L'objet de ce travail de maîtrise était le développement d'un programme de simulation aussi proche que possible de l'idéal proposé par Mason (1976). En fait, notre choix s'est porté sur un modèle colonne à bilan d'énergie qui met l'emphase sur le calcul des effets locaux. Enfin, nous avons utilisé ce modèle pour quantifier l'importance relative de la circulation générale et des effets locaux dans le climat d'une région. Pour parvenir à ces résultats, nous calculons les échanges dûs à des phénomènes d'origine locale: - l'énergie solaire incidente, absorbée et réfléchie - les échanges d'énergie infrarouge dans l'atmosphère en utilisant une méthode composite de celles de Simpson (1928) et d'Elsasser (1942) - les échanges d'énergie par conduction dans le sol à l'aide des théories et des mesures de Lettau (1954 et Sellers (1965) De plus, nous paramétrisons les effets liés à la circulation générale: - la densité des nuages au-dessus de la région étudiée (à partir de statistiques locales) - les phénomènes convectifs et le cycle de l'eau à l'aide de la paramétrisation de Rennick (1978) Les principaux résultats que nous avons obtenus sont une simulation raisonnablement exacte du climat estival de la région Saguenay-Lac St-Jean, (province de Québec, latitude 48 degrés nord) incluant un calcul de l'advection. En effet, nous avons calculé que la région exportait, entre Mai et Septembre, une quantité d'énergie équivalente à dix pour cent de l'énergie solaire absorbée pendant l'été ce qui provoque une diminution du maximum de la température annuelle de l'ordre de 4OC. Enfin, pour démontrer les possibilités du modèle, nous avons montré la méthode qu'il serait possible d'employer pour calculer les flux d'énergie méridionaux à l'aide du simulateur et comparer ces calculs aux mesures du transport d'énergie aérien par Oort et Rasmusson (1971). Cette dernière méthode semble fournir un moyen de calculer le transport d'énergie océanique, extrêmement difficile à mesurer directement. Notre modèle de simulation a atteint les objectifs que nous nous étions fixés au départ; et en lui incorporant les améliorations suggérées dans la conclusion, nous aurions un simulateur versatile et facile à utiliser pour de multiples recherches.

L'objet de ce travail de maîtrise était le développement d'un programme de simulation aussi proche que possible de l'idéal proposé par Mason (1976). En fait, notre choix s'est porté sur un modèle colonne à bilan d'énergie qui met l'emphase sur le calcul des effets locaux. Enfin, nous avons utilisé ce modèle pour quantifier l'importance relative de la circulation générale et des effets locaux dans le climat d'une région. Pour parvenir à ces résultats, nous calculons les échanges dûs à des phénomènes d'origine locale: - l'énergie solaire incidente, absorbée et réfléchie - les échanges d'énergie infrarouge dans l'atmosphère en utilisant une méthode composite de celles de Simpson (1928) et d'Elsasser (1942) - les échanges d'énergie par conduction dans le sol à l'aide des théories et des mesures de Lettau (1954 et Sellers (1965) De plus, nous paramétrisons les effets liés à la circulation générale: - la densité des nuages au-dessus de la région étudiée (à partir de statistiques locales) - les phénomènes convectifs et le cycle de l'eau à l'aide de la paramétrisation de Rennick (1978) Les principaux résultats que nous avons obtenus sont une simulation raisonnablement exacte du climat estival de la région Saguenay-Lac St-Jean, (province de Québec, latitude 48 degrés nord) incluant un calcul de l'advection. En effet, nous avons calculé que la région exportait, entre Mai et Septembre, une quantité d'énergie équivalente à dix pour cent de l'énergie solaire absorbée pendant l'été ce qui provoque une diminution du maximum de la température annuelle de l'ordre de 4OC. Enfin, pour démontrer les possibilités du modèle, nous avons montré la méthode qu'il serait possible d'employer pour calculer les flux d'énergie méridionaux à l'aide du simulateur et comparer ces calculs aux mesures du transport d'énergie aérien par Oort et Rasmusson (1971). Cette dernière méthode semble fournir un moyen de calculer le transport d'énergie océanique, extrêmement difficile à mesurer directement. Notre modèle de simulation a atteint les objectifs que nous nous étions fixés au départ; et en lui incorporant les améliorations suggérées dans la conclusion, nous aurions un simulateur versatile et facile à utiliser pour de multiples recherches.

No description available.

Dans le cadre de ce mémoire de maîtrise, une méthode de détermination de la résistance à la traction de la glace atmosphérique a été développée. Dans cette méthode, la glace est formée à partir de gouttelettes d'eau surfondues qui viennent frapper un cylindre en aluminium et en laiton qui tourne à un tour par minute dans la section d'essai d'une soufflerie placée à l'intérieur d'une chambre froide. Les gouttelettes d'eau surfondues sont produites par un gicleur alimenté en air et en eau, dont les pressions d'alimentation sont ajustées par des servo-vannes contrôlées par un micro-ordinateur. Les programmes développés pour contrôler ces pressions d'alimentation permettent aux gouttelettes d'eau d'atteindre l'état d'équilibre cinétique et thermodynamique avec l'écoulement d'air. Des essais de traction utilisant des jauges de déformation ont démontré que le montage développé précédemment lors des recherches du Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique (G.R.I.E.A.) de l'Université du Québec à Chicoutimi (U.Q.A.C.), engendrait des problèmes qui peuvent influencer les résultats. Le nouveau montage développé a permis d'éliminer l'effet d'adhésion au centre des échantillons de glace. Il a aussi permis d'appliquer une charge plus uniformément répartie sur la section de glace, donc un taux de déformation plus uniforme. C'est à une température de -14°C et pour une vitesse du vent de 23 m/s, avec un diamètre de gouttelettes d=40 Um et une teneur en eau de 1,2 g/m3, qu'il y a eu le plus d'essais de traction réalisés. Ces conditions de formation, qui d'après les études précédentes réalisées à l'U.Q.A.C. correspondent à la résistance maximum de la glace atmosphérique, ont permis d'étudier l'influence du taux de déformation sur la résistance en traction de la glace atmosphérique. Une résistance maximum de 5 MPa avait été mesurée avec l'ancien montage, comparativement à une résistance maximum de 2,48 MPa avec le nouveau montage, pour un taux de déformation interpolé égal à 2 x 10-6 s-1. L'étude montre de plus que le nouveau montage donne des résultats plus constants. Les modèles empiriques développés à partir des résultats ont montré que la résistance à la traction de la glace atmosphérique augmente avec le taux de déformation dans le domaine ductile, i.e. pour les taux de déformation inférieurs à environ 2 x 10-6 s-1 et qu'elle diminue pour les taux de déformation supérieurs correspondants au domaine fragile, ce qui est conforme à ce qui avait déjà été démontré dans les études antérieures et dans le cas de la glace de lac et de rivière.

Les gouttes contenues dans les pluies verglaçantes, provoquant le verglas, diffèrent de celles obtenues dans les nuages givrants; leur diamètre est environ 20 fois plus grand. On doit donc tenir compte de la gravité, ce qui n'avait jamais été fait auparavant. Un terme relié à la forme gravitationnelle est ajouté à la force d'inertie et de traînée dans les équations décrivant le mouvement de gouttelettes d'eau dans un courant d'air autour d'un cylindre. La technique des éléments finis est utilisée pour obtenir la solution des équations. A partir des équations différentielles non-linéaires, et en utilisant la méthode de Newton-Raphson pour la solution de ces équations, les résultats donnent les vitesses pour un champ de gouttelettes. La direction à la surface du cylindre de la vitesse de ces gouttelettes, donne le coefficient de captation locale, à partir duquel, le coefficient de captation totale est trouvé en intégrant numériquement. Les résultats du coefficient de captation total pour une vitesse d'eau adimensionnelle influencée par la gravité, semble donner les mêmes résultats que ceux obtenus par McComber et Touzot 1981, sans gravité. Les résultats montrent que, pour les conditions de pluies verglaçantes, le coefficient de captation total varie de 0,97 à 0,99. Les ouvrages montrant la grosseur des gouttes provoquant le verglas sont très rares. Par conséquent, les résultats du diamètre des gouttes originent de la région de Montréal et des environs. Quant à la vitesse du vent, elle est calculée en fonction de la température. Le maillage utilisé ne permet que le calcul du coefficient de captation en amont du cylindre seulement.

Les brouillards sont des systèmes météorologiques complexes mettant en oeuvre des processus de fine échelle, et l'interaction subtile entre processus radiatifs, dynamiques, turbulents et microphysiques qui les régit rend leur prévision difficile. Les gouttelettes d'eau qui composent les brouillards sont formées par l'activation des particules d'aérosols, et comprendre l'impact des propriétés des aérosols sur le cycle de vie du brouillard reste un défi. L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact du processus d'activation sur la microphysique des brouillards et sur leur cycle de vie. Elle s'articule sur deux volets, expérimental et numérique. Dans le cadre du projet PréViBoss, une plateforme de mesures in-situ des propriétés du brouillard a été déployée durant les hivers 2010-2013 au SIRTA au sud de Paris. Les données microphysiques ont fourni la distribution dimensionnelle des particules d'aérosols et des gouttelettes, et ont informé sur la capacité des particules d'aérosols à agir en tant que noyaux de condensation nuageux (CCN). Elles sont analysées afin de documenter les propriétés du brouillard et leur évolution au cours de leur cycle de vie. La particularité de ce travail réside dans le grand nombre d'épisodes de brouillard analysés. Ainsi, 48 épisodes ont permis d'étudier l'évolution microphysique des brouillards et 23 épisodes ont permis d'étudier le processus d'activation à la formation des brouillards à travers une méthode originale. Les valeurs de sursaturation critique et les concentrations de CCN ont été caractérisées et reliées aux propriétés des aérosols (distribution, concentration et hygroscopicité). Il s'avère que c'est la valeur de la sursaturation détermine la concentration de gouttelettes, indépendamment de la concentration de particules d'aérosols activables disponibles. L'évolution microphysique des 48 épisodes de brouillards suit 4 phases aux comportements distincts, et est principalement régie par les processus de condensation/évaporation et activation/dé-activation. La concentration caractéristique en gouttelettes des brouillards est déterminée durant la première phase, elle est ensuite modulée au cours du cycle de vie du brouillard. Des simulation en mode LES d'un cas de brouillard observé lors de PréViBoss ont ensuite été réalisées avec le modèle Méso-NH, afin d'évaluer l'impact de la microphysique sur la durée de vie du brouillard. Elles permettent d'explorer précisément les interactions entre aérosols et processus physiques. Un schéma microphysique à deux moments a été utilisé au sein duquel deux schémas d'activation ont été comparés: le premier diagnostique une sursaturation maximale, alors que le second considère une évolution pseudo-pronostique de la sursaturation selon Thouron et al. (2012). Contrairement au premier, le second schéma calcule les valeurs de sursaturations réellement atteintes. Il permet de tenir compte de processus supplémentaires non considérés par le schéma actuel comme la condensation ou le mélange. Les concentrations de CCN calculées avec ce nouveau schéma sont significativement moins élevées, mais restent toutefois surestimées par rapport aux observations. La représentation de la dynamique pourrait en être responsable. Des tests de sensibilité à la concentration d'aérosols montrent un impact limité sur le cycle de vie du brouillard, excepté pour des cas extrêmes, pour lesquels une très faible concentration d'aérosols retarde la dissipation du brouillard. Ce sont les conditions dynamiques, thermodynamiques et de surface qui pilotent principalement le cycle de vie du brouillard à travers leur impact sur la stabilité de la couche limite. En outre, la prise en compte d'hétérogénéités de surface modifie très sensiblement le cycle de vie du brouillard au travers de la turbulence qu'elles génèrent. La variabilité spatio-temporelle qui en découle doit ainsi être prise en compte dans de futurs dispositifs expérimentaux.

Dans le cadre de ce mémoire de maîtrise, une méthode de détermination de la résistance à la traction de la glace atmosphérique a été développée. Dans cette méthode, la glace est formée à partir de gouttelettes d'eau surfondues qui viennent frapper un cylindre en aluminium et en laiton qui tourne à un tour par minute dans la section d'essai d'une soufflerie placée à l'intérieur d'une chambre froide. Les gouttelettes d'eau surfondues sont produites par un gicleur alimenté en air et en eau, dont les pressions d'alimentation sont ajustées par des servo-vannes contrôlées par un micro-ordinateur. Les programmes développés pour contrôler ces pressions d'alimentation permettent aux gouttelettes d'eau d'atteindre l'état d'équilibre cinétique et thermodynamique avec l'écoulement d'air. Des essais de traction utilisant des jauges de déformation ont démontré que le montage développé précédemment lors des recherches du Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique (G.R.I.E.A.) de l'Université du Québec à Chicoutimi (U.Q.A.C.), engendrait des problèmes qui peuvent influencer les résultats. Le nouveau montage développé a permis d'éliminer l'effet d'adhésion au centre des échantillons de glace. Il a aussi permis d'appliquer une charge plus uniformément répartie sur la section de glace, donc un taux de déformation plus uniforme. C'est à une température de -14°C et pour une vitesse du vent de 23 m/s, avec un diamètre de gouttelettes d=40 Um et une teneur en eau de 1,2 g/m3, qu'il y a eu le plus d'essais de traction réalisés. Ces conditions de formation, qui d'après les études précédentes réalisées à l'U.Q.A.C. correspondent à la résistance maximum de la glace atmosphérique, ont permis d'étudier l'influence du taux de déformation sur la résistance en traction de la glace atmosphérique. Une résistance maximum de 5 MPa avait été mesurée avec l'ancien montage, comparativement à une résistance maximum de 2,48 MPa avec le nouveau montage, pour un taux de déformation interpolé égal à 2 x 10-6 s-1. L'étude montre de plus que le nouveau montage donne des résultats plus constants. Les modèles empiriques développés à partir des résultats ont montré que la résistance à la traction de la glace atmosphérique augmente avec le taux de déformation dans le domaine ductile, i.e. pour les taux de déformation inférieurs à environ 2 x 10-6 s-1 et qu'elle diminue pour les taux de déformation supérieurs correspondants au domaine fragile, ce qui est conforme à ce qui avait déjà été démontré dans les études antérieures et dans le cas de la glace de lac et de rivière.

Les gouttes contenues dans les pluies verglaçantes, provoquant le verglas, diffèrent de celles obtenues dans les nuages givrants; leur diamètre est environ 20 fois plus grand. On doit donc tenir compte de la gravité, ce qui n'avait jamais été fait auparavant. Un terme relié à la forme gravitationnelle est ajouté à la force d'inertie et de traînée dans les équations décrivant le mouvement de gouttelettes d'eau dans un courant d'air autour d'un cylindre. La technique des éléments finis est utilisée pour obtenir la solution des équations. A partir des équations différentielles non-linéaires, et en utilisant la méthode de Newton-Raphson pour la solution de ces équations, les résultats donnent les vitesses pour un champ de gouttelettes. La direction à la surface du cylindre de la vitesse de ces gouttelettes, donne le coefficient de captation locale, à partir duquel, le coefficient de captation totale est trouvé en intégrant numériquement. Les résultats du coefficient de captation total pour une vitesse d'eau adimensionnelle influencée par la gravité, semble donner les mêmes résultats que ceux obtenus par McComber et Touzot 1981, sans gravité. Les résultats montrent que, pour les conditions de pluies verglaçantes, le coefficient de captation total varie de 0,97 à 0,99. Les ouvrages montrant la grosseur des gouttes provoquant le verglas sont très rares. Par conséquent, les résultats du diamètre des gouttes originent de la région de Montréal et des environs. Quant à la vitesse du vent, elle est calculée en fonction de la température. Le maillage utilisé ne permet que le calcul du coefficient de captation en amont du cylindre seulement.

Le réchauffement climatique contemporain et l'expansion du réseau d'infrastructures en Arctique exercent de multiples stress sur les écosystèmes lacustres de ces régions polaires. En considérant l'importance des changements attendus en Arctique au cours des prochaines décennies, il apparaît essentiel d'approfondir notre compréhension de l'évolution historique de ces écosystèmes afin de mieux anticiper les impacts du réchauffement actuel sur les écosystèmes et les populations arctiques et extra-polaires. Le présent projet visait à rendre compte de l'évolution des conditions environnementales et climatiques qui ont prévalu au cours des derniers 300 ans dans le Nord du Labrador par l'utilisation d'une approche paléoenvironnementale fondée sur l'analyse des assemblages fossiles de diatomées. Si le Labrador semble faire preuve d'une grande resilience aux changements climatiques de l'Holocène supérieur, peu d'études portent actuellement sur l'évolution récente (~ 150 ans) du climat de cette région. Dans le but de densifier le réseau d'observations paléoenvironnementales au Nord du Labrador, deux lacs situés dans la région de Saglek ont été échantillonnés en août 2008 dans le cadre d'un projet de recherche du réseau ArcticNet : Comprendre et répondre aux effets des changements climatiques et de la modernisation au Nunatsiavut Les résultats obtenus témoignent de changements limnologiques relativement faibles par comparaison à ce qui prévaut dans de nombreuses régions polaires de l'Hémisphère Nord (Archipel arctique canadien, Ouest de l'Arctique canadien, Fennoscandie, Nord du Groenland) où des changements biologiques abruptes ont été rapportés ces dernières décennies. Nos observations suggèrent donc que le climat de la région de Saglek soit demeuré stable au cours des 300 dernières années et que l'ampleur du réchauffement global y ait été négligeable tout au long du 20e siècle. Si les résultats présentés dans le cadre de cette étude semblent contredire l'actuel scénario de réchauffement global largement documenté à travers l'Arctique, ils font écho à de nombreux projets réalisées dans la portion nord du Québec et du Labrador où aucune évidence significative du réchauffement contemporain n'avait été observée jusqu'à tout récemment.

La présente étude a permis d'évaluer le potentiel d'utilisation de deux versions (3.7.1 et 4.1.1) du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) pilotées en mode réanalyse, afin de reproduire les extrêmes observés en été (sur la période 1961-1990), et de caractériser le régime de précipitation et de températures maximum et minimum au-dessus de trois régions de l'Est de l'Amérique du Nord (Sud et Nord des Grands Lacs et Pennsylvanie). La validation fut réalisée à l'aide de critères diagnostiques multiples liés à la fréquence, l'intensité et la durée des événements extrêmes de précipitation et de température, ceux-ci étant régulièrement utilisés dans l'évaluation des impacts sur les activités humaines et les écosystèmes dans une perspective de changements climatiques. Avec l'utilisation de critères statistiques, les distributions statistiques des indices d'extrêmes de précipitation et de température, les champs moyens saisonniers et la variabilité interannuelle de ces indices et ont été comparés par rapport aux valeurs observées. Les données de référence ont été établies en interpolant sur la grille du MRCC (45km), à l'aide du krigeage ordinaire, les données observées du National Climate Data Center, d'Environnement Canada et du Ministère de l'Environnement du Québec. Les principaux résultats obtenus sur les trois régions montrent que la version 4.1.1 du MRCC simule mieux le régime de température minimum et l'occurrence des jours humides/secs que la version 3.7.1 notamment la moyenne saisonnière, le 10ième centile de température, le nombre maximum de jours secs consécutifs, le nombre de jours de pluie (≥1 mm) ainsi que la variabilité interannuelle. Par contre, peu ou pas de différences existent entre les deux versions quant à la température maximum, l'amplitude thermique quotidienne, le 90ième centile de la température, la précipitation moyenne et le centile de précipitation. Dans tous les cas, la variabilité saisonnière est biaisée (forme et étalement des queues de distribution, i.e. aplatissement et asymétrie), les extrêmes chauds des températures maximum et les précipitations les plus intenses, liées aux phénomènes convectifs, étant largement surestimés ou sous-estimés, respectivement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional de Climat, Extrêmes, Krigeage, Variabilité interannuelle.