Study of lake-river-atmosphere interactions for northeast Canada in current and future climates

Huziy, Oleksandr (2016). « Study of lake-river-atmosphere interactions for northeast Canada in current and future climates » Thèse. Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Doctorat en sciences de la Terre et de l'atmosphère.

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Résumé

Le cycle hydrologique de la terre devrait être modifié par le changement climatique. Des études précédentes basées sur des modèles climatiques globaux (MCG) ont montré une future intensification dans la moyenne globale des précipitations et de l'évaporation. Cependant, à l'échelle régionale, des augmentations et diminutions significatives sont prédites. L'étude des réponses régionales au changement climatique requiert le plus souvent l'utilisation de simulations à plus haute résolution que celle employée dans les modèles globaux. Par conséquent, les modèles climatiques régionaux (MCR) sont de plus en plus utilisés dans le but de comprendre les interactions et rétroactions entre les différentes composantes du système climatique dans le cadre du climat présent et futur. La résolution des MCR est en constante augmentation rendant nécessaire la prise en compte des surfaces d'eau intérieures ainsi que leurs interactions avec les autres composantes du système climatique. L'objectif de cette étude est l'implémentation d'un module rivière-lac ainsi que la paramétrisation de l'écoulement latéral dans le sol (écoulement hypodermique) dans la cinquième génération du modèle climatique canadien du climat (MRCC5). Le nouveau système ainsi développé sera ensuite validé par l'évaluation des interactions rivière-lac-atmosphère ainsi que les changements projetés dans l'hydrologie de surface et le climat dans les régions de latitudes élevées. Le domaine considéré dans cette étude couvre 21 bassins versants du nord-est Canadien localisés principalement dans la province du Québec avec quelques parties situées dans les provinces avoisinantes (Ontario et Terre-Neuve- et-Labrador). Le choix du domaine est justifié par la multitude des lacs et rivières dont l'importance est cruciale pour la population à bien des égards, on pourrait citer l'hydro-électricité, transports, tourisme. Cette étude est donc d'intérêt scientifique mais aussi économique. La première partie de cette thèse est consacrée à l'analyse des caractéristiques des débits, c'est à dire la moyenne annuelle, les écoulements saisonniers ainsi que les extrêmes dans un cadre de climat présent et futur. Aux fins d'analyse, les débits sont dérivés à partir de simulations d'ensemble de 10 membres produites par la quatrième génération du modèle régional canadien du climat (MRCC4) piloté par des sorties du modèle global canadien du climat (cinq représentant le climat présent 1970-1999 et les cinq restant le climat futur 2041-2070). Pour développer les changements projetés dans les caractéristiques des débits, deux approches sont utilisées : l'une basée sur le concept de la moyenne d'ensemble alors que la deuxième est basée sur la fusion de membres de simulations du climat courant et futur selon des tests de comparaison multiples. La vérification des caractéristiques des débits simulés par le MRCC pour la période 1970-1999 suggère que les hydrographes moyens simulés ainsi que les caractéristiques des hauts débits sont raisonnablement comparables à ceux observés à l'exception de certaines déficiences dans la représentation des extrêmes dans les faibles écoulements. Les résultats des changements projetés dans les débits annuels moyens montrent une augmentation statistiquement significative sur la majorité du domaine d'étude alors que pour les débits saisonniers, on note des augmentations ou diminutions selon la saison. On note également que les valeurs de période de retour de 2 et 5 ans pour les débits moyennés sur 15 jours affichent une augmentation significative même si ces changements sont faibles en valeur absolue. En se basant sur l'approche de la moyenne d'ensemble, les changements obtenus pour les valeurs de période de retour 10 et 30 ans ne sont généralement pas significatifs. Cependant, une analyse similaire effectuée sur des échantillons plus longs révèle des augmentations significatives dans les périodes de retour des hauts débits principalement dans les bassins versants septentrionaux. Ces résultats suggèrent, pour le développement de projections robustes, d'utiliser des échantillons plus longs et particulièrement pour les évènements extrêmes. Il est important de fournir de l'information sur les projections futures des caractéristiques des débits mais il est surtout important de comprendre les mécanismes physiques derrière ces changements projetés. Ceci a incité à des développements supplémentaires au MRCC ainsi qu'à la conduite des expériences de sensibilité afin de répondre à d'importantes questions scientifiques. Ceci fait l'objet de la deuxième et la troisième partie de cette thèse. Dans la deuxième partie de la thèse, d'importants processus tels que la connectivité lac-rivière et l'écoulement hypodermique, c'est à dire l'écoulement latéral de l'eau dans les couches superficielles du sol, sont implémentés dans le MRCC5. En utilisant plusieurs expériences avec le modèle régional, les interactions entre lacs et rivières ont été évaluées ainsi que leur impact sur le climat régional et l'hydrologie nord-est Canadien; lors de ces simulations les lacs sont représentés par un modèle unidimensionnel (Hostetler), alors que les rivières sont modelées à l'aide d'un schéma de routage distribué (WATROUTE-modifié). La comparaison des simulations du MRCC5 avec et sans lacs pour le climat présent montre de large différences dans les précipitations hivernales et estivales et les températures hivernales et met en évidence l'importance des lacs. Les simulations du MRCC5 avec et sans interactions lac-rivière suggèrent une meilleure représentation des débits dans le premier cas. L'inclusion du processus d'écoulement hypodermique induit des augmentations des débits de plusieurs rivières pendant l'été et l'automne causant des changements modestes dans les interactions sol-atmosphère à travers la modification de l'humidité du sol. L'impact de l'écoulement latéral sur les débits dans la zone d'étude est comparable à celui obtenu en incluant les interactions lac-atmosphère. Finalement, la troisième partie de la thèse est consacrée à l'évaluation de l'impact du changement climatique sur les lacs et l'hydrologie ainsi que l'influence des lacs sur les changements projetés sur le climat régional et l'hydrologie du nord-est du Canada. À cette fin, des simulations de changement climatique transitoire ont été réalisées avec le MRCC5 pour la période 1950-2100 avec et sans lacs avec le scénario RCP8.5. Les conditions aux frontières latérales sont fournies par des sorties du modèle canadien du système terre (CanESM2). La comparaison des changements projetés basés sur les simulations avec et sans lacs révèle que l'inclusion des lacs amortit les changements pour la température à 2-m et ceci pour toutes les saisons. Comme pour les débits, les lacs atténuent les changements des débits printaniers durant la fonte à cause de l'effet de leur effet de stockage. De façon similaire, on note que les lacs augmentent les changements projetés dans les débits estivaux dû à la libération progressive de l'eau provenant de la fonte de neige qu'ils emmagasinent. La contribution scientifique principale de ce travail est une meilleure compréhension des interactions lac-rivière-atmosphère sur la région d'étude. Ce travail est innovateur dans le sens où c'est la première fois que les interactions lac-rivière-atmosphère sont examinées au sein d'un système régional de modélisation climatique. Ces processus sont également étudiés dans un contexte de changement climatique régional dans le but de quantifier leur impact sur le signal de changement climatique sur les variables de surface ainsi que variables atmosphériques proches de la surface. Un résultat quelque peu technique de l'étude est l'exécution on-line du schéma de routage au sein d'un cadre complexe de calcul parallèle sur lequel tourne le MRCC5. Des améliorations additionnelles pourraient être apportées à ce système en incluant l'hydrologie thermique et la modélisation de la glace des rivières, ceci serait très bénéfique pour adresser d'autres questions scientifiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Changement climatique, Modélisation climatique régionale, Modélisation des débits, Modélisation des rivières, Modélisation des lacs, Interactions lac-rivière, Interactions lac-atmosphère, Débits extrêmes.

Type: Thèse ou essai doctoral accepté ()
Informations complémentaires: La thèse a été numérisée telle que transmise par l'auteur.
Directeur de thèse: Sushama, Laxmi
Mots-clés ou Sujets: Climat -- Changements / Hydrologie -- Canada (Est) / Modèle régional canadien du climat / Interactions lac-rivière-atmosphère / Eau douce / Cours d'eau / Lacs / Cours d'eau -- Débit / Modèles mathématiques
Unité d'appartenance: Faculté des sciences > Département des sciences de la Terre et de l'atmosphère
Déposé par: Service des bibliothèques
Date de dépôt: 28 juill. 2016 17:29
Dernière modification: 28 juill. 2016 17:29
Adresse URL : http://archipel.uqam.ca/id/eprint/8750

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