Structure de la thèse

La présente thèse est structurée de la manière suivante:

Le chapitre 1 présente la mise en contexte et l’introduction aux objectifs du projet, tandis que le chapitre 2 présente la description de la zone d’étude et la dynamique spatiotemporelle des conditions de glace dans le système de la Baie d’Hudson.

Le développement et l’implantation de l’outil de modélisation fréquentielle des concentrations de glace de mer est présenté aux chapitres 3, 4 et 5. Le chapitre 3 présente un état de l'art sur la modélisation des conditions de glace ainsi que les concepts de base de la modélisation fréquentielle. Le chapitre 4 décrit les étapes du développement d'un outil d’aide à la décision novateur (IcePAC) basé sur la modélisation fréquentielle des conditions de concentration de glace à partir de données micro-ondes passives. Le chapitre 5 illustre, par des exemples d’application du modèle présenté au chapitre précédent, la dynamique spatiotemporelle des concentrations de glace de mer dans le HBS.

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Le chapitre 6 porte sur un état de l'art des méthodes de cartographie des glaces de mer avec les diverses plateformes de télédétection. Le chapitre 7 présente le développement d'une méthode de cartographie de la présence de glace à partir de données du spectre réfléchi et thermique du capteur MODIS, nommée IceMap250. Cette méthode a d’ailleurs fait l’objet d’une publication qui est disponible en annexe 2. Finalement, l'évaluation de la dynamique spatiotemporelle de la présence de glace dans la Baie d'Hudson grâce aux données de l'algorithme IceMap250 est présentée au chapitre 8.

Enfin, le dernier chapitre (chapitre 9) de cette thèse présentera une conclusion sur l'atteinte des objectifs de la recherche doctorale et sur les aspects innovants de la thèse et les perspectives de développement.

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Chapitre 2 : Zone d’étude – Le système de la Baie d’Hudson

Dans cette section, une description de l'état des connaissances liées à la zone d'étude de cette recherche doctorale est présentée. Elle vise à décrire la zone selon ses paramètres physiques particuliers, à décrire la dynamique spatiotemporelle du couvert de glace généralement observée et à aborder les recherches ayant étudiées les changements dans cette dynamique du couvert de glace de mer sur le territoire d'étude.

Le territoire à l'étude dans cette recherche doctorale est constitué de la Baie d'Hudson, du Détroit d'Hudson, de la Baie James et du Bassin Foxe (figure 1). La Baie d'Hudson, le Détroit d'Hudson et la Baie James, sont entourées des provinces canadiennes du Manitoba, du Québec, de l'Ontario et du Nunavut. Parfois nommé complexe de la Baie d'Hudson (Stewart et al., 2010) ou Hudson Bay System ou HBS (Saucier et al., 2004), ce système s'étend sur un vaste territoire de plus de 1 300 000 km2 _{et constitue la plus grande mer}

intérieure sur notre planète (Etkin, 1991, Gagnon et al., 2005a, Martini, 1986). Le HBS est situé dans les régions arctiques et subarctiques au nord-est du Canada. Il est estimé que les rivières s'écoulant vers le HBS amènent environ 900 km3_/an-1 _{d'eau douces dans le système,}

ce qui représente 20 % de l'afflux d'eaux douces par ruissellement vers l'Océan Arctique (Déry et al., 2004, Déry et al., 2005). La Baie d'Hudson est connectée à la mer du Labrador via le Détroit d'Hudson et à l'Océan Arctique via le Bassin Foxe (Prinsenberg, 1986) et est caractérisée par une faible profondeur, en moyenne de moins de 100 m dans le Bassin Foxe, de 125 m dans la Baie d'Hudson et de plus de 200 m dans le Détroit d'Hudson (Jones et al., 1994). Les courants dans la Baie sont cycloniques et générés de manière dominante par les vents, avec un maximum d'intensité en novembre (Saucier et al., 2004).

Le comportement typique du couvert de glace dans le HBS est bien documenté par plusieurs recherches (CIS, 2013, Gagnon et al., 2005a, Gagnon et al., 2005b, Hochheim et

al., 2010, Hochheim et al., 2014, Kowal et al., 2017, Maxwell, 1986). Le HBS passe au cours

d'une année au travers d'un cycle englacement/fonte complet, ce qui signifie que la glace couvre entièrement la Baie en hiver et qu'elle est entièrement libre de glace en été (Gagnon

et al., 2005a, Gagnon et al., 2005b). Le couvert de glace de mer apparaît initialement près de

la côte nord-ouest de la Baie d'Hudson et près de l'Île Southampton tôt en novembre et progresse ensuite en direction sud-est (Hochheim et al., 2014, Maxwell, 1986). La Baie James et l'est de la Baie d'Hudson sont les dernières parties du HBS à être englacées (Hochheim et al., 2014). Typiquement, la majorité du HBS est englacé vers la fin décembre et

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entièrement libre de glace de la mi-août jusqu'à la fin octobre (Gagnon et al., 2005b, Markham, 1986, Mysak et al., 1996, Wang et al., 1994).

Figure 1: Le système de la Baie d'Hudson (HBS) étudié dans cette recherche doctorale avec les sites de validation utilisés (CHB = Coastal Hall Beach, CCD = Coastal Cape Dorset, CBI = Coastal Belcher Islands, CAI = Coastal Akismi Island, OC = Offshore Churchill, OCHB = Offshore Central Hudson Bay, ONUB = Offshore Northern Ungava Bay et OFB = Offshore Frobisher Bay) et les polynies de la région d’étude

Le maximum annuel est atteint en avril (Gagnon et al., 2005b), la fonte des glaces débutant en mai, le long de la rive nord-ouest et les chenaux d'eau libre s'étendent

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graduellement le long des côtes autour de la Baie d'Hudson. À la fin juillet, il ne reste généralement qu'un banc de glace au voisinage de la rive sud de la Baie (CIS, 2013). Le couvert de glace est constitué quasi-exclusivement de glaces de première année, à l’exception de quelques glaces de deuxième année dans le nord-est de la Baie d'Hudson et principalement dans le Bassin Foxe (CIS, 2013, Etkin et al., 1993). Les sections de la Baie James et du Détroit d'Hudson tendent à s'englacer au début novembre; et c'est dès la mi- octobre que la glace commence à se former dans le Bassin Foxe (CIS, 2013). Les figures 2 et 3 présentent les dates d'englacement et de déglacement moyennes pour l'Arctique Canadien.

Des travaux portant sur l'étude des tendances des étendues de glace et sur les jours d'englacement et de déglacement permettent de dresser un portrait de la dynamique temporelle des conditions de glace dans la Baie d'Hudson et dans l'Arctique, sans néanmoins fournir une information spatiale sur les concentrations de glace ou sur les distributions statistiques sous-jacentes aux données (Cavalieri et al., 2012, Markus et al., 2009, Meier et

al., 2007, Parkinson et al., 2002, Parkinson et al., 2008, Parkinson et al., 1999). D'emblée,

l'on remarque que l'ensemble des travaux abondent dans la même direction, soit un déclin des étendues du couvert de glace, particulièrement marquée pour les périodes les plus dynamiques et des englacements et déglacements devenant respectivement de plus en plus tardifs et hâtifs.

Avec des données provenant des satellites micro-ondes passives SMMR et SMM/I pour la période 1978-1996, des taux de déclin du couvert de −1,2 % par décennie au printemps, de −5,4 % par décennie en été et de −4,7 % par décennie en automne ont été mesurés pour le HBS (Parkinson et al., 1999). Pour le même exercice, mais couvrant la période 1979-2006, des taux de déclin du couvert de −2,8 ± 0,7 % au printemps, de −19,5 ± 5,0 % en été et de −12,9 ± 2,9 % en automne ont été mesurés pour le HBS (Parkinson et al., 2008). Finalement, en reproduisant l'approche sur des données entre 1979-2010, des taux de déclin du couvert de −2,6 ± 0,6 % au printemps, de −19,1 ± 3,9 % en été et de −12,9 ± 2,4 % en automne ont été mesurés pour le HBS (Cavalieri et al., 2012). Dans un même ordre d'idées, les travaux de Meier et al. (2007) présentent le même type d'analyse, mais mois par mois, pour une analyse sur la période 1979-2006, toujours à partir d'observations micro- ondes passives. Les taux de déclin de l'étendue du couvert par décennie mesurés pour le HBS sont de -0,1 % en mai, de -5,3 % en juin, de -24,3 % en juillet, de -22,9 % en août, de -

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34 % en septembre, de -46,6 % en octobre, de -25,8 % en novembre et de -1,4 % en décembre, pour un taux de déclin annuel de -4,6 %.

Le travaux de Markus et al. (2009), portant eux sur les dates d'englacement et de fonte, ont permis de déceler des tendances, entre 1979 et 2008, au prolongement de la période sans glace, soit une date de fonte plus hâtive et un englacement plus tardif dans la Baie d'Hudson, l'englacement étant reporté de 5,4 jours par décennie et la fonte devancée de 5,3 jours par décennie.

Figure 2: Dates de l'englacement dans l'Arctique canadien selon les observations du Service canadien des glaces (SCG-CIS) sur la période 1981-2010 (CIS, 2013)

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Figure 3: Dates de déglacement dans l'Arctique canadien selon les observations su Service canadien des glaces sur la période 1981-2010 (CIS, 2013)