Analyse de l’eau précipitable du MRCC4

Contexte

Dans un climat changeant, il est essentiel de comprendre l’incidence des changements climatiques sur les événements de pluies et de crues extrêmes afin d’assurer, à long terme, l’exploitation sécuritaire et efficace des ouvrages hydrauliques actuels et futurs. Les hydrologues utilisent le concept de crues maximales probables (CMP) qui pourraient advenir dans un bassin versant, comme critère de sécurité. Les CMP sont calculées à partir de la hauteur maximale de pluie pouvant s’accumuler en un temps donné dans un bassin versant à une certaine période de l’année, soit la précipitation maximale probable (PMP).

L’évaluation des PMP se fait traditionnellement à partir d’observations, sans tenir compte des tendances climatiques à long terme. Il est important d'évaluer les PMP en contexte de climat changeant car les extrêmes de précipitation sont appelés à changer dans le futur. Les modèles régionaux de climat ont une résolution temporelle et spatiale intéressante pour calculer les PMP et quelques études les ont déjà utilisés dans les calculs de PMP futures.

Pour ce faire, la variable d’eau précipitable, soit la quantité d’eau totale intégrée dans une colonne, doit être calculée.

Objectif(s)

Évaluer l'habileté du Modèle régional canadien du climat de 4e génération (MRCC4) à simuler l'eau précipitable en comparant aux nouvelles données observées NVAP-MEaSUREs et aux données de réanalyses (ERA-Interim) sur cinq bassins versants canadiens d’intérêt pour les gestionnaires de barrage.

Démarche

Extraction de l’eau précipitable sur les cinq bassins versants tirée de quatre simulations du MRCC4, dont deux historiques (pilotées par les réanalyses ERA-Interim sur les domaines d'Amérique du nord à 45 km et du Québec à 15 km de résolution) et deux pilotées par les modèles globaux CGCM3 et ECHAM5 sur l’Amérique du nord à 45 km; des données observées NVAP-MEaSUREs (NASA Water Vapor Project Making Earth Science Data Records for Use in Research Environments); des réanalyses ERA-Interim (ECMWF ou CEPMMT, le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme).
Évaluation des cycles annuels moyens, de la distribution des valeurs journalières et des maximums annuels moyens des données simulées et observées.

Résultats

Les cinq bassins à l'étude sont ceux de la Nelson au Manitoba, la Mattagami en Ontario ainsi que ceux de Kénogami, Manic-5 et Saguenay, tous trois au Québec. Les données NVAP-MEaSUREs (NVAP-M) combinent des observations de surface et satellitaires de vapeur d’eau par couche dans l'atmosphère et de façon intégrée verticalement. Nous utilisons la composante climat (avec une consistance temporelle sur toute la période) disponible quotidiennement de 1988 à 2009 à une résolution spatiale de 1° (~110 km). Les réanalyses ERA-Interim, disponibles toutes les 6 heures, ont également été utilisées comme pseudo-observations de valeur intégrée de vapeur d’eau et d’eau totale (incluant l'eau de nuage), ces variables étant assimilées dans le processus prévisionnel des réanalyses afin de produire un état initial optimal.

Tant pour les données ERA-Interim que pour celles du MRCC4 (archivées aux 3 ou au 6 heures selon les simulations), il y a deux façons d’obtenir des valeurs quotidiennes pour chaque bassin. La façon standard consiste à moyenner les valeurs pour chaque jour (DMean).

La seconde méthode considérée consiste à extraire la valeur maximale des valeurs instantanées (DMax), sachant que le calcul des PMP se fait en fonction des valeurs les plus élevées physiquement réalistes. En tenant compte des 22 années de données d'observations de NVAP-M, nous avons analysé le comportement de l’eau précipitable selon son cycle annuel moyen, la distribution de ses valeurs journalières et ses maximums quotidiens annuels.

Figure 1: Distribution de l’eau précipitable quotidienne de 1988-2009 pour le bassin de la rivière Saguenay. Les observations NVAP-M sont en noir. Suivent les distributions du MRCC4 piloté par ERA-Interim (domaine nord-américain à 45 km en bleu et québécois à 15 km en rouge), de ERA-Interim (eau totale en vert et vapeur d’eau en cyan), du MRCC4 piloté par CGCM3 (orange) et par ECHAM5 (magenta) sur le domaine nord-américain. Dans chaque cas, sauf pour NVAP-M, les résultats sont montrés avec les calculs faits à partir de DMean (gauche) et DMax (droite, avec la croix noire sur la médiane). Les boites verticales présentent les 25, 50 (médiane) et 75e percentiles de la distribution des valeurs quotidiennes au bassin.

En général, les valeurs d’eau précipitable que simule le MRCC4 sont semblables aux observations. Le modèle reproduit aussi les variabilités interannuelles (d'une année à l'autre), de même que les différences associées aux caractéristiques des cinq bassins versants à l'étude.

En détail, les points suivants sont à noter:

Les différences entre l’intégrale verticale de la vapeur d’eau et de l’eau totale des réanalyses sont négligeables (~1 %);
Le cycle annuel moyen d’eau précipitable sur les cinq bassins, tel que représenté par ERA-Interim, a des valeurs supérieures à celui de NVAP-M;
Les différentes évaluations de l’eau précipitable du MRCC4 piloté par ERA-Interim sont très semblables à celles-ci;
La distribution des valeurs quotidiennes d’eau précipitable de ERA-Interim et du MRCC4 varie nettement selon la méthode de calcul (DMean et DMax). Les médianes avec DMean représentent mieux celles de NVAP-M pour tous les bassins, alors que les valeurs extrêmes des distributions sont mieux représentées avec DMax;
La simulation à 15 km de résolution génère des valeurs extrêmes supérieures aux simulations à 45 km de résolution et supérieures aussi aux observations de résolution plus grossière (~110 km) mais sans montrer d’influence réelle sur le comportement moyen;
Une certaine sous-estimation ressort de la simulation MRCC4, pilotée par la version 3 du modèle du Centre canadien de la modélisation et de l’analyse climatique (CGCM3), un signe du biais froid et sec associé au duo MRCC4-CGCM3 et déjà documenté;
La simulation du MRCC4, pilotée par la version 5 du modèle du Centre européen de Hambourg (ECHAM5), reste beaucoup plus près des observations, et met au jour l’importance de considérer attentivement la combinaison des modèles régionaux et leur pilote global.

Somme toute, la capacité du MRCC4 à reproduire les caractéristiques observées majeures de l’eau précipitable en fait un outil capable de fournir des données d’eau précipitable qui pourraient servir de point de départ aux études sur les précipitations maximales probables et sur les crues maximales probables à l’échelle du bassin versant.

Retombées pour l'adaptation

Plutôt que de se baser sur les PMP historiques, le recours au PMP simulées pour des périodes futures améliorera les estimations des crues maximales probables, permettant aux concepteurs d’ouvrages hydrauliques de mieux dimensionner leurs infrastructures.

Cette étude utilise les nouvelles données d'observations d’eau intégrée dans l’atmosphère NVAP-MEaSUREs pour évaluer les données d’eau précipitable simulées par le MRCC4 pour le climat historique sur cinq bassins versants canadiens. La qualité des résultats permet de recommander l’utilisation de l’eau précipitable simulée afin de l’intégrer dans le calcul des PMP, bien que les caractéristiques de chaque combinaison de modèle régional-global reste un élément à considérer dans toute étude.