Les Modèles Régionaux du Climat (MRC) ont longtemps été considérés comme des outils performants, de haute résolution à aire limitée permettant une meilleure compréhension du climat passé, présent et futur. Le plus souvent, les MRC sont pilotés à leurs frontières latérales par des Modèles Globaux du Climat (MGC) de basse résolution, et qui couvrent le reste du globe terrestre. Ces modèles ont la particularité de reproduire différentes solutions de l'état de l'atmosphère à cause de leur sensibilité aux conditions initiales (CI). Outre la solution due aux forçages externes (forçage aux frontières latérales et le forçage de surface), les MRC reproduisent une seconde solution associée à la variabilité interne (VI) du modèle du fait de leur sensibilité aux CI. Cette sensibilité est en grande partie causée par la nature non-linéaire de la physique et la dynamique atmosphériques. À l'instar de précédentes études, nous analysons la variabilité interne du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) en utilisant un ensemble de simulations aux CI différentes. Ce projet de recherche consiste à effectuer un diagnostic quantitatif des termes dynamique et diabatique qui contribuent à la variation temporelle et la distribution spatiale de la VI. L'originalité de ce travail est qu'il propose des équations bilans de la VI pour deux variables atmosphériques: la température potentielle et le tourbillon relatif. Les deux équations établies présentent des termes similaires, notamment les termes relatifs au transport de la VI par l'écoulement de la moyenne d'ensemble et la covariance des fluctuations agissant sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Concrètement, nous avons utilisé un ensemble de 20 simulations aux CI différentes pour analyser les caractéristiques de la VI, afin de déterminer une période et une région d'intérêt caractérisées par une forte croissance de la VI. Ensuite, nous avons validé les équations établies en montrant l'égalité entre les deux parties de chaque équation. Enfin, une étude de bilan a permis d'évaluer la contribution des différents termes au développement et à l'évolution de la VI. Les résultats révèlent que les termes dominants responsables de l'accroissement de la VI sont soit les termes de covariance impliquant les fluctuations de température potentielle et de chauffage diabatique, ou les termes de covariance de fluctuations inter-membres agissent sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Les résultats révèlent également que les épisodes de fortes diminutions de la VI se produisent lorsque les maxima de la VI sont proches de la frontière nord-est, indiquant leur transport en dehors de la zone d'étude par l'écoulement moyen. Enfin, nos résultats ont montré qu'en moyenne, les termes du troisième ordre sont négligeables, mais peuvent devenir importants lorsque la VI est importante. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Équation de la variabilité interne, modèle régional de climat, ensemble de simulations, climat de l'Amérique du Nord

À cause des non-linéarités dans les processus atmosphériques, les modèles de circulation générale de l'atmosphère (MCG) sont sensibles aux conditions initiales (CI). Autrement dit, les MCG peuvent générer plusieurs solutions de la circulation atmosphérique si un petit changement affecte les CI du modèle. La divergence de ces solutions devient importante en quelques jours de simulations en limitant de cette façon l'habilité des prévisions atmosphériques à une période limitée de temps. Comme une conséquence de l'existence de la variabilité interne, n'importe quel climat peut être décomposé en deux termes: le signal, associé au forçage externe, qui est indépendant des CI, et le «bruit» dû à la variabilité interne qui est générée par cette sensibilité du modèle aux CI. Contrairement aux MCG qui couvrent entièrement le globe et qui possèdent une large variabilité interne, les Modèles Régionaux de Climat (MRC) sont limités et pilotés à leurs frontières latérales par les données qui proviennent d'un MCG. La variabilité interne sera influencée dans ce cas par toutes les contraintes et les conditions qui définissent les MRC comme par exemple, les conditions aux frontières latérales (CFL), la taille ou la position géographique du domaine. Cette étude analyse la variabilité interne du Modèle Régional Canadien de Climat (MRCC) et les possibles conséquences sur les analyses statistiques des simulations saisonnières. Dans ce but, des ensembles de 20 simulations qui diffèrent légèrement dans leurs CI ont été générés avec le MRCC pour différentes tailles du domaine sur une période saisonnière de trois mois. Le degré de variabilité interne du modèle a été apprécié selon le degré d'écart entre les simulations durant la période d'intégration. Les résultats montrent que la variabilité interne du MRCC, estimée statistiquement comme la variance entre les 20 simulations de l'ensemble, dépend fortement des événements synoptiques. Cette dépendance est notamment observée dans les variations de la variance enregistrées durant la période d'intégration. Selon notre étude, ces variations ont une distribution géographique qui dépend de la variable étudiée. L'évolution temporelle des patrons synoptiques montre que les maximums des variances pour les deux champs étudiés, la précipitation (le maximum au sud des États-Unis) et la hauteur du géopotentiel à 850 mb (le maximum vers le nord-est du domaine) sont reliés entre eux. Les évènements de forte précipitation du sud des États-Unis (qui correspondent au maximum de l'écart entre les simulations de la précipitation) engendrent aussi un écart des simulations du champ de la hauteur du géopotentiel. Cet écart entre les simulations du champ de la hauteur du géopotentiel se développe dans les circulations cycloniques et atteint son maximum vers le nord-est (où la variance est maximale), avant de quitter le domaine. Utilisée comme une mesure de la variabilité interne à l'échelle saisonnière, la variance entre les moyennes saisonnières des membres de l'ensemble montre des valeurs importantes pour la statistique saisonnière du champ simulé sur les grands domaines. Cela suggère qu'une seule simulation pourrait produire des erreurs significatives dans l'estimation de la moyenne saisonnière du champ simulé, spécialement pour le champ de la précipitation. Notre expérience montre que les réductions de la taille du domaine diminuent la variabilité interne du modèle dans les aires convectives trouvées comme des aires de forte variabilité interne, mais une importante variation dans la distribution géographique et l'amplitude de la variabilité interne a été détectée à l'intérieur du domaine avec les réductions successives du domaine. Finalement, certains de nos résultats sont reliés au comportement complexe des simulations de l'ensemble durant la période d'intégration, en relevant l'habileté du modèle à générer des solutions bimodales des champs simulés sur les grands domaines d'intégration. La division de l'ensemble en deux groupes différents de simulations a généré pour une période courte de simulation deux estimations différentes du même champ simulé. Les résultats ont montré que cette division de l'ensemble coïncide avec la période durant laquelle la variabilité interne du modèle est maximale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional de climat, ensemble de simulations, variabilité interne.

À l'aide de la quatrième génération du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC4), deux paires de simulations pilotées à leurs frontières par les réanalyses NCEP NRA-2 ont été créées pour deux régions distinctes du Canada : 1) l'ouest canadien (WEST CAN), et 2) l'est canadien (EAST CAN). Pour ces deux régions, chaque paire de simulations consiste en une simulation dont la résolution horizontale est de 15 km (vrai à 60°N) et une simulation dont la résolution horizontale est de 45 km (vrai à 60°N). En utilisant ces simulations, cette étude tente de déterminer l'impact de l'augmentation de la résolution horizontale sur le champ de précipitation du modèle. Les résultats montrent que l'augmentation de la résolution horizontale permet d'obtenir une représentation plus réaliste de la topographie dans les simulations à 15 km, puisqu'elles illustrent de plus fines caractéristiques du terrain, tels que d'étroites et profondes vallées ainsi que de hauts, mais petits, complexes montagneux. De plus, notre étude révèle que les simulations à 15 km produisent davantage de convergence d'humidité et d'évapotranspiration, menant ainsi à une augmentation de la précipitation. L'augmentation de la résolution permet à la simulation à 15 km de produire de la neige durant toute l'année au sommet des plus hautes montagnes du domaine WEST CAN. Pour le domaine EAST CAN, la précipitation totale et solide plus grande retrouvée dans la simulation à 15 km mène à un ruissellement supérieur à celui retrouvé dans la simulation à 45 km. En comparant la précipitation simulée avec la précipitation observée provenant du réseau de stations d'Environnement Canada mesurant la précipitation horaire, on trouve que les simulations à 15 km produisent une distribution de la fréquence des précipitations horaires et une distribution de l'intensité des précipitations plus réaliste. Contrairement aux simulations à 15 km, les simulations à 45 km produisent moins d'événements horaires d'intensité modérée à très forte (3-10 mm/h) que ce qui est observé. Néanmoins, autant les simulations à 15 km que celles à 45 km produisent un biais positif en termes de fréquence et d'intensité des événements horaires de faibles intensités (0,2-3 mm/h). Conséquemment, une trop grande quantité de précipitation est générée annuellement par ce type d'événements, comparativement aux observations. La précipitation simulée est alors généralement plus grande que celle observée. Notre étude révèle également que pour analyser la fréquence et l'intensité de la précipitation, il est plus approprié d'utiliser une période d'accumulation d'une heure plutôt qu'une période d'accumulation de 24 heures. En effet, cela nous permet de comprendre plus facilement quels types d'événements le modèle est capable de reproduire et quelle est la contribution (en termes de quantité de précipitation) de chacun de ces événements. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modélisation régionale du climat, haute résolution, précipitation, MRCC

Une croyance véhiculée par bon nombre de scientifiques et fortement médiatisée, veut que le réchauffement planétaire provoque une augmentation de la variabilité du climat et des extrêmes climatiques. Cela constitue présentement l'une des préoccupations mondiales majeures du fait des répercussions sur le bien-être des populations, l'environnement, et l'économie. L'objectif principal de cette recherche consiste à élucider en partie cette question pour la province de Québec, à l'aide de la température, le paramètre prépondérant du climat (Env. Can, 1992). Il s'agit donc de vérifier si le réchauffement qu'a connu le Québec au courant du XXe siècle, a engendré une plus grande variabilité inter annuelle et à chacune des saisons, et inter mensuelle des températures. Au Québec, les relevés de la température maximale et minimale moyenne mensuelle, couvrant la période 1895 à 1995, ont récemment été homogénéisés à plus de vingt-deux stations météorologiques réparties du nord au sud de la province. Trois hypothèses sous-tendent l'objectif principal : 1- Le climat actuel est plus variable qu'au début du siècle, lorsque que le climat était plus froid; 2- Il existe une corrélation positive entre la température et la variabilité (puisque nous pensons qu'une hausse de la température va s'accompagner d'une hausse de la variabilité); 3- La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle. Cette dernière hypothèse a été formulée par des chercheurs d'Environnement Canada, et reprise ici afin d'être validée pour le Québec. Au niveau méthodologique, nous avons d'abord divisé le Québec en quatre zones géographiques. L'échelle temporelle de 30 ans a été retenue pour refléter les tendances au réchauffement et au refroidissement (moyenne mobile), et les tendances à l'augmentation et à la diminution de la variabilité (écart-type mobile) au courant des trois périodes à l'étude : 1895 à 1940, 1941 à 1970, et 1971 à 1995. Contre toutes attentes, le réchauffement a engendré une baisse de la variabilité inter annuelle et inter mensuelle jusque vers 1970. Après cette date, la légère hausse des températures s'est traduite par une augmentation de la variabilité, presque équivalente à celle du début du siècle, alors que les températures étaient plus froides. L'objectif principal est donc véridique depuis 1970, mais la première hypothèse est rejetée. Les températures moyennes annuelles provinciales étaient plus variables au début du siècle qu'au courant de la dernière période. Également, les corrélations inverses des courbes de la moyenne mobile et de l'écart-type inter annuel et inter mensuel au niveau provincial et zonal, nous obligent à rejeter la deuxième hypothèse. La saison estivale dans le Sud du Québec montre une corrélation positive plus forte (0,65) qu'aux autres saisons, avec un niveau de signification de 99,5%. Pour sa part, la troisième hypothèse est celle qui laisse le moins d'ambiguïté. La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle à l'échelle provinciale et zonale, autant au niveau inter annuel, qu'inter mensuel. De tels résultats laissent supposer qu'un réchauffement substantiel peut provoquer une élévation de la variabilité au courant des mois les plus chauds, soit à l'été et à l'automne, qui se fera davantage sentir dans le Sud du Québec, là où la température est la plus élevée et où se concentre plus de 80% de la population. Inversement, si la tendance se poursuit, les régions de basses températures telles que le Nord et le Centre de la province, connaîtront une baisse importante de la variabilité hivernale et printanière. Étant donné l'importance de ce sujet au niveau sociétal pour les générations présentes et futures et devant l'incertitude face au climat, il faut entamer dès maintenant un suivi rigoureux des fluctuations de la température afin de se préparer humainement, environnementalement, et économiquement, à faire face à des changements. ______________________________________________________________________________

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique du climat : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 257-265.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Lettres et Sciences humaines. Géographie : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 502. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 118-133. Bibliogr. p. 169-174.

Thèse de doctorat : Géographie : Metz : 1997. / 1997METZ004L. 133 ref.

Le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) fait partie d'une grande variété de modèles climatiques développés à travers le monde. Basé sur les lois fondamentales de la physique et sur les techniques numériques les plus modernes et les plus performantes, il génère des variables avec une bonne résolution spatiale qui sont physiquement cohérentes entre elles. Dans le cadre de cette thèse, le MRCC est utilisé pour étudier une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. Une approche intégrée d'analyse et de validation du cycle hydrologique du modèle a été développée. Cette approche comprend une analyse à l'échelle multi-annuelle pour l'ensemble d'un bassin versant et intègre les deux branches du cycle hydrologique : atmosphérique et terrestre. Cette façon de procéder nous a permis d'évaluer la capacité de trois versions du MRCC à simuler correctement chacune des composantes du bilan hydrologique. Parallèlement, la sensibilité de ces composantes aux différents paramétrages physiques a été examinée. Dans un premier temps, les comosantes du cycles hydrologiques sur le bassin versant du Mississippi simulées par les versions 3.6 et 4.0 du MRCC ont été comparées et évaluées par les observations et quasi-observations (estimations basées sur les observations et sur une analyse du bilan de l'eau). Les changements entre la version 3.6 et 4.0 portent sur plusieurs éléments: le schéma de radiation solaire à deux bandes a été remplacé par un schéma à quatre bandes; le schéma de surface de la première génération a été changé par un schéma beaucoup plus sophistiqué de la deuxième génération ; les traitements de couverture des nuages et du transfert turbulent dans la couche limite ont été également améliorés. L'effet net de tous ces changements dans les paramétrages physiques du MRCC est une réduction importante des biais moyens annuels d'évapotranspiration (de 42% à 10%) et de précipitation (de 17% à -6%) ainsi qu'une meilleure représentation de la distribution spatiale de ces variables. Les cycles annuels de précipitation, d'évapotranspiration, de convergence de flux d'humidité et de tendance dans le stockage de l'eau terrestre ont également montré une amélioration importante. Cependant, le biais annuel du ruissellement a légèrement augmenté (de -41 % a -45%). Dans un deuxième temps, une paire de simulations se distinguant seulement par le paramétrage de processus de surface a été analysée afin de mieux comprendre le rôle de ces processus dans le cycle hydrologique du modèle. Les résultats de l'analyse, effectuée sur trois grands bassins versants (Mississippi, Saint-Laurent et Mackenzie), montrent que le schéma simple de la première génération a d'importantes limitations dans la simulation des processus associés à l'évapotranspiration. Si les biais dans les moyennes annuelles des composantes principales du cycle de l'eau pour les simulations basées sur les deux schémas de surface sont plutôt similaires, les cycles annuels basés sur le schéma de la première génération montrent des biais très grands. L'analyse d'une autre paire de simulations, générées avec la même version du modèle, mais pilotées avec des réanalyses atmosphériques différentes, a mis en évidence la sensibilité du cycle hydrologique aux données utilisées pour piloter le modèle régional à ses frontières. La sensibilité aux données du pilote est en général plus faible que la sensibilité au schéma de surface et s'est montrée plus grande pour les bassins nordiques (Mackenzie et Saint-Laurent). L'analyse d'une troisième paire de simulations avec des conditions initiales différentes a montré que la variabilité interne du modèle à l'échelle multi-annuelle sur l'ensemble d'un bassin versant est négligeable par rapport aux modifications introduites par le changement du schéma de surface et du pilote. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cycle hydrologique, Bassin versant, Modèle climatique, Paramétrages physiques.

Originally presented as the author's Thesis (doctoral)--Universität Bonn, 1998. / Includes bibliographical references (p. 91-99).

Thèse (M.A.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [142]-150. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.