Session 9 - Analyse et utilisation des données climatiques

Interpolation spatiale probabiliste de données météorologiques : exploitation  des motifs spatiaux fournis par les modèles de climat régionaux

• Vihotogbé Houssou, Polytechnique Montréal, doctorant

• Julie Carreau, professeure au département de Mathématiques et Génie Industriel (MAGI) à Polytechnique Montréal

Résumé : Les ressources en eau sont significativement affectées par les changements climatiques notamment à travers l'apparition croissante d'évènements extrêmes (inondation, crues). Pour étudier les impacts de ces changements, des modèles hydrologiques alimentés principalement par des données de précipitations et de températures spatialisées (i.e., disponibles sur une grille) sont utilisés. Généralement, elles sont obtenues soit par des techniques de ré-analyses soit par l'interpolation spatiale des observations, et doivent rendre compte des évènements extrêmes et de l'hétérogénéité spatiale. Les méthodes d'interpolation spatiale les plus utilisées telles que la pondération de distance inverse et le krigeage sont limitées par des effets isotropiques qui ne leurs permettent pas de prendre en compte la variabilité spatiale. Pour cela, certaines de ces méthodes (krigeage avec dérive externe, splines à plaque mince) ont recours à des informations auxiliaires (altitude, climatologie) pour palier à la faible densité du réseau de stations. Nous proposons une nouvelle méthode statistique d'interpolation spatiale qui exploite exclusivement et de façon systématique les motifs spatiaux pour interpoler les observations. Les motifs spatiaux sont extrait des données des modèles de climat régionaux grâce à l'analyse en composantes principales. Cette méthode garantie la cohérence de l'information spatiale entre le passé et le futur dans la modélisation hydrologique. Elle est appliquée dans différents contextes relatifs aux bassins versants (faible ou grande densité de station, petit ou grand bassin versant, région en montagne ou non) et les résultats sont comparés à ceux obtenus avec les méthodes existantes.

Distributions multivariées optimales stationnaires et non stationnaires pour l'analyse des crues au Canada

• Dorsaf Goutali, Institut national de la recherche scientifique (INRS), étudiante au doctorat 

• Fateh Chebana Professeur- INRS 

Résumé : Les inondations sont le risque naturel le plus courant au Canada, représentant un risque significatif pour la vie humaine et l'environnement. Les modèles stationnaires traditionnels échouent souvent à capturer la nature dynamique et non stationnaire des événements d'inondation, de plus en plus influencés par le changement climatique mondial et les activités humaines. Cette étude aborde la nécessité de modèles non stationnaires (NS) appropriés pour caractériser le pic et le volume des inondations, ainsi que leur dépendance (copule) à travers 169 bassins versants canadiens de 1970 à 2019. Nous avons évalué une gamme de candidats modèles, avec des paramètres pouvant dépendre de covariables linéaires ou quadratiques. Notre processus de sélection des modèles optimaux pour les distributions marginales et les copules a impliqué un ensemble complet d'outils et de procédures statistiques, incluant l'analyse graphique, des évaluations basées sur des critères, et des tests de tendance. Nos résultats indiquent que les modèles les mieux adaptés varient selon que la station est stationnaire ou non, et selon la région hydro-climatique au Canada, soulignant la nécessité d'approches de modélisation hydrologique sur mesure.

Réanalyse Canadienne de Surface [RCaS] version 3 d'Environnement et Changement Climatique Canada (ECCC)

• Nicolas Gasset, ECCC, Spécialiste en physique

• Vincent Fortin, ECCC, Chercheur scientifique senior

• Dikraa Khedhaouiria, ECCC, Chercheure scientifique

Résumé : À l'aide de systèmes opérationnels, ECCC a produit la Réanalyse Canadienne de Surface (RCaS) version 3 pour la période de 1980 à 2023 sur l’Amérique du Nord. Un système régional d'assimilation des données de surface (RSAS) couplé au système régional de reprévision déterministe (SRPD) génère des variables de surface sur une grille de 10 km. En aval de ce système, une réanalyse de précipitation est également produite afin de fournir la meilleure information possible sur les champs de précipitation. Toutes les versions de RCaS sont accessibles aux utilisateurs par l'entremise de la plateforme CaSPAr (https://caspar-data.ca).  

RCaS v3 représente une amélioration significative par rapport à sa prédécesseuse, la version 2.1. Les améliorations majeures incluent : i) l’utilisation d'ERA-5 en remplacement d'ERA-Interim pour l'initialisation ii) l'incorporation des dernières versions des systèmes opérationnels, iii) une meilleure prise en compte des interactions entre la température et les processus de gel/dégel de la neige dans le schéma de surface, et iv) une gestion plus efficace des observations assimilées. Il convient de noter que le domaine et la résolution spatio-temporelle des sorties de RCaS demeurent identiques entre la version 3 et la 2.1. Cette présentation mettra en lumière les différences entre RCaS v3 et la version 2.1, ainsi que d'autres réanalyses, en se concentrant sur la valeur ajoutée de cette nouvelle version et sur sa capacité à résoudre les limites identifiées dans la version précédente.

Points de changement multivariés au Canada

• Emna Gontara, INRS, Étudiante au doctorat

• Fateh Chebana, Professeur- INRS 

Résumé : Les activités anthropiques et le changement climatique agissent sur les régimes hydrologiques par leur influence sur les précipitations et les températures. Cela a pour conséquence un accroissement des événements hydrologiques extrêmes et des dommages et des inégalités de ressources. Les crues sont l'un des événements hydrologiques les plus dévastateurs au Canada ainsi que dans d'autres régions du monde en termes de pertes humaines et économiques. Elles sont considérées comme des événements multivariés, principalement décrites par leurs pic et volume. Par conséquent, un cadre multivarié tenant compte de la dépendance entre les variables est nécessaire pour l'étude de l'hétérogénéité des crues. L'objectif principal de cette étude est d'investiguer les points de changements (CPs) au Canada, représentatifs de l'hétérogénéité des crues, dans un contexte multivarié. Pour ce faire, 99 stations hydrométriques avec des enregistrements sur différentes périodes couvrant au minimum 46 ans sont prises en compte. Les CPs spatiales des séries de crues (pic, volume) sont étudiés en appliquant de tests statistiques univariés et multivariés. En utilisant conjointement ces derniers, on est en mesure de mieux identifier les composantes affectées (marges: volume, pic; dépendance ou toute combinaison de celles-ci). Différentes cartes sont utilisées pour une meilleure visualisation des résultats. En termes de résultats, la nature des stations (RHBN et Non-RHBN), les caractéristiques des bassins versants parmi d'autres sont adoptées pour l'analyse des CPs détectés. Cette étude est potentiellement faisable dans d'autres régions et/ou d'autres événements hydrologiques où des données spatiales suffisantes sont disponibles.

Évaluation systématique des produits climatiques post-traités à haute résolution

• Éric Dupuis, Ouranos, Programmeur scientifique

• Blaise Gauvin St-Denis, Ouranos, Spécialiste en intelligence artificielle  

• Martin Leduc, Ouranos, Responsable Recherche et soutien à l'innovation 

Résumé : En plus de distribuer des données climatiques et d'offrir un accompagnement dans leur utilisation, les services climatiques produisent de l’information climatique en ajustant les sorties de modèles climatiques avec un post-traitement statistique. D'une part, une mise à l'échelle statistique permet d'interpoler l'information climatique à une plus fine résolution. D'autre part, de nombreuses méthodes statistiques sont utilisées pour l'ajustement des biais relatifs aux observations présents dans les simulations. Afin d’évaluer la qualité des produits climatiques post-traités d’Ouranos, un cadre d'évaluation systématique basé sur l’approche du “modèle parfait” a été implémenté. La méthode, qui vise à dégrader une simulation à haute résolution afin d’imiter un modèle global de climat, permet d’introduire des biais à divers degrés de manière contrôlée. Des diagnostiques de la qualité des ajustements sont ensuite appliqués pour montrer quelles méthodes de post-traitement sont les plus efficaces pour corriger divers indicateurs climatiques, notamment le nombre de jour de gel-dégel, les vagues de chaleur et l’amplitude du cycle annuel de la température maximale. L’impact potentiel des méthodes de post-traitement sur les projections climatiques futures sera finalement discuté.

Quel a été le rôle des cyclones extratropicaux dans les inondations au Québec entre 1990 et 2020?

• Clarence Gagnon, Université Laval, CPI, B. ing

• Daniel Nadeau, ing., Professeur, Université Laval

• Alejandro Di Luca, Professeur, Université Laval

Résumé : Parmi les aléas causés par les phénomènes climatiques, les inondations causent le plus de répercussions à l’échelle de la planète. Le Québec ne fait pas exception à la règle, comme l’ont rappelé les inondations récentes de 2017 et 2019. Aux moyennes latitudes, ce sont les cyclones extratropicaux qui apportent la majorité des précipitations, et qui sont donc à la source des inondations. Cette relation a beaucoup été étudiée sur la côte ouest américaine, notamment en ce qui a trait au rôle des rivières atmosphériques, mais reste peu documentée dans l’Est du Canada. Cette étude vise donc à décrire les systèmes atmosphériques liés aux inondations qui ont sévi au Québec entre 1990 et 2020, en mettant l’accent sur la provenance, la trajectoire et sur la contribution des tempêtes associées à ces inondations. L’analyse est faite en utilisant plusieurs sources de données : le Catalogue NAEC (North American Extratropical Cyclone), la base de données DAFIQ (Demandes d’Aide Financière liées aux Inondations au Québec), la base de données globale de rivières atmosphériques Scale, et des données de réanalyses (ERA5). Le Catalogue NAEC contient des trajectoires de tempêtes dérivées à partir de données ERA5 pour chaque heure entre 1979 et 2020 sur l’Amérique du Nord. La base de données DAFIQ indique l’endroit, le moment, et le bassin versant associer à chaque demande d’aide financière. La comparaison entre les éléments atmosphériques déterminants d’un évènement à l’autre permet de dresser un portrait détaillé des causes principales des inondations au Québec. La présentation portera sur ces éléments clés.