Introduction to the Special Issue on Dynamics of the Gulf of St. Lawrence System and its Influence on the Ecosystem: Past, Present, and Future

The Gulf of St. Lawrence (GSL) is a semi-enclosed sea connected with the Grand Banks and the Scotian Shelf through Cabot Strait and with the Labrador and Newfoundland Shelves through the Strait of Belle Isle. The GSL is a unique marine ecosystem characterized by large freshwater runoff from rivers and land, landward flow of the North Atlantic waters along the Laurentian Channel, large seasonal changes in hydrography, and high biological productivity and diversity of marine life. The water mass and circulation in the GSL have been studied since the 1930s as reported by Gilbert, Gobeil, Sundby, Mucci, and Tremblay (2005). Several scientific meetings focused on the GSL have also been held over the years, and many original scientific papers were published in several proceedings (e.g., El-Sabh, Bourget, Bewers, & Dionne, 1979; Pelletier & Sévigny, 2009; Therriault, 1991).

It has long been recognized, however, that the general oceanographic conditions and associated temporal and spatial variabilities in the GSL could not be fully understood without looking at the entire region of the eastern Canadian shelf (ECS), which includes the Labrador Shelf, Newfoundland Shelf, the Grand Banks, the Scotian Shelf, the Bay of Fundy, the Gulf of Maine and deep ocean waters of the northwest Atlantic Ocean adjacent to the ECS. With the increasing complexity and realism of numerical ocean circulation models such as the Nucleus for European Modelling of the Ocean (NEMO; Madec, 2008), the Regional Ocean Modeling System (ROMS; Haidvogel et al., 2008), the Princeton Ocean Model (POM; Mellor, 2004), and the Finite Volume Coastal Ocean Model (FVCOM; Chen et al., 2007), we have seen the evolution of local studies expanding to the entire ECS using numerical ocean circulation models. The research work presented in this special issue illustrates this evolution.

This special issue brings together a collection of nine scientific papers covering topics on the latest advances in understanding physical, biological, and geological processes over the ECS based on observational, numerical, and climate studies, with a special emphasis on the GSL and adjacent waters. In this issue, Dever, Hebert, Greenan, Sheng, and Smith (2016) present their observational study of hydrography and coastal circulation along the Halifax Line and the hydrodynamic connection with the GSL. Their analysis of in situ oceanographic observations reveals that the water over the Scotian Shelf is mainly composed of GSL water in the upper layer (85%) and Warm Slope Water below 100 m (77%), highlighting the hydrodynamic connectivity between the GSL and the Scotian Shelf.

For numerical studies of circulation in the GSL and adjacent coastal and shelf waters, Brickman, Wang, and DeTracey (2016) examine the properties of and interrelationship between the various current streams over the ECS at seasonal and annual time scales using ocean circulation simulations for the 1990–2011 period. Their numerical results are produced by a coupled ocean–ice model with a horizontal resolution of 1/12° constructed from NEMO. They demonstrate that the seasonal cycles of circulation over the ECS are consistent with the barotropic component of the Arctic melt cycle and that the shelf-break currents at annual time scales have decreasing correlations as the downstream distance increases. No correlation was found, however, in their model results between the inshore Labrador Current and the flow through the Strait of Belle Isle. The latter correlates with the across- and along-shelf sea level gradients.

Brennan, Bianucci, and Fennel (2016) examine the sensitivity of the circulation over the northwestern North Atlantic to surface and boundary forcing. They use a regional shelf circulation model for the ECS with a horizontal resolution of 10 km constructed from ROMS. Their model results demonstrate that initial and boundary conditions taken from results produced by global ocean models do not necessarily produce a realistic circulation. They show that the use of climatological initial and boundary conditions could improve the performance of their regional ocean circulation model compared with those from global ocean models.

Ma, Han, and Chassé (2016) present their study on spatial and seasonal variability of the circulation and sea-ice conditions over the Newfoundland and Labrador Shelves from model results for the 1979–2010 period. They use a coupled circulation–ice model for the region, based on NEMO, with a horizontal resolution of 7 km. They demonstrate that their model has good skill in simulating the inshore and shelf-edge Labrador Current (both the volume transport and the freshwater transport), three-dimensional (3D) temperature and salinity fields, and sea-ice extent in the region during their study period.

Lefaivre, D’Astous, and Matte (2016) document major changes made recently to the one-dimensional (1D) river hydrodynamic model for forecasting water levels and flows in the St. Lawrence River between Montréal and Saint-Joseph-de-la-Rive. They present the assessment of their model performance by comparing model results with the water level and river flow observations over the 2005–2012 period. They state that the water levels and flow of the St. Lawrence River produced by this 1D river hydrodynamic model is now available as input to numerical models of the GSL.

For a better understanding of biological processes over the GSL and adjacent waters, Ohashi and Sheng (2016) present their study on the effects of the physical environment and various biological behaviours on the distribution and movement of particles in the GSL. They use an individual-based numerical model driven by 3D fields of circulation and hydrography produced by a regional shelf circulation model based on POM. They demonstrate that particles that undergo an observed behaviour, known as selective tidal stream transport, are able to exit the St. Lawrence Estuary (SLE) more efficiently than particles that are carried passively by the 3D ocean currents. Outside the SLE, particles that search for and swim towards higher salinity move further downstream than those that have a preference for deeper water or swim in random directions.

Lavoie et al. (2016) investigate the main physical processes affecting krill transport from the northwest Gulf of St. Lawrence (nwGSL) towards the head of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE). They also use an individual-based numerical model driven by 3D simulated fields of circulation and hydrography produced by NEMO. They demonstrate that krill distributions in the LSLE are affected by the general circulation over the nwGSL and adjacent waters that switches between two regimes with one covering winter and spring and the other covering summer and fall. They conclude that the westward inflow events at the mouth of the LSLE, combined with the presence (or absence) of high krill densities in the nwGSL, partly control the interannual variability of the transport of krill into the LSLE.

Wu, Chaffey, Greenberg, and Smith (2016) investigate environmental impacts, such as changes in tidal regimes and sediment transport in the Minas Basin resulting from tidal power extraction in the upper Bay of Fundy (BoF), using a high-resolution unstructured, two-dimensional (2D) hydrodynamic model known as FVCOM. Their model results demonstrate that in-stream tidal power extraction in the Minas Passage in the range of 300–500 MW results in some changes in tides in the BoF, with a decrease of less than 1.5% in tidal levels and an increase of less than 2° in the tidal phase. The tidal currents could be decreased by 15–35% at the western head of the Minas Basin but increased with a comparable magnitude at the Southern Bight. These authors also demonstrate that less sediment would move into the central Minas Basin from the western head of the Minas Basin, and more sediment would move to the Southern Bight through the deep central channel in the Minas Passage.

Long et al. (2016) report their study on the impacts of climate change on the physical conditions in the GSL using a regional ocean circulation–ice model for the GSL, Scotian Shelf, and Gulf of Maine based on NEMO with a horizontal resolution of 1/12°. Their model results indicate that under the A1B climate change scenario the ice volume in March in the GSL decreases from the current condition to near zero in 2069 and that the GSL water will become warmer and fresher than the current conditions over the next 50 years.

All the papers in this special issue have gone through the rigorous reviewing procedures of Atmosphere-Ocean. As the guest editors of this issue, we wish to sincerely thank all the contributors for their high-quality research papers included in this special issue and the anonymous referees for their constructive comments on the original manuscripts. Without peer assessment of this order, the quality of the papers would have been compromised. We also wish to thank Dr. Guoqi Han, the editor-in-chief of Atmosphere-Ocean, and the technical staff of this journal for their strong support in making this special issue possible. Finally, we would like to give credit to J.M. Richard Asselin who initiated this special issue while he was the Director of Publications, the Canadian Meteorological and Oceanographic Society.

Présentation du numéro spécial sur le passé, le présent et le futur de la dynamique du système du golfe du Saint-Laurent et de son influence sur l’écosystème* Convenor's Email: [email protected]

Le golfe du fleuve Saint-Laurent (GSL) est une mer semi-fermée, liée aux Grands bancs et au plateau néo-écossais via le détroit de Cabot, ainsi qu’aux plateaux du Labrador et de Terre-Neuve via le détroit de Belle Isle. Le golfe du Saint-Laurent constitue un écosystème unique, caractérisé par un important ruissellement d’eau douce provenant de divers cours d’eau et du sol, par un écoulement vers le continent des eaux de l’Atlantique Nord le long du chenal Laurentien, par de grandes variations hydrographiques saisonnières, et par une production biologique élevée et une grande diversité de la vie marine. La masse d’eau du golfe du Saint-Laurent et sa circulation font l’objet d’études depuis les années 1930, comme le rapportent Gilbert, Gobeil, Sundby, Mucci, et Tremblay (2005). Plusieurs colloques scientifiques consacrés au GSL ont eu lieu au fil des ans. Nombre d’articles scientifiques originaux ont également paru dans divers actes de congrès (p. ex. El-Sabh, Bourget, Bewers, et Dionne, 1979; Pelletier et Sévigny, 2009; Therriault, 1991).

Il est reconnu depuis longtemps, toutefois, que les conditions océanographiques générales et les variabilités temporelle et spatiale connexes dans le golfe ne peuvent être entièrement comprises sans tenir compte de toute la région du plateau est du Canada, qui comprend les plateaux du Labrador et de Terre-Neuve, les Grands bancs, le plateau néo-écossais, la baie de Fundy, le golfe du Maine et les eaux profondes du nord-ouest de l’océan Atlantique, qui sont adjacentes au plateau est du Canada. Étant donné la complexité et le réalisme croissants des modèles numériques de circulation océanique comme le Nucleus for European Modelling of the Ocean (NEMO; Madec, 2008), le Regional Ocean Modeling System (ROMS; Haidvogel et coll., 2008), le Princeton Ocean Model (POM; Mellor, 2004), et le Finite Volume Coastal Ocean Model (FVCOM; Chen et coll., 2007), nous avons vu l’évolution des études locales, qui s’étendent maintenant à tout le plateau est du Canada grâce aux modèles numériques de circulation océanique. Les travaux de recherche qui figurent ici attestent de cette évolution.

Ce numéro spécial regroupe neuf articles scientifiques qui portent sur les récents progrès de notre compréhension des processus physiques, biologiques et géologiques se déroulant sur le plateau est du Canada; articles qui sont étayés par des observations, des simulations numériques et des études climatologiques et qui mettent notamment l’accent sur le golfe du Saint-Laurent et les eaux adjacentes. Dans ce numéro, Dever, Hebert, Greenan, Sheng, et Smith (2016) présentent leur étude observationnelle des conditions hydrographiques et de la circulation côtière le long de la ligne d’Halifax, et de leur lien hydrodynamique avec le golfe du Saint-Laurent. Leur analyse d’observations océanographiques in situ révèle que les eaux de la couche supérieure au-dessus du plateau néo-écossais se composent principalement d’eau du GSL (85%) et d’eau chaude de la pente continentale sous 100 m (77%), mettant ainsi au jour le lien hydrodynamique entre le golfe du Saint-Laurent et le plateau néo-écossais.

Pour ce qui est des études numériques sur la circulation dans le golfe du Saint-Laurent ainsi que dans les eaux adjacentes des côtes et du plateau, Brickman, Wang, et DeTracey (2016) examinent les liens entre les divers courants au-dessus du plateau est du Canada et leurs propriétés, et ce, aux échelles saisonnière et annuelle, à l’aide de simulations de la circulation océanique pour la période allant de 1990 à 2011. Leurs résultats numériques proviennent d’un modèle couplé océan-glace possédant une résolution horizontale de 1/12°, construit à partir du NEMO. Ils démontrent que les cycles saisonniers de la circulation au-dessus du plateau est du Canada correspondent à la composante barotropique du cycle de fonte de l’Arctique, et que les courants de bord du plateau, à l’échelle annuelle, montrent une corrélation moindre à mesure que la distance en aval augmente. Les résultats du modèle n’indiquent aucune corrélation, toutefois, entre le courant côtier du Labrador et le courant passant dans le détroit de Belle-Isle. Ce dernier est corrélé avec les gradients du niveau de la mer, parallèle et perpendiculaire au plateau.

Brennan, Bianucci, et Fennel (2016) examinent la sensibilité de la circulation dans le nord-ouest de l’Atlantique Nord sous l’influence du forçage en surface et des conditions limites. Ils utilisent un modèle régional de circulation qui découle du ROMS, représente le plateau est du Canada et possède une résolution horizontale de 10 km. Les résultats de leur modèle démontrent que les conditions initiales et limites issues de modèles océaniques globaux ne produisent pas nécessairement une circulation réaliste. Ils montrent que l’utilisation de conditions initiales et limites tirées de la climatologie plutôt que de modèles océaniques globaux pourrait améliorer le rendement de leur modèle régional de circulation océanique.

Ma, Han, et Chassé (2016) présentent leur recherche sur les variabilités spatiale et saisonnière de la circulation et des conditions de glace marine au-dessus des plateaux de Terre-Neuve et du Labrador, qu’a produites leur modèle pour la période 1979 à 2010. Ils utilisent pour la région un modèle couplé circulation-glace qui se fonde sur le NEMO et possède une résolution horizontale de 7 km. Les auteurs démontrent que leur modèle peut simuler adéquatement le courant du Labrador le long des côtes et du rebord de plateau (autant le transport du volume que le transport d’eau douce), les champs tridimensionnels de température et de salinité, et l’étendue de la glace de mer dans la région, pour la période à l’étude.

Lefaivre, D’Astous, et Matte (2016) présentent les changements majeurs récemment apportés au modèle hydrodynamique unidimensionnel destiné à la prévision du niveau d’eau et du débit du fleuve Saint-Laurent entre Montréal et Saint-Joseph-de-la-Rive. Ils évaluent le rendement de leur modèle en comparant les résultats de simulation avec les niveaux d’eau et les débits fluviaux observés au cours de la période 2005 à 2012. Les auteurs affirment que les niveaux d’eau et les débits du fleuve Saint-Laurent que produit ce modèle hydrodynamique unidimensionnel sont maintenant disponibles comme intrants aux modèles numériques simulant le golfe du Saint-Laurent.

Pour une compréhension accrue des processus biologiques dans le golf du Saint-Laurent et dans les eaux adjacentes, Ohashi et Sheng (2016) présentent leurs travaux sur les effets de l’environnement physique et de divers comportements biologiques sur la répartition et le mouvement des particules dans le golfe du Saint-Laurent. Ils utilisent un modèle numérique de simulation des particules individuelles fondé sur le POM et piloté par des champs tridimensionnels de circulation et de conditions hydrographiques, que produit un modèle régional de circulation de plateau. Ils démontrent que les particules qui manifestent un comportement observé connu sous le nom de transport sélectif par courant de marée parviennent à sortir plus efficacement de l’estuaire du Saint-Laurent que les particules qui sont passivement transportées par les courants marins tridimensionnels. À l’extérieur de l’estuaire, les particules qui recherchent une forte salinité et qui nagent vers ce but se déplacent plus loin vers l’aval que celles qui préfèrent l’eau profonde ou les déplacements aléatoires.

Lavoie et coll. (2016) étudient les processus physiques principaux qui touchent le transport du krill, à partir du nord-ouest du GSL vers la tête de l’estuaire maritime du Saint-Laurent. Ils utilisent également un modèle numérique de simulation de particules individuelles piloté par les champs tridimensionnels de circulation et de conditions hydrographiques que simule le NEMO. Ils démontrent que la répartition du krill dans l’estuaire maritime du Saint-Laurent est régie par la circulation générale dans le nord-ouest du GSL et dans les eaux adjacentes. Cette circulation oscille entre deux régimes : l’un couvrant l’hiver et le printemps et l’autre, l’été et l’automne. Ils concluent que les cas de courants entrants (vers l’ouest) à l’embouchure de l’estuaire maritime du fleuve, combinés à la présence ou à l’absence de densités élevées de krill dans le nord-ouest du golf du Saint-Laurent, régissent partiellement la variabilité interannuelle du transport du krill dans l’estuaire maritime du Saint-Laurent.

Wu, Chaffey, Greenberg, et Smith (2016) examinent les impacts environnementaux, comme les modifications du régime de marées et du transport de sédiments dans le bassin Minas, en réaction à l’exploitation d’énergie marémotrice dans le fond de la baie de Fundy, et ce, à l’aide d’un modèle hydrodynamique bidimensionnel à grille non structurée et à haute résolution, le FVCOM. Les résultats de leur modèle démontrent que l’exploitation de 300 à 500 MW d’énergie marémotrice dans le passage Minas entraîne des modifications de la marée dans la baie de Fundy : une diminution de moins de 1,5% du niveau de la marée et une augmentation de moins de 2° de la phase de la marée. Les courants de marée pourraient diminuer de 15 à 35% à la tête ouest du bassin Minas, mais subir une augmentation du même ordre dans le Southern Bight. Ces auteurs démontrent aussi qu’une moindre quantité de sédiments se déplacerait vers le centre du bassin Minas à partir de la tête ouest de ce bassin, tandis qu’une quantité accrue de sédiments se déplacerait vers le Southern Bight en passant par le profond chenal au centre du passage Minas.

Long et coll. (2016) présentent leur étude sur les impacts des changements climatiques sur les conditions physiques du golfe du Saint-Laurent en utilisant un modèle océanique régional circulation-glace, appliqué au golfe du Saint-Laurent, au plateau néo-écossais et au golfe du Maine, fondé sur le NEMO et dont la résolution horizontale est de 1/12°. Les résultats de leur modèle indiquent que, selon le scénario de changements climatiques A1B, le volume de glace de mars dans le golfe du Saint-Laurent atteint, à partir de la situation actuelle, près de zéro, en 2069. De plus, l’eau du GSL verra sa température augmenter et sa salinité diminuer par rapport aux conditions existantes, et ce, au cours des 50 prochaines années.

Tous les articles de ce numéro spécial ont subi le processus de révision rigoureux propre à Atmosphere-Ocean. En tant que rédacteurs en chef invités de ce numéro, nous remercions sincèrement tous les contributeurs pour la grande qualité des articles scientifiques que nous incluons dans ce numéro spécial. Nous sommes également reconnaissants aux réviseurs anonymes, qui ont émis des commentaires constructifs relatifs aux manuscrits originaux. Sans la relecture attentive par nos pairs, la qualité des articles aurait été compromise. Nous remercions aussi Guoqi Han (Ph. D.), éditeur en chef d’Atmosphere-Ocean, et le personnel technique de la revue pour leur soutien indéfectible, qui a permis la publication de ce numéro. Finalement, je note l’apport de J. M. Richard Asselin, qui a donné le coup d’envoi du numéro spécial, quand il était directeur des publications de la Société canadienne de météorologie et d’océanographie.

Cover: Presentation of the satellite Aqua MODIS sea surface temperature (°C, 11 µm night time) monthly composite over the eastern Canadian shelf and adjacent deep waters of the northwest Atlantic Ocean in September 2015 at 4 km spatial resolution. The 200 m and 1000 m isobaths are shown by the black and grey contours, respectively. The monthly composite was provided by the NASA Goddard Space Flight Center, Ocean Ecology Laboratory, Ocean Biology Processing Group (2014): MODIS-Aqua Ocean Color Data (http://dx.doi.org/10.5067/AQUA/MODIS_OC.2014.0). Abbreviations are used for the Gulf of St. Lawrence (GSL), the Labrador Shelf (LS), the Newfoundland Shelf (NFS), the Grand Banks (GB), the Scotian Shelf (SS), the Bay of Fundy (BoF), the Gulf of Maine (GoM). The plot was generated by Shiliang Shan (Department of Oceanography, Dalhousie University).

Page couverture: Répartition de la température de la surface de la mer, issue du satellite Aqua MODIS (°C, 11 µm, de nuit). Image composite mensuelle de septembre 2015, couvrant le plateau est du Canada et les eaux adjacentes profondes du nord-ouest de l’océan Atlantique, à une résolution spatiale de 4 km. Les lignes de contour en noir et en gris illustrent respectivement les isobathes de 200 et 1000 m. Cette image composite mensuelle provient du groupe Ocean Biology Processing de l’Ocean Ecology Laboratory, relevant du Goddard Space Flight Center de la NASA (2014) : données Ocean Color de MODIS-Aqua (http://dx.doi.org/10.5067/AQUA/MODIS_OC.2014.0). Des abréviations sont utilisées pour le golfe du Saint-Laurent (GSL), le plateau du Labrador (LS), le plateau de Terre-Neuve (NFS), les Grands bancs (GB), le plateau néo-écossais (SS), la baie de Fundy (BoF) et le golfe du Maine (GoM). Shiliang Shan (département d’océanographie, Université Dalhousie) a généré les contours de la carte.