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Investigation of uncertainties in assessing climate change impacts on the hydrology of a Canadian river watershed

Zhao, Yan (2015). Investigation of uncertainties in assessing climate change impacts on the hydrology of a Canadian river watershed. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

It is known that climate change will affect water resources. The impact of climate change on river regimes attracted the attention of hydropower companies over the recent years. Although general trends in future river flows can be reasonably well assessed using climate and hydrological models, their overall uncertainty is much more difficult to evaluate. An improved evaluation of uncertainty in the hydrological response of watersheds to climate change would help designing hydropower projects as well as adapting existing systems to better cope with the anticipated changes in flow regimes.

The uncertainty in assessing the potential hydrological impacts of a changing climate is of high interest for the scientific community. A framework for evaluating the uncertainty of climate change impacts on watershed hydrology is developed in this thesis. The sources of uncertainty studied comprise the global climate model (GCM) structure, climate sensitivity, natural variability and, to a lesser extent, hydrological model structure. Climate sensitivity is the global mean climatological temperature change due to a doubling of atmospheric CO2 concentration. Natural variability refers to the uncertainties resulting from the inherent randomness or unpredictability in the natural world. Climate projections under IPCC A2 scenario for the 2080 horizon were downscaled to regional scale using the change factor method and developed into long time series with WeaGETS, a stochastic weather generator developed at the École de technologie supérieure. The predicted future climate scenarios were forced into four hydrological models to simulate future flows in the Manicouagan River Basin, located in the province of Quebec, Canada. The Monte Carlo sampling method was implemented as a probabilistic approach to trace out the magnitude of uncertainty in accordance with the weighting schemes attributed to the different sources of uncertainty. In particular, equal and unequal weights were attributed to the GCMs to see whether this would have a significant impact on the resulting flow return periods. This experiment was motivated by the fact that GCM structure is usually the most significant contribution to the overall uncertainty in projected flows. Experiments using equal and unequal weights on climate sensitivities were also performed.

Modelling results indicate that the future hydrological cycle will intensify as precipitation and temperature will increase in the future for all GCMs projections. The spring peak flow will occur earlier by a few weeks for all GCMs investigated and will increase for a majority of them.

The uncertainty related to GCM structure, climate sensitivity, natural variability and to hydrological model structure were assessed separately. Uncertainty due to the GCM structure was found to be significant and to vary seasonally and monthly especially during the month of April. Variations in climate sensitivity and natural variability introduced moderate changes in the hydrological regime when compared with the uncertainty due to GCM structure. The choice of hydrological model will also result in a non-negligible uncertainty in climate change studies.

At last, the magnitude of uncertainty under various weighting schemes attributed to GCMs and climate sensitivities was evaluated. Weight scheme experiments indicate that assigning equal or unequal weights to the GCM structure had a marginal to small effect on the return periods calculated for the hydrological variables studied, i.e. monthly discharge and spring runoff volume. However, for climate sensitivity, the weights assignment notably influenced the probability of occurrence of large hydrological events. The choice of the hydrological model also had a significant impact on return periods of large hydrological events. It should be given due attention in selecting hydrological models and assigning weights on climate sensitivities in uncertainty assessment of climate change impacts in designing water resources systems.

Titre traduit

Étude des incertitudes associées à l'évaluation de l'impact des changements climatiques sur l'hydrologie d'un bassin versant canadien

Résumé traduit

Il est connu que le changement climatique aura une incidence sur les ressources en eau. L'impact du changement climatique sur les régimes hydriques a attiré l'attention des entreprises hydroélectriques au cours des dernières années. Bien que les tendances générales dans les débits en rivière puissent être raisonnablement bien évaluées à l'aide des modèles climatiques et hydrologiques, leur incertitude globale est beaucoup plus difficile à quantifier. Une meilleure évaluation de l'incertitude de la réponse hydrologique des bassins versants aux changements climatiques permettrait la conception de projets hydroélectriques ainsi que l'adaptation des systèmes existants afin de mieux faire face aux changements prévus dans les régimes d'écoulement.

L'incertitude dans l'évaluation des impacts hydrologiques potentiels du changement climatique est d‘un grand intérêt pour la communauté scientifique. Une méthodologie pour l'évaluation de l'incertitude des impacts du changement climatique sur l'hydrologie des bassins versants est développée dans cette thèse. Les sources d’incertitudes étudiées comprennent la structure des modèles de climat global (MCG), la sensibilité du climat, la variabilité naturelle du climat et, dans une moindre mesure, la structure du modèle hydrologique. La sensibilité du climat est le changement de la température climatologique moyenne mondiale en raison d'un doublement de la concentration de CO2 dans l'atmosphère. La variabilité naturelle réfère aux incertitudes résultant de l'aléa inhérent ou imprévisibilité dans le monde naturel. Les projections climatiques dans le scénario A2 du GIEC pour l'horizon 2080 ont été réduites à l'échelle régionale par une méthode du facteur de changement et développées en longues séries chronologiques avec le générateur météorologique WeaGETS conçu à l’École de technologie supérieure. Les scénarios climatiques futurs ont été forcés dans quatre modèles hydrologiques pour simuler les débits futurs sur le bassin de la rivière Manicouagan, situé dans la province de Québec, Canada. La méthode d'échantillonnage de Monte Carlo a été mise en oeuvre comme approche probabiliste pour établir l'ampleur de l'incertitude en conformité avec les schémas de pondération attribués aux différentes sources d'incertitude. En particulier, des poids égaux et inégaux ont été attribués aux MCG pour voir si cela avait un impact significatif sur les périodes de retour des débits simulés. Cette expérience a été motivée par le fait que la structure des MCG est habituellement la plus importante contribution à l'incertitude globale des débits projetés. Des expériences utilisant des poids égaux et inégaux sur la sensibilité du climat ont également été réalisées.

Les résultats de la modélisation indiquent que le cycle hydrologique futur s'intensifiera à mesure que les précipitations et la température vont augmenter dans l'avenir pour toutes les projections des MCG. Le débit de pointe du printemps aura lieu plus tôt de quelques semaines pour tous les MCG analysés et va augmenter pour une majorité d'entre eux.

L'incertitude liée à la structure des MCG, à la sensibilité du climat, à la variabilité naturelle et à la structure du modèle hydrologique ont été évalués séparément. L’incertitude due à la structure du MCG a été jugée importante et varie mensuellement, en particulier durant le mois d’avril. Les variations de la sensibilité du climat et de la variabilité naturelle introduisent des changements modérés dans le régime hydrologique, par rapport à l'incertitude due à la structure des MCG. Le choix du modèle hydrologique se traduit également par une incertitude non négligeable dans les études sur le changement climatique.

Enfin, l'ampleur de l'incertitude pour différents systèmes de pondération attribués aux MCG et à la sensibilité du climat a été évaluée. Les résultats indiquent que l'attribution de pondérations égales ou inégales à la structure du MCG a un effet marginal à faible sur les périodes de retour calculées pour les variables hydrologiques étudiées, soient le débit mensuel et le volume de ruissellement printanier. Cependant, pour la sensibilité du climat, le schéma de pondération a notamment influencé la probabilité d'occurrence de grands événements hydrologiques. Le choix du modèle hydrologique a également eu un impact significatif sur les périodes de retour de grands événements hydrologiques. Une attention particulière devra donc être accordée quant au choix des modèles hydrologiques et dans l'attribution de pondérations sur la sensibilité du climat, pour l'évaluation de l'incertitude des impacts du changement climatique sur les régimes hydriques.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 131-145.
Mots-clés libres: Bassins hydrographiques Facteurs climatiques. Incertitude de mesure. Modèles hydrologiques Québec (Province) Manicouagan, Bassin de la. Méthode de Monte-Carlo. Manicouagan, Bassin de la (Québec) Facteurs climatiques. changement climatique, impact, hydrologie, sensibilité du climat
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Leconte, Robert
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 09 oct. 2015 18:00
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:06
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1521

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