Abstract : As atmospheric temperatures at the Earth’s surface increase due to global warming, the capacity of lower atmospheric levels to hold water vapor rises and thus, precipitations and floods will be influenced. In turn, extreme precipitation and flood events are subject to potential modifications under climate change, namely, Probable Maximum Precipitation (PMP) and Probable Maximum Flood (PMF). This research aims at analyzing climate change influences on PMP and PMF in three watersheds with different climatic conditions across the province of Québec, Canada. The watersheds are located in the south, center and north of the province. They have been selected in a manner which reflects climate diversity across Québec.
In order to study climate change conditions, the data output of the Canadian Regional Climate Model (CRCM) was used. This database covers a time horizon from 1961 up to 2100 and includes daily precipitation, temperature, specific humidity and Convective Available Potential Energy (CAPE). These data were used to estimate PMP. The World Meteorological Organization (WMO) method was adapted to estimate PMP values under climate change conditions. The 100-year return period precipitable water (W100) was selected as an upper limit of precipitable water in establishing maximization ratio. The time series for estimating W100 was established from annual maximum precipitable water values that have similar atmospheric variables of the event to be maximized. The atmospheric variables used in this research were atmospheric temperature at the Earth’s surface and CAPE. This method does not require setting any upper bound limit to the maximization ratio and is therefore more amenable to calculate the PMP in a climate change context.
The PMP was used to run a distributed hydrological model to estimate PMF. PMP and PMF values were estimated in three 45-year time horizons: recent past (centered on 1985), near future (2030) and far future (2070). In regions where snowmelt plays a key role in the annual hydrological cycle, winter-spring flooding could be the major discharge. Consequently, PMP and PMF were separately analyzed in two seasons: summer-fall (snow-free) and winter-spring (snow accumulation and melt). The largest value obtained was identified as the all-season PMP/PMF. Summer-fall PMF was estimated by inserting the PMP in each day of the simulated time horizon. Therefore, all soil moisture conditions prior to PMP occurrence were included. Accordingly, a distribution of PMF values based on different initial conditions (soil wetness levels) was obtained. Winter-spring PMF was estimated by inserting the PMP value at the end of a warm melting period and for an extreme snow accumulation.
Our results show that the PMF of three watersheds would occur in the winter-spring season in current and future climate projections. Furthermore, all-season PMP and PMF in southern Québec would decrease, but trends in central and northern of Québec would be reversed and the PMP and PMF would increase in projected climate conditions. In the center and north of Québec, the PMF would increase by 25 and 23% respectively, at the end of the 21st century. For the same period, PMF would have a reduction of 25% in the south of Québec. Of the three watersheds, the PMF always occurs at the end of winter-spring season when the snow accumulation is the greatest. / Résumé: Quand la température atmosphérique à la surface a des augmentations en raison du réchauffement climatique mondial, la capacité des niveaux atmosphériques inférieurs à contenir de la vapeur d’eau s’élève. Ceci peut influencer les précipitations et les inondations. C’est pourquoi le réchauffement mondial conduit au changement climatique. Les précipitations extrêmes et les inondations extrêmes peuvent potentiellement subir des changements, à savoir, la précipitation maximale probable (PMP) et la crue maximale probable (CMP). Cette recherche vise à analyser les influences du changement climatique sur la PMP et la CMP dans trois bassins versants avec différentes conditions climatiques à travers la province de Québec, Canada. Les bassins versants sont situés dans le sud, le centre et le nord du Québec. Ils ont été sélectionnés d’une manière qui reflète la diversité du climat à travers le Québec.
Afin d'étudier les conditions du changement climatique, les sorties du modèle régional canadien du climat (MRCC) ont été utilisées. Cette base de données couvre un horizon de temps à partir de 1961 jusqu'à 2100. Les données comprennent la précipitation quotidienne, la température, l'humidité spécifique et l’énergie potentielle de convection disponible (EPCD). Ces données ont été utilisées pour estimer la PMP. La méthode de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) a été adaptée pour estimer les valeurs de la PMP dans des conditions de changements climatiques. L'eau précipitable centennale (W100) a été choisie comme une limite supérieure de l'eau précipitable pour déterminer le rapport de maximisation. Les séries chronologiques pour estimer W100 ont été établies à partir de valeurs annuelles maximales d'eau précipitable qui sont associées à des valeurs de variables atmosphériques similaires à l'événement qui doit être maximisé. Les variables atmosphériques utilisées dans cette recherche sont la température atmosphérique à la surface et l'EPCD. Cette méthode ne nécessite pas de fixer une limite supérieure au rapport de maximisation et est donc plus propice à la détermination de la PMP dans un contexte des changements climatiques.
La PMP résultante a été utilisée pour forcer un modèle hydrologique distribué afin d’estimer la CMP. Les valeurs de la PMP et de la CMP ont été estimées en trois horizons de temps: le passé récent, les futurs proches (2030) et lointains (2070). Dans les régions où la fonte des neiges joue un rôle clé dans le cycle hydrologique annuel, les crues printanières en climat actuel correspondent habituellement au débit maximum annuel. La PMP et la CMP ont cependant été analysées séparément en deux saisons: l'été-automne (sans neige) et l'hiver-printemps (accumulation et fonte de neige) pour évaluer l’impact des changements climatiques sur la saisonnalité de ces événements extrêmes. La plus grande valeur obtenue a été identifiée comme la PMP / CMP annuelle. La CMP d’été-automne a été estimée par l'insertion de la PMP pour chaque jour de l'horizon de temps de simulation. Par conséquent, toutes les conditions possibles d'humidité du sol avant l’événement de la PMP ont été incluses. En conséquence, une distribution des valeurs de CMP basées sur différentes conditions initiales (niveaux d'humidité du sol) a été obtenue. La CMP d’hiver-printemps a été estimée en insérant la valeur de PMP à la fin d'une période de fonte et une accumulation de neige extrême.
Nos résultats montrent que dans le sud et le nord du Québec, la CMP a toujours lieu à la fin de la saison hiver-printemps lorsque l’accumulation de neige est maximale. Aussi, la PMP et la CMP au sud du Québec devraient diminuer, mais la tendance au centre et au nord du Québec serait inversée. Dans le centre et le nord, la CMP augmente de 22 et 21%, respectivement, à la fin du 21e siècle alors que pour la même période, CMP aurait une réduction de 13% dans le sud du Québec. La CMP annuelle de ces bassins versants se produit dans la saison hiver-printemps dans trois horizons temporels.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/8824 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Rouhani, Hassan |
| Contributors | Leconte, Robert |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Hassan Rouhani |
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