoires individuelles d'icebergs géants. C'est la première fois qu'une telle étude est menée pour des icebergs observés autour de l'Antarctique et sur une échelle de plusieurs années. Dans douze cas, le tracé et le minutage de la trajectoire observée a été reproduit avec succès (erreur de 0.9-50%). Six simulations avaient des erreurs de temps mais non de trajet et dans les onze simulations restantes, l'iceberg a dérivé dans la mauvaise direction. Il a été établi que l'erreur du modèle était indépendante de la durée de la simulation, suggérant que l'erreur était due au champ de forçage plutôt qu'aux équations physiques du modèle. En particulier, une détérioration de la qualité des résultats a été observée dans les régions côtières et dans les parties sud des mers de Ross et de Weddell; soulignant ainsi le besoin d'améliorer le champ de forçage dans ces régions. D'autres moyens d'augmenter la précision du modèle seraient, entre autre, une meilleure définition de la géographie côtière de l'Antarctique, une meilleure représentation des vents catabatiques et un modèle océanique incluant une composante de glace dynamique et thermodynamique.

In this thesis we investigate the sensitivity of the Arctic and Antarctic sea-ice cover and global ocean properties to wind-stress and radiative forcings from 1500 to 2000. In a first step, the conversion of the granular sea-ice model (GRAN) (Tremblay and Mysak, 1997) from Cartesian to spherical coordinates is presented. The GRAN is coupled to the Earth System Climate Model of the University of Victoria as an application. The sea-ice thickness and drift in the Arctic Ocean agree well with observations. To further validate the model, the results of thermodynamic component are compared with the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA) datasets which were collected between autumn 1997 and autumn 1998. The simulated growth rate is larger and the melt rate is smaller than observed. In a second step, the model is used to investigate which forcings had a dominant effect on the sea-ice cover in both polar regions during the Little Ice Age (LIA), defined as the period between 1500 and 1850, and the industrial period (1850 - 2000). Three different reconstructed wind-stress fields which take into account the North Atlantic Oscillation, one general circulation model wind-stress field, and three different radiative forcings are used (i.e., volcanic activity, insolation changes, greenhouse gas changes). The annual surface air temperature anomalies for the Northern Hemisphere, which are used as model validation, show good agreement with reconstructed temperature anomalies. The simulated sea-ice area and volume in the Northern Hemisphere were larger during the LIA as compared to the present. The comparison between wind-driven and radiatively-driven changes shows that both forcings result in equal magnitude changes in the case of ice volume; for ice area, the wind-driven part is twice as large as the radiatively-driven part. The simulations suggest that the main radiative forcing before 1850 was volcanic forcing, whereas after 1850 the greenhouse gas changes dominated the / Nous étudions dans cette thèse de doctorat l'effet du vent et du forçage radiatif sur la glace de mer de l'Arctique et de l'Antarctique et les proprétés de l'eau de mer. Cette étude se consentre essentiellement sur la période comprise entre 1500 et 2000. En premier lieu, la conversion du modèle de glace de mer granulaire (GRAN) des coordonnées cartésiennes aux coordonnées sphériques est présentée. Comme application, le GRAN est couplé au 'Earth System Climate Model' de l'Université de Victoria. La dérive et l'épaisseur de la glace dans l'océan Arctique concordent avec les observations. Le module thermodynamique est validé en comparant ses résultats aux données du 'Surface Heat Budget of the Arctic Ocean' (SHEBA). Ces données ont été prises entre l'automne 1997 et l'automne 1998. La croissance de glace simulée par le modèle est supérieure et la fonte inférieure à celles observées. En deuxième lieu, le modèle est utilisé pour étudier quels forçages ont un effet dominant sur la couverture de glace de mer des deux régions polaires durant la petite ère glacière (PEG), la période comprise entre 1500 et 1850, et la ère industrielle (1850 - 2000). Trois reconstructions différentes du vent modulée par l'oscillation nord-Atlantique, les vents obtenus d'un modèle de circulation général et trois forçages radiatifs distincts (i.e., activité volcanique, changements de l'insolation et changements des concentrations de gaz à effet de serre) sont utilisés pour forcer le modèle. Les anomalies de la temperature de surface annuelle pour l'hémisphère Nord, qui sont utilisées pour valider le modèle, montrent un bon accord avec les reconstructions des anomalies de temperature. Le volume et l'étendue de la couverture de glace simulés dans l'hémisphère Nord sont plus élevés pendant la PEG que les valeurs présentes. Les résultats obtenus montrent que les changements de volume causés soit par le vent soit par les forçages ra

The Eocene-Oligocene boundary marked the transition from a very warm to a much cooler global climate, and the first appearance of large ice sheets in Antarctica. The opening of the Drake Passage and hence the establishment of the Antarctic Circumpolar Current (ACC) has been proposed as a mechanism for the dramatic Southern Hemisphere cooling at this time. Previous modelling studies explicitly addressing the impact of the Drake Passage used models with simple representations of an atmosphere, and did not consider the Panamanian Seaway, which was open at the time, allowing Atlantic and Pacific waters to exchange. Here, a coupled, fully-dynamic climate model is used to simulate the ocean circulation and climate impacts of the Drake Passage as modulated by the presence or absence of the Ismuth of Panama. With the Panama Ismuth, closing the Drake Passage does not lead to a shutdown of northern overturning, as commonly observed in simpler models, and the temperature impact on Antarctica is similar to prior estimates. In this case, Antarctic cooling reflects the thermal isolation of Antarctica, as warm subtropical waters cannot pass the geostrophic barrier of the Drake Passage. Without the Panama Isthmus, a salinity threshold is reached in the North Atlantic, leading to the cessation of northern overturning and dominance of southern overturning. In the case with no Panama Isthmus, the cooling of surface air temperatures over Antarctica caused by the Drake Passage is 3 × larger than the case with a Panama Isthmus. The larger temperature change reflects the additional onset of inter- hemispheric overturning, transferring heat from the Southern Hemisphere to the Northern Hemisphere, as well as an atmospheric radiative feedback driven by changes in cloud distributions. / La frontère Éocène-Oligocène marque la transition d'un climat chaud à un climat globallement plus frais, et l'apparition de larges calottes glacière en Antarctique. L'ouverture du Passage de Drake et donc l' établissement du Courant Circumpolaire Antarctique a ét é proposé comme un mécanisme permettant le refroidissement drastique de l'hémisèphre sud à cette époque. Des expériences passées de modélisation traitant explicitement des impacts du Passage de Drake utilisent des modèles ne représentant l'atmosphère que de façon simple sans considérer la route maritime du Panama qui ouverte à cette époque, permettait des échanges entre l'Atlantique et le Pacifique. Dans cette étude, un modèle couplé et complètement dynamique est utilisé pour simuler les impacts du Passage de Drake sur la circulation océanique ainsi que sur le climat, tout cela modulé par la présence ou l'absence de l'Isthme de Panama. Avec un Isthme de Panama, la fermeture du Passage de Drake ne résulte pas en l'arrêt de la Circulation Méridienne du Nord comme comunément observé avec de modèles simples malgrés le fait que la réaction de température soit similaire aux estimations passées. Dans ce cas-ci le refroidissement est causé par une isolation thermale de l'Antarctique résultant en l'impossibilité des eaux subtropicales chaudes de franchir la barrière géostropique du Passage de Drake. Sans l'Isthme de Panama, un seuil de salinité est atteint dans l'Atlantique Nord conduisant a la céssation de la Circulation M ́eridienne du Nord ainsi que la domination de celle du sud. Dans le cas ou l'Isthme de Panama est enlevé, le refroisdissement de la température atmopshérique de surface sur l'Antarctique résultant de l'ouverture du Passage de Drake est 3 × plus importante que dans le cas ou l'Isthme de Panama est présent. Cette réaction de température plus intense est le résultat de l'enclenchement de la Circulation Méridiennedu Nord qui transfère de la chaleur de l'Hémisphère Sud à l'Hémisphère Nord et d'une réaction radiative de l'atmosphère résultant de changements dans la distribution des nuages.

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The California Current is the Eastern Boundary Current associated with the North Pacific Subtropical Gyre, transporting cold, nutrient-rich water equatorward. It is also an area of strong mesoscale eddy variance, as well as subsurface zonal currents known as striations. This work examines the causes and variability of these transports using a set of eddy-resolving ocean model simulations. Large-scale meridional transports are found to be driven interannually by the dominant local pattern of wind stress curl variability. This contrasts with earlier work that suggested that these transports were forced principally by tropically-originating coastal- trapped waves. While mesoscale eddies possess a large fraction of intrinsic variance, there is a deterministic component as well. North of the Southern California Bight this component is driven by the same pattern of wind forcing. To the south, eddies respond nonlinearly to both atmospheric and oceanic forcing. Striations are found to develop in response to irregularities in the California coastline. They spin up along with the large-scale circulation, and their magnitude is constrained by the shelf.

The Antarctic Circumpolar Current (ACC), long recognized for its importance in world ocean and climate dynamics, is close to purely zonal in many regions. This means the majority of meridional transport of heat or other scalars is largely achieved by transient mesoscale eddies. Many long-running climate models are still unable to resolve the mesoscale; their effects are parameterized, most commonly using the GM90 parameterization which relates mass transport to the slopes of isopycnal layers via an eddy diffusivity. In this project, the ACC was modelled using a two-layer quasi-geostrophic model with idealistic topography. A series of simulations were carried out with a combination of topography heights and forcing strengths. Time-mean statistics were used to fit several forms of the eddy diffusivity. A paradox was found in the cross-jet diffusivity. In a global sense, it increased as the strength of forcing and jet velocities increased, consistent with higher eddy kinetic energy. On the other hand, a local definition was found to be a local minimum in the jet core where the velocity peaked, consistent with research suggesting the ACC cores suppress mixing. In addition, a skew diffusivity was fitted and found to be globally non-zero for the higher topography, corresponding to a net eastwards flux. For the ridge simulations, large-scale variation in the cross and skew eddy diffusivity was noted and attributed to the effect of local bottom topography on baroclinic instability. This motivated a matrix definition of the eddy diffusivity, which included the bottom topography gradient as an additional parameter to estimate along and cross jet mass fluxes. In all forms the cross-jet diffusivity showed a large dependence on the density gradient. / Le rôle du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) dans la dynamique mondiale des océans est reconnu depuis longtemps. L'écoulement du CCA est presque de purement zonal dans de nombreuses régions, ce qui signifie que la majorité du transport traversant les jets est effectuée par les remous méso-échelles. La plupart des modèles climatiques de longue durée sont encore incapables de résoudre la méso-échelle et les effets de ces remous doivent être paramétrés. Actuellement, le modèle GM90, qui estime le transport de masse à partir des pistes isopycnales en utilisant une diffusivité turbulente est le plus fréquemment employé. Dans ce projet, le CCA a été représenté par un modèle quasi-géostrophique de deux couches avec de la topographie idéaliste. Une série de simulations a été réalisée en changeant la hauteur de la topographie et le niveau du forçage. Dans le but d'évaluer plusieurs formes de la diffusivité turbulente, une analyse des statistiques temporelles a été réalisée. Dans un sens global, la diffusivité turbulente normale dans la direction méridienne, s'est augmentée avec le gradient de densité. Une définition locale, cependant, était un minimum dans le noyau de jet, en accord avec des recherches qui suggèrent la suppression du transport traversant le CCA. Une diffusivité turbulente dans la direction du débit moyen, a été également estimée, montrant un flux net vers l'est pour les topographies et les forçages supérieurs. Des répartitions spatiales ont été notées dans les champs des diffusivités turbulentes dans la direction normale et parallèle à l'écoulement moyen. Celles ont motivé une matrice de diffusion turbulente afin d'essayer de prendre en compte l'effet de la topographie sur les flux de masse. Cette forme a été appliquée globalement et localement, et a permis de réduire la variation spatiale observée.