Impacts of climate change on the hydrology of extreme summer floods

Faghih, Mina (2023). Impacts of climate change on the hydrology of extreme summer floods. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The examination of the impacts of climate change on extreme hydroclimate events has received a great deal of interest, as a rise in these events will impact floods and droughts. These events can harm human and animal and also cause damage to property and infrastructure. It is essential to have a thorough comprehension of the characteristics and distribution of extreme precipitation, as well as the timing, magnitude, and frequency of extreme flow, in order to effectively plan and manage our water resources systems, including dams, reservoirs, and irrigation systems.

Recent studies have indicated that there may be an increase in the intensity of extreme precipitation events, such as convective precipitation, in the future due to the effects of climate change. This could result in higher amounts of rain or snowfall within a shorter period of time, which could potentially bring about an increase in flooding and other weather-related challenges.

This study endeavors to examine the variations in the intensity and frequency of short and long-term hydroclimatic variability, with a specific focus on extreme precipitation and streamflow in the Eastern and Northeastern regions of the United States. Additionally, the study delves into the uncertainty associated with diurnal cycle biases and internal climate variability for future hydroclimatic variability. The overall aim of this research is to enhance our understanding of how future extreme events will develop with a focus on their relationship to catchment size, in order to better prepare for the changing climate.

This study utilized the 50-member ClimEx large ensemble, which is a Single Model Initial condition Large Ensemble (SMILE) operating under the Representative Concentration Pathway 8.5 scenario. ClimEx offers high spatial resolution (0.11o ) and temporal resolution (1-hour) and was derived by dynamically downscaling the 50-member Canadian Earth System Model (CanESM2) across a northeastern America domain.

As the hydrometeorological modeling done in this study was at the sub-daily time step, a first step was to investigate the need and impact of a diurnal cycle bias correction method on climate variables, such as temperature and precipitation, and its effect on simulated streamflow.

In the second step of the study, the progression of hydrological extremes across 133 catchments was examined by investigating the relationship between catchment size, rainfall duration (ranging from 1 to 72 hours), return periods (between 2 and 300 years) and streamflow.

Finally, the study sought to understand the significance of internal climate variability for identifying changes in streamflow by analyzing the timing of emergence This analysis aimed to shed light on how internal climate variability can influence the detection of changes in streamflow and the reliability of the results.

The study revealed that the utilization of multivariate diurnal cycle bias correction methods can effectively adjust sub-daily biases in temperature and precipitation, in terms of both timing and magnitude, when compared to actual observations. These corrections lead to small yet systematic improvements in the simulation of streamflow quantiles, particularly in smaller catchment areas.

As the climate changes, the study also found an increase in extreme precipitation across all durations and return periods. The projected increase in extreme precipitation is closely correlated with the duration, frequency, and size of the catchment area. The areas that are expected to experience the largest relative increases in rainfall are those with the shortest durations, largest return periods, and smaller catchment areas.

The study determined that the time of emergence of climate change on extreme floods and droughts occurs later than those on average flow levels, but the changes in floods and droughts are more pronounced. The timing of these changes is related to the size of the catchment area, with smaller catchments displaying an earlier emergence for floods and a later one for droughts.

The findings of this study imply that in the future, smaller catchments will be disproportionately affected by the increases in extreme rainfall. This emphasizes the need for further research on the impacts of climate change on extreme floods and droughts, particularly in relation to the timing of these effects and how it is influenced by the size of the catchment area.

Titre traduit

Impacts du changement climatique sur l'hydrologie des crues estivales extrêmes

Résumé traduit

L'examen des impacts du changement climatique sur les événements hydroclimatiques extrêmes a suscité un grand intérêt, car une augmentation de ces événements aura un impact sur les inondations et les sécheresses. Ces événements peuvent nuire aux humains et aux animaux et causer des dommages aux biens et aux infrastructures. Il est essentiel d'avoir une compréhension approfondie des caractéristiques et de la distribution des précipitations extrêmes, ainsi que du moment, de l'ampleur et de la fréquence des débits extrêmes, afin de planifier et de gérer efficacement nos systèmes de ressources en eau, notamment les barrages, les réservoirs et les systèmes d'irrigation.

Des études récentes ont indiqué qu'il pourrait y avoir une augmentation de l'intensité des événements de précipitations extrêmes, tels que les précipitations convectives, à l'avenir en raison des effets du changement climatique. Cela pourrait se traduire par des quantités plus importantes de pluie ou de neige sur une période de temps plus courte, ce qui pourrait potentiellement entraîner une augmentation des inondations et d'autres problèmes liés aux conditions météorologiques.

Cette étude vise à examiner les variations d'intensité et de fréquence de la variabilité hydroclimatique à court et à long terme, en mettant l'accent sur les précipitations et les débits extrêmes dans les régions de l'est et du nord-est des États-Unis. En outre, l'étude examine l'incertitude associée aux biais du cycle diurne et à la variabilité climatique interne pour la variabilité hydroclimatique future. L'objectif global de cette recherche est d'améliorer notre compréhension de la façon dont les événements extrêmes futurs se développeront, en mettant l'accent sur leur relation avec la taille du bassin versant, afin de mieux se préparer au changement climatique.

Cette étude a utilisé l'ensemble de données ClimEx comprenant 50 membres. ClimEx est un ensemble de données de grande envergure à conditions initiales uniques (Single Model Initial condition Large Ensemble ou SMILE) opérant sous le scénario du Chemin de Concentration Représentative 8.5. ClimEx offre une haute résolution spatiale (0,11o ) et temporelle (1 heure) et a été dérivé par une réduction dynamique de l'échelle à partir de 50 membres du Modèle Système Terrestre Canadien (CanESM2) à travers un domaine de l'Amérique du Nord-Est

Comme la modélisation hydrométéorologique effectuée dans cette étude se fait au pas de temps infra-journalier, une première étape a consisté à étudier la nécessité et l'impact d'une méthode de correction du biais du cycle diurne sur les variables climatiques, telles que la température et les précipitations, et son effet sur le débit simulé.

Dans la deuxième étape de l'étude, la progression des extrêmes hydrologiques dans 133 bassins versants a été examinée en étudiant la relation entre la taille du bassin versant, la durée des précipitations (allant de 1 à 72 heures), les périodes de retour (entre 2 et 300 ans) et le débit.

Enfin, l'étude a cherché à comprendre l'importance de la variabilité climatique interne pour l'identification des changements de débit en analysant le moment de l'émergence. Cette analyse visait à mettre en lumière la façon dont la variabilité climatique interne peut influencer la détection des changements de débit et la fiabilité des résultats.

L'étude a révélé que l'utilisation de méthodes multivariées de correction des biais du cycle diurne peut efficacement ajuster les biais infra-quotidiens de la température et des précipitations, en termes de moment et d'ampleur, par rapport aux observations réelles. Ces corrections entraînent des améliorations légères mais systématiques de la simulation des quantiles de débit, en particulier dans les petits bassins versants.

Avec le changement climatique, l'étude a également révélé une augmentation des précipitations extrêmes pour toutes les durées et périodes de retour. L'augmentation prévue des précipitations extrêmes est étroitement liée à la durée, à la fréquence et à la taille du bassin versant. Les zones qui devraient connaître les plus fortes augmentations relatives de précipitations sont celles qui ont les durées les plus courtes, les plus grandes périodes de retour et les plus petits bassins versants.

L'étude a déterminé que le moment de l'émergence du changement climatique sur les inondations et les sécheresses extrêmes se produit plus tard que ceux sur les niveaux de débit moyens, mais les changements dans les inondations et les sécheresses sont plus prononcés. Le moment de ces changements est lié à la taille du bassin versant, les petits bassins versants affichant une émergence plus précoce pour les inondations et plus tardive pour les sécheresses.

Les résultats de cette étude impliquent qu'à l'avenir, les petits bassins versants seront affectés de manière disproportionnée par l'augmentation des précipitations extrêmes. Cela souligne la nécessité de poursuivre les recherches sur les impacts du changement climatique sur les inondations et les sécheresses extrêmes, en particulier en ce qui concerne le moment de ces effets et la façon dont il est influencé par la taille du bassin versant.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 165-234).
Mots-clés libres:	changement climatique, correction de biais, cycle diurne, étude d'impact, événements extrêmes, grand ensemble ClimEx. variabilité climatique interne, moment de l'émergence, modélisation hydrologique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brissette, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 oct. 2023 14:46
Dernière modification:	02 oct. 2023 14:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3282

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