Modélisation de la circulation dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent en réponse aux variations du débit d’eau douce et des vents Modelling of the circulation in the Estuary and Gulf of St. Lawrence in response to variations in fresh water runoff and winds

Résumé

Nous examinons des résultats récents issus d’observations et de simulations numériques de la circulation générale et du climat de l’estuaire moyen et du golfe du Saint-Laurent. Nous focalisons cette étude sur l’intensité de la circulation estuarienne. L’approche méthodologique est présentée avec une emphase sur l’intégration, à l’aide de simulations numériques, des processus clés tels que le mélange turbulent associé aux marées à la tête du chenal Laurentien et les échanges atmosphère-océan dans l’ensemble de l’estuaire maritime et du golfe. Les simulations numériques permettent de suivre l’évolution de la circulation et du climat sur des périodes de quelques heures à plusieurs années. Nous examinons d’une part la variabilité tidale de la circulation à la tête du chenal Laurentien et dans l’estuaire moyen, illustrant l’importance des processus qui gouvernent largement la circulation estuarienne du Saint-Laurent. Ces principaux processus sont les instabilités dynamiques associées à l’étirement de marée et aux sauts hydrauliques internes aux abords des seuils. D’autre part, la contrainte du vent est dominante pour propulser les eaux douces vers l’océan Atlantique dans l’estuaire maritime et le golfe. À l’aide d’expériences de sensibilité, les effets sur la circulation de variations dans l’apport d’eau douce et dans l’intensité des vents sont isolés. Les résultats montrent que notre modèle du Saint-Laurent répond aux forçages externes à l’instar d’un estuaire classique à deux couches lors des périodes de forte stratification (printemps et été), c’est-à-dire lorsque l’apport en eau douce entraîne une intensification de la circulation de la couche intermédiaire froide du golfe vers le continent jusqu’à une profondeur d’environ 150 m. D’autre part, lors des périodes de plus faible stratification (automne et hiver), la contrainte du vent gouverne la circulation des couches d’eau profondes (plus de 150 m) vers le continent. Un excès dans l’apport d’eau douce inhibe partiellement leur ventilation, comme dans une mer marginale nordique. Ces résultats suggèrent qu’une diminution éventuelle de l’apport en eau douce du fleuve Saint-Laurent, associée au réchauffement climatique ou au développement, pourrait diminuer l’intensité de la circulation estuarienne au printemps et à l’été. Durant l’hiver, une diminution du débit pourrait favoriser l‘apport en eaux profondes du chenal Laurentien.

Mots clés:

• Estuaire,
• circulation,
• climat,
• marée,
• polynie,
• fronts,
• mélanges,
• sauts hydrauliques

Abstract

We examine recent results issued from observations and numerical simulations of the general circulation and climate of the St. Lawrence Estuary and Gulf. We focus this study on the intensity of the estuarine circulation. The approach is presented with an emphasis on the integration, using numerical simulations, of key processes such as turbulent mixing associated with tides at the head of the Laurentian Channel and air-sea exchanges over the Lower Estuary and Gulf. The numerical simulations allow us to follow the evolution of circulation and climate over periods of a few hours to several years. We first examine the tidal variability of the circulation at the head of the Laurentian Channel and the Upper Estuary, illustrating the importance of processes that largely govern the estuarine circulation. The most important processes are the dynamical instabilities associated with tidal straining and internal hydraulic jumps near the sills. On the other hand, the wind stress dominates the variability of freshwater export from the Lower Estuary and Gulf to the Atlantic Ocean. Using sensitivity experiments, the effects of freshwater runoff and wind intensity on the estuarine circulation are isolated. The results show that the St. Lawrence model responds to the external forcings like a classical two-layer estuary during periods of higher stratification (spring and summer), when the freshwater drives more efficient withdrawal of the cold intermediate layer of the Gulf to a depth of approximately 150 m. On the other hand, in periods of lower stratification (fall and winter), the wind stress drives the deep water circulation (more than 150 m depth) and an excess freshwater input partly inhibits this ventilation, as in a marginal northern sea. These results suggest that an eventual reduction of freshwater runoff from the St. Lawrence River, associated with climate change or development, could reduce the estuarine circulation during spring and summer. During winter, such a reduction could favour the withdrawal of deep waters from the Laurentian Channel.

Key words:

• Estuary,
• circulation,
• tides,
• climate,
• polynia,
• mixing,
• hydraulic jumps