Évaluation de l'influence de la variabilité naturelle du climat et des changements climatiques anthropiques sur les extrêmes hydrométéorologiques

Martel, Jean-Luc (2019). Évaluation de l'influence de la variabilité naturelle du climat et des changements climatiques anthropiques sur les extrêmes hydrométéorologiques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La capacité maximale des infrastructures d’eaux est conçue à partir des séries historiques d’extrêmes hydrométéorologiques et sur l’hypothèse que le climat est stationnaire. Toutefois, le consensus scientifique pointe vers un réchauffement planétaire causé par l’influence humaine, ayant des répercussions à long terme sur les précipitations et les crues extrêmes. De plus, plusieurs travaux récents indiquent que la variabilité naturelle du climat a le potentiel de masquer les effets de ces changements climatiques anthropiques, donnant une illusion de stationnarité du climat. Ainsi, l’objectif de cette thèse a pour but d’améliorer la compréhension des impacts de cette variabilité naturelle et des changements climatiques sur les extrêmes hydrométéorologiques.

Dans un premier lieu, la variabilité naturelle a été explorée à travers six indices climatiques importants (p. ex. : El Niño) influençant le climat en Amérique du Nord. Bien que ceux-ci aient démontré un certain potentiel de prédiction au niveau de la variabilité saisonnière des moyennes de températures et de précipitations, ils se sont trouvés beaucoup moins prometteurs au niveau de la variabilité des extrêmes hydrométéorologiques. La combinaison de ces indices climatiques n’a résulté qu’en une faible valeur prédictive de la variabilité des crues et précipitations extrêmes.

Dans un second lieu, la variabilité naturelle des précipitations moyennes et extrêmes a été examinée à l’aide de grands ensembles de simulations climatiques. Ces travaux ont permis de dresser un portait plus clair de son influence sur la détection du signal des changements climatiques. À l’échelle locale (p. ex. : une station météorologique), la variabilité naturelle dominera vraisemblablement le signal des changements climatiques des precipitations extrêmes jusqu’à la fin du 21e siècle. Toutefois, à l’échelle régionale (p. ex. : plusieurs stations météorologiques), la détection du signal des changements climatiques serait plus rapide et robuste. Globalement, la variabilité naturelle a la capacité d’entraver la detection des changements climatiques sur les précipitations moyennes et extrêmes jusqu’à la moitié, voire même la fin du siècle, pour plusieurs régions de la planète.

Les grands ensembles de simulations climatiques ont aussi été utilisés pour évaluer l’impact des changements climatiques sur la probabilité de récurrence des événements hydrométéorologiques extrêmes. D’abord, les changements projetés pour la pluie 100 ans d’une durée d’une heure jusqu’à cinq jours entre les périodes de 1980-1999 et 2080-2099 ont été étudiés à l’aide de deux ensembles à l’échelle globale et un ensemble à l’échelle régionale couvrant le nord-est de l’Amérique du Nord et l’Europe. Les résultats des trois ensembles suggèrent que les événements de précipitation extrêmes, correspondant à la période de retour 100 ans de la période de référence, deviendront environ de quatre à cinq (deux à quatre) fois plus fréquents en moyenne pour le nord-est de l’Amérique du Nord (l’Europe). De plus, les résultats suggèrent qu’en général, une période de retour plus élevée et/ou une durée plus courte entraineront des augmentations relatives plus importantes.

Ensuite, les changements projetés dans les crues extrêmes ont été investigués plus spécifiquement pour 3 567 bassins versants de grande taille (> 500 km2) en Amérique du Nord. Les résultats suggèrent des patrons spatiaux très distincts en termes d’augmentation et de diminution de la crue 100 ans. Les changements les plus importants se résument en une diminution des crues générées par la fonte de la neige dans les bassins versants situés en haute latitude et/ou haute altitude et une augmentation pour les bassins versants situés dans le sud-est des États-Unis et sur la côte ouest, où les précipitations sont la principale cause des crues.

Finalement, des pistes de stratégies d’adaptation face aux changements climatiques ont été discutées à la suite de ces travaux. Ces dernières, de concert avec les conclusions de cette thèse, pourraient aider davantage les ingénieurs et les preneurs de décision à justifier l’implémentation de mesures d’adaptation permettant de mieux protéger le milieu bâti et les populations vulnérables.

Titre traduit

Evaluation of the influence of natural climate variability and anthropogenic climate Change on hydrometeorological extremes

Résumé traduit

The maximum capacity of water infrastructures is designed based on historical series of hydrological extremes and the hypothesis that the climate is stationary. However, the scientific consensus points towards a man-made global warming, with gradual repercussions on extreme precipitation and streamflow. In addition, several recent works indicate that the natural climate variability has the potential to mask the effects of these anthropogenic climate changes, giving the illusion of climate stationarity. Therefore, the aim of this thesis is to improve the understanding of the impacts of this natural variability and climate change on hydrometeorological extremes.

In the first place, natural variability was explored through six major climate indices (e.g., El Niño) influencing climate in North America. Although these showed some potential in predicting the seasonal variability of mean temperatures and precipitation, they were much less promising in the prediction of hydrological extreme events variability. The combination of these six climate indices only resulted in a low predictive value of extreme precipitation and streamflow variability.

In a second place, the natural variability of mean and extreme precipitation was examined using large ensembles of climate simulations. This work led to a clearer picture of its influence on the detection of the climate change signal. At the local scale (e.g., a single weather station), natural variability will likely dominate the climate change signal from extreme precipitation until the end of the 21st century. However, at the regional scale (e.g., multiple weather stations), the detection of the climate change signal would be faster and more robust. Globally, natural variability has the potential to impede the detection of climate change on mean and extreme precipitation up to the middle or even the end of the century for many regions of the world.

Large ensembles of climate simulations have also been used to assess the impact of climate change on the probability of recurrence of hydrological extreme events. To begin, the projected changes for the 100-year rainfall with durations ranging from one hour to five days between the 1980-1999 and 2080-2099 periods were studied using two ensembles at the global scale and one at the regional scale covering northeastern North America and Europe. The results from these three ensembles suggest that extreme precipitation events, corresponding to the 100-year return period of the reference period, will become about four to five (two to four) times more frequent in average for the northeastern North America (Europe). In addition, the results suggest that, in general, a larger return period and/or a shorter duration will result in more important relative increases.

Next, projected changes in extreme floods were investigated more specifically for 3 567 large (> 500 km2) catchments in North America. The results suggest very distinct spatial patterns in terms of increases and decreases in the 100-year flood. The most significant changes were found to be reductions in flood generated from snowmelt in high latitude and/or high-altitude catchments and increases for catchments in the southeastern United States and the West
Coast, where rainfall is the leading cause of flooding.

Finally, climate change adaptation strategies were discussed following this work. These, together with the conclusions from this thesis, could further help engineers and decision makers to justify the implementation of adaptation measures to better protect the built environment and vulnerable populations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 415-464).
Mots-clés libres:	variabilité naturelle, changements climatiques, modélisation hydrologique, précipitation extrême, crue extrême
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brissette, François
Codirecteur:	Codirecteur Mailhot, Alain
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2019 17:41
Dernière modification:	30 avr. 2019 17:41
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2294

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