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Use of climate model large ensembles to study the impact of climate change on future extreme droughts

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Zhao, Cha (2020). Use of climate model large ensembles to study the impact of climate change on future extreme droughts. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The evolution of droughts in a changing climate has received increasing attention from the scientific community and the public. Recent studies looking at the evolution of future droughts have found that droughts are expected to become more severe. The ocean is the main driver of internal climate variability, and regional hydroclimatic variability can be related to largescale climate oscillations. This study explored the evolution of the frequency of short- and long-term extreme droughts at the global and continental scales, and studied the relationship between future climate variability and large-scale oscillations. A better understanding of the evolution of future extreme droughts and their relationship with climate variability is the key to better adapt to the changing climate.

Two climate model large ensembles, the 50-member Canadian Earth System Model (CanESM2) and the 40-member Community Earth System Model (CESM1), both under the Representative Concentration Pathway 8.5 were used in this work. Monthly precipitation outputs were used to calculate the Standard Precipitation Index (SPI) to quantify meteorological droughts at the global and North American scales for the near- (2036-2065) and far-future (2070-2099) periods. In a second step, the evolution of hydrological droughts over 4521 North American catchments was assessed using the Streamflow Drought Index (SDI). In the last step, the contribution to internal variability of three large-scale climatic indices was studied. The impact of the El Niño Southern Oscillation (ENSO), Pacific Decadal Oscillation (PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) on climate anomalies at the catchment scale was studied. The constructive and destructive interactions between those three indices were also studied over the 1961-2010 historical period.

Compared against observations, both ensembles do a reasonable job at replicating patterns of mean annual precipitation and interannual variability over the 1981 2010 reference period. The projected changes in precipitation for both models are consistent with the predicted IPCC trends. Both climate models project increases in extreme meteorological drought frequency over many of the world’s regions. The spatial patterns of regions with worsening droughts match those of projected change in mean annual precipitation, although the former is more extensive, indicating that changes in internal variability will increase drought frequency even in some regions projected to see increased mean annual precipitation. The projected increase in meteorological drought frequency is more significant for short-term June-July-August (JJA) doughts and for the larger return periods. Large increases in frequency are observed in many regions, all the way up to 20 times for the 100-year JJA drought indicating a return period shift from 100 to 5 years.

Results show widely different patterns for future changes in extreme hydrological droughts compared to meteorological ones. Hydrological droughts, which combine the effect of preci-pitation and temperature changes, show a mostly uniform pattern of large to very large increases in drought frequency. This shows that the projected increase in temperature is a main driver of future extreme hydrological droughts, sufficient to overcome the projected increase in mean summer precipitation projected for many North American catchments. Predicted changes for both meteorological and hydrological droughts get consistently worse for the longer considered return periods. In other words, frequency changes for the 100-year droughts are more important than those expected for the 2- and 20-year droughts.

As to the control of large-scale oscillations on climatic anomalies at the catchment scale, it was found that ENSO dominates annual precipitation variability over North America whereas mean annual temperature is mostly influenced by AMO over most of North America. The impact of PDO is comparatively weaker. The dominant roles of ENSO on precipitation and AMO on temperature are preserved but reinforced or diminished by the strong interactions between oscillations. A negative ENSO (La Niña) coupled with a positive AMO brings climate conditions favorable to droughts.

This Thesis illustrates the impact of anthropogenic forcing and internal variability on future drought frequency under changing climate. The results provide much-needed knowledge necessary to better adapt to a changing climate.

Titre traduit

Utilisation de grands ensembles de modèles climatiques pour étudier l’impact du changement climatique sur les futures sécheresses extrêmes

Résumé traduit

L’évolution des sécheresses dans un climat en évolution a reçu une attention croissante de la communauté scientifique et du public. Des études récentes qui ont examiné l’évolution des futures sécheresses ont montré que ces dernières devraient devenir plus graves et plus fréquentes. L’océan est le principal moteur de la variabilité climatique interne, et la variabilité hydroclimatique régionale peut être liée à des oscillations climatiques à grande échelle. Cette étude vise à explorer l’évolution de la fréquence des sécheresses extrêmes à court et long termes aux échelles mondiale et continentale, et à étudier la relation entre la variabilité climatique future et les modes d’oscillation à grande échelle. Meilleures compréhensions de l’évolution des sécheresses extrêmes futures et de la relation avec la variabilité climatique sont essentielle pour mieux s’adapter au changement climatique.

Deux grands ensembles de modèles climatiques, le grand ensemble de 50 membres du modèle du système terrestre canadien (CanESM2) et celui de 40 membres du modèle du système terrestre communautaire (CESM1), tous deux sous le scénario RCP8.5 ont été utilisés dans ce travail. Les précipitations mensuelles ont été utilisées pour calculer l’indice de précipitation standardisé (SPI) afin de quantifier les sécheresses météorologiques aux échelles mondiale et nord-américaine pour les périodes futures proches (2036-2065) et lointaines (2070-2099). Dans un deuxième temps, l’évolution des sécheresses hydrologiques sur 4521 bassins versants nord-américains a été évaluée à l’aide de l’indice de sécheresse hydrologique (SDI). Dans une dernière étape, la contribution à la variabilité interne de trois indices climatiques à grande échelle a été étudiée. L’impact de l’oscillation australe El Niño (ENSO), de l’oscillation décennale du Pacifique (PDO) et de l’oscillation multidécennale de l’Atlantique (AMO) sur les anomalies climatiques à l’échelle du bassin versant a été étudié. Les interactions constructives et destructives entre ces trois indices ont également été étudiées au cours de la période historique 1961-2010.

Par rapport aux observations, les deux ensembles font un travail raisonnable pour reproduire les profils de précipitations annuelles moyennes et de variabilité interannuelle au cours de la période de référence 1981-2010. Les changements prévus des précipitations pour les deux modèles sont conformes aux tendances prévues par le GIEC. Les deux modèles climatiques prévoient une augmentation de la fréquence des sécheresses météorologiques extrêmes dans de nombreuses régions du monde. Les schémas spatiaux des régions où la sécheresse s’aggrave correspondent à ceux du changement prévu des précipitations annuelles moyennes, bien que le premier soit plus étendu. Ceci qui indique que les changements de la variabilité interne augmenteront la fréquence des sécheresses, même dans certaines régions qui devraient voir une augmentation des précipitations annuelles moyennes. L’augmentation prévue de la fréquence des sécheresses météorologiques est plus importante pour les sécheresses à court terme de juin-juillet-août (JJA) et pour les périodes de retour plus importantes. De grandes augmentations de fréquence sont observées dans de nombreuses régions, jusqu’à 20 fois pendant la sécheresse de 100 ans de JJA, indiquant un changement de période de retour de 100 à 5 ans.

Les résultats montrent des schémas très différents pour les changements futurs des sécheresses hydrologiques extrêmes par rapport aux changements des sécheresses météorologiques. Les sécheresses hydrologiques, qui combinent l’effet des précipitations et des changements de température, montrent un schéma généralement uniforme d’augmentations importantes à très importantes de la fréquence des sécheresses. Cela montre que l’augmentation prévue de la température est un des principaux moteurs des futures sécheresses hydrologiques extrêmes, suffisante pour surmonter l’augmentation prévue des précipitations estivales moyennes prévues pour de nombreux bassins versants nord-américains. Les changements prévus pour les sécheresses météorologiques et hydrologiques s’aggravent constamment pour les périodes de retour considérées plus longues. En d’autres termes, les changements de fréquence pour les sécheresses de 100 ans sont plus importants que ceux attendus pour les sécheresses de 2 et 20 ans.

En ce qui concerne le contrôle des oscillations à grande échelle sur les anomalies climatiques à l’échelle du bassin versant, il été constaté que l’ENSO domine la variabilité des précipitations annuelles alors que la température annuelle moyenne est principalement influencée par l’AMO sur la majeure partie de l’Amérique du Nord. L’impact de PDO est relativement plus faible. Les rôles dominants de l’ENSO sur les précipitations et de l’AMO sur la température sont préservés mais renforcés ou diminués par les fortes interactions entre les oscillations. Un ENSO négatif (La Niña) couplé à un AMO positif apporte des conditions climatiques favorables aux sécheresses.

Cette thèse illustre l’impact du forçage anthropique et de la variabilité interne sur la fréquence future des sécheresses. Les résultats fournissent des connaissances indispensables nécessaires pour mieux s’adapter au changement climatique.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy Ph.D". Comprend des références bibliographiques (pages 137-168).
Mots-clés libres: changement climatique, modèles climatiques, grands ensembles, sécheresses extrême, analyse de fréquence, oscillations à grande échelle
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brissette, François
Codirecteur:
Codirecteur
Chen, Jie
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 13 janv. 2021 18:00
Dernière modification: 13 janv. 2021 18:00
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2588

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