Évaluation des conditions climatiques futures du bassin des Grands Lacs et du Saint-Laurent

Au cours des dernières décennies, un grand nombre des scénarios climatiques provenant des modèles climatiques globaux (ont été explorés dans différentes études dont le but commun a été de projeter les niveaux d’eau des Grands Lacs dans un climat plus chaud. Toutefois, ces projections demeurent discutables, car la majorité ne tiennent pas compte des interactions entre l'atmosphère et la surface des lacs et des sols environnants. De plus, les modèles climatiques globaux perçoivent trop peu la présence des Grands Lacs comme leur résolution spatiale est d'environ 250 km. C’est pourquoi il est nécessaire de déployer plus d’efforts pour étudier le bassin versant des Grands Lacs à l’aide de modèles régionaux de climat (MRC).

Ces modèles possèdent une résolution spatiale plus fine (25 à 50 km) pouvant représenter l’hydrologie des Grands Lacs de façon plus réaliste. De plus, cette approche permet de diagnostiquer les effets des changements climatiques sur les composantes du bilan hydrique des Grands Lacs en tenant compte des interactions entre la surface et l’atmosphère, tout en respectant la conservation d’énergie à la surface, traditionnellement négligée dans les projections se basant sur les modèles hydrologiques.  La communauté scientifique a mis beaucoup d’effort afin de mieux comprendre les effets de changements climatiques sur le régime hydrologique des Grands Lacs.

• Approfondir les connaissances sur les composantes de l'apport en eau des Grands Lacs à partir des observations de leur variabilité et des incertitudes associées. 

• Élaborer des projections des changements climatiques pour les Grands Lacs afin de soutenir plusieurs efforts de recherche visant à améliorer la compréhension des conséquences potentielles sur les apports en eau du bassin Grands Lacs - Saint-Laurent.

• Évaluer les impacts des changements climatiques sur les apports en eau des Grands Lacs.

• Création d’une base de données historiques intégrant des observations et des simulations pour les variables de base du bilan hydrique et d’énergie sur le bassin des Grands Lacs.

• Élaboration de nouvelles projections climatiques plus raffinées sur le bassin des Grands Lacs avec un ensemble de MRC de la dernière génération, notamment ceux participant à l’expérience NA-CORDEX (Coordinated Regional Downscaling Experiment) sur l’Amérique du Nord.

• Collaboration au Plan d'action Saint-Laurent dont l'objectif est de modéliser les niveaux d’eau futurs du fleuve Saint-Laurent.

Dans le cadre de ce projet, nous avons créé une base de données observées et simulées de diverses variables permettant de quantifier le régime hydrique des Grands Lacs dans un climat en évolution. Plus précisément, un ensemble de 28 simulations provenant de cinq modèles régionaux de climat (MRC), pilotés par plusieurs modèles climatiques globaux, a été utilisé pour évaluer l'apport net en eau des Grands Lacs (NBS) de 1953 à 2100 en suivant les scénarios d'émissions futures RCP4.5 et RCP8.5. Les tendances dans les valeurs moyennes du NBS et dans chacune de ses composantes ont été étudiées à l'aide du test statistique de Theil-Sen. 

Les résultats suggèrent des augmentations d'évaporation au-dessus des Grands Lacs entre 1953-2100 de 136 et 204 mm pour les scénarios RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. Pour les précipitations, des amplifications de 83 et 140 mm sont projetées, tandis que pour l’écoulement, l’ensemble des modèles suggère une augmentation de 68 et 135 mm pour les scénarios RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. 

Les changements ne sont pas distribués également au cours de l’année, car des différences importantes existent d'une saison à l'autre. Par conséquent, les changements projetés dans le NBS des Grands Lacs sont positifs en hiver et au printemps, et négatifs en été. Sur l'année complète, des augmentations de 14 et 70 mm sont projetées pour les scénarios RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. 

L'analyse des valeurs extrêmes annuelles, basée sur la loi d'extrémum généralisée , révèle une hausse importante des maximas annuels des précipitations. Par exemple, pour la période de retour de 50 ans, des augmentations de 25% et de 27% sont projetées entre 1971-2000 et 2041-2070, selon les scénarios d'émissions RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. Pour les extrêmes annuels de NBS, les projections suggèrent que les minima diminueront tandis que les maximas augmenteront. Par exemple, pour les minimas associés à la période de retour de 50 ans, des diminutions de 26% et de 29% sont projetées entre 1971-2000 et 2041-2070, selon les scénarios d'émissions RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. Pour les NBS maximas pour la même période de retour, des augmentations de 3% et de 9% sont projetées entre 1971-2000 et 2041-2070, selon les scénarios d'émissions RCP4.5 et RCP8.5 respectivement. 

En somme, cette étude (Mailhot et al. 2019) a permis de mettre à jour les effets des changements climatiques sur l’apport net en eau des Grands Lacs à partir des projections existantes (voir fig. 1) en utilisant les MRC à la fine pointe de la technologie, capables de bien percevoir les lacs et de tenir compte des nombreuses interactions qui prennent place entre la surface et l’atmosphère.

Figure 1 : Tendances bihebdomadaires au cours de la période 1953–2100 d'après les estimateurs de Theil-Sen selon le scénario RCP8.5 pour (a) les précipitations sur les Grands Lacs, (b) l’évaporation des lacs, (c) l’écoulement se versant dans les lacs, exprimé en lame d’eau sur les lacs, et (d) le NBS.

Figure 2 : Comparaison des changements projetés de l'apport net en eau des Grands Lacs (NBS) basés sur le MRCC5 et trois autres MRC participant à l’expérience NA-CORDEX (notre étude, Mailhot et al. 2019) avec les changements projetés par le MRCC4 et NARCCAP (Music et al. 2015). Ceux rapportés par Croley et al. (1990, Clim Ch), basés sur les modèles hydrologiques traditionnels, ne tiennent pas compte du bilan d’énergie à la surface et négligent ainsi les interactions entre l'atmosphère et la surface des lacs et des sols environnants.  

Ce projet est financé par le gouvernement du Québec et répond aux objectifs du Plan pour une économie verte 2030.