Évaluations et information à l'échelle nationale pour la gestion des secteurs tributaires de l'eau dans un contexte de changements climatiques

Justification de l’activité

Au Canada, les secteurs des forêts, de l'agriculture et de l'énergie sont lourdement tributaires des ressources en eau douce. L'information dont ils ont besoin pour gérer ces ressources dans un contexte de modification des régimes hydrologiques n'est pas toujours disponible à l'échelle régionale ou nationale. Cette activité s’inspire de travaux en cours portant sur les systèmes d’observation et les méthodes de modélisation des tendances nationales relatives à la quantité d’eau.

Leader: Richard Fernandes

Le sujet

Le Canada est un pays riche en ressources hydriques; il possède environ 6 % des réserves d’eau douce renouvelables de la planète. Nos écosystèmes et notre économie dépendent de l’eau douce. Le cycle de l’eau douce comprend les précipitations (pluie et neige), l’évapotranspiration et la condensation (transfert de la vapeur d’eau de la terre à l’atmosphère), la sublimation (transfert de la glace et de la neige à l’atmosphère sous forme de vapeur), le ruissellement dans les cours d’eau et la variation nette des volumes d’eau souterraine. 

Les précipitations et le ruissellement font l’objet de contrôles réguliers effectués par Relevés hydrologiques du Canada qui permettent de quantifier les interactions avec les conditions climatiques et les tendances dans le temps. Par exemple, de 1950 à 1998, les précipitations ont augmenté de 5 à 35 %, et le ratio des chutes de neige par rapport aux précipitations totales a également augmenté (Zhang et al. 2000). Par contre, l’évapotranspiration, la condensation et la sublimation (regroupées sous « évapotranspiration ») ne font pas l’objet de mesures régulières même si elles sont responsables en moyenne de 55 % des précipitations en Amérique du Nord.

En l’absence de tout facteur limitant l’humidité du sol, l’évapotranspiration augmentera avec la température (Maidment, 1993). Or, la température a augmenté de 0,5 à 1,5 ºC dans le sud du Canada, et plus rapidement encore dans le nord du Canada, entre 1950 et 1988 (Zhang et al. 2008). Les projections des Modèles de circulation générale (site en anglaise seulement) du Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) donnent à conclure que les hausses de température au cours du XXIe siècle varieront vraisemblablement entre 2 ºC et 6 ºC au Canada. En conséquence, la disponibilité de l’eau douce est limitée par les pertes dues à l’évapotranspiration, lesquelles pourraient varier sous l’effet du changement climatique.

Ce projet avait pour but d’accroître notre connaissance du cycle de l’eau douce au Canada en mettant l’accent sur les tendances affichées par l’évapotranspiration. Nous nous sommes penchés à cette fin sur les questions suivantes :

1. Quelles étaient les tendances historiques temporelles et spatiales de l’évapotranspiration au Canada entre 1960 et 2000? Ces tendances étaient-elles liées à celles de la température à la surface?
2. Quelles sont les tendances régionales prévues de l’évapotranspiration dans les régions du Canada où on peut compter sur des estimations historiques fiables et où les questions relatives aux approvisionnements en eau douce sont prioritaires?

Résultats

Question 1 – Tendances historiques de l’évapotranspiration

Pour répondre à cette question, nous avons utilisé un modèle numérique de la surface terrestre (EALCO — Ecological Assimilation of Land and Climate Observations, ou modèle d’assimilation écologique des observations terrestres et climatiques) élaboré dans le cadre du volet du programme « Renforcer la résilience » intitulé Développement d'outils de modélisation des écosystèmes basés sur l'Observation de la Terre (OT) pour l'évaluation des incidences des changements climatiques dans des stations possédant des données climatiques, puis avec des grilles de données climatiques spatiales. Les analyses de sensibilité effectuées avec le modèle sur des sites du sud de l’Ontario ont laissé constater que l’évapotranspiration est sensible à la densité de la végétation (telle que définie par l’indice foliaire) et à la couverture terrestre (voir figure ci-dessous).

Effet sur l’évapotranspiration de la densité de la végétation et de la couverture terrestre sur la moraine d’Oak Ridges, à Toronto, d’après le modèle EALCO (Ecological Assimilation of Land and Climate Observations) et après étalonnage avec données recueillies sur le terrain (Simic et al., 2004). Les régions dénudées font l’objet d’une forte évaporation du fait de l’exposition du sol. Les régions végétalisées laissent constater une augmentation de la transpiration à mesure que la densité de la végétation (indice foliaire) augmente. (Images, de gauche à droite : sol dénudé-argile, terrain arboré-argile, graminées-argile. Graphiques : bleu = évaporation; vert = transpiration; orange = ruissellement; rouge = alimentation) Image agrandie

Nous avons utilisé des cartes de la couverture terrestre et de l’indice foliaire au Canada produites dans le cadre du volet du programme « Renforcer la résilience » intitulé Données climatiques satellitaires sur la masse continentale et les écosystèmes du Canada, à l’échelle pancanadienne afin de paramétriser le modèle EALCO (un modèle paramétrisé contient toutes les données requises pour simuler la réaction dynamique du système modélisé). À l’aide de ce cadre, nous avons calculé les tendances historiques (1960-2000) de l’évapotranspiration à diverses stations climatiques (voir figures ci-dessous). Nous avons ainsi constaté des hausses de l’évapotranspiration annuelle atteignant jusqu’à 25 % à 81 endroits, et des baisses atteignant jusqu’à 10 % aux 20 autres stations. Des hausses statistiquement significatives de l’évapotranspiration atteignant jusqu’à 25 % ont été détectées à 30 des stations examinées, la plupart situées dans les régions côtières du Pacifique et de l’Atlantique. Les tendances à la hausse étaient en général liées à une hausse de la température, sauf dans les Prairies. Les tendances annuelles de l’évapotranspiration (augmentation et réduction) dans les Prairies étaient variables, et aucune des stations de cette région n’a laissé constater une tendance significative.

Tendances historiques (1960-2000) de l’évapotranspiration à des stations climatiques. Le graphique du haut illustre les tendances historiques de l’évapotranspiration effective à divers endroits au Canada. Le graphique du bas indique les tendances statistiquement significatives (triangles rouges). D’autres tendances peuvent laisser constater une grande amplitude (p. ex., dans les Prairies), mais risquent d’être statistiquement non significatives à cause d’une grande variabilité annuelle sans rapport avec le réchauffement climatique (Fernandes et al. 2006). Image agrandie

Le modèle EALCO a ensuite été appliqué à l’ensemble du Canada à l’aide des données climatiques du Regional Reanalysis 2 Model (site en anglaise seulement) des US National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Toutefois, on a constaté que les données de ce modèle ayant trait aux précipitations étaient biaisées. Pendant que les NCEP se penchaient sur ces problèmes, nous avons utilisé les grilles de données climatiques historiques pour produire des estimations pancanadiennes de l’évapotranspiration annuelle présentées sur le site Web RésEau d’Environnement Canada. Ces données constituent une source de référence générale utile, mais doivent être validées avant de pouvoir être utilisées localement.

Question 2 – Tendances projetées de l’évapotranspiration

Pour quantifier l’étendue vraisemblable des tendances annuelles de l’évapotranspiration et de la disponibilité de l’eau douce (précipitations moins évapotranspiration), nous avons utilisé une méthode recommandée par le GIEC qui s’appuie sur une estimation historique validée (de référence) correspondant à la période 1960-1990. Nous avons choisi deux régions où la question de l’approvisionnement en eau douce se pose avec une acuité particulière et qui représentent des cas extrêmes du ratio évapotranspiration/précipitations : l’ouest des Prairies et la vallée de l’Annapolis, en Nouvelle-Écosse (voir figure à droite). Le modèle a été validé en  comparant les estimations annuelles de la différence entre les précipitations observées et le ruissellement. Dans les deux cas, les différences des moyennes décennales entre l’évapotranspiration modélisée et celle fondée sur le bilan hydrique étaient inférieures à 10 %.

Trois des modèles MCG du GIEC qui s’approchaient de la valeur mitoyenne et qui se situaient à la limite de l’étendue « vraisemblable » (67e percentile) des variations de température et de précipitations au cours du XXIe siècle ont ensuite été retenus (on trouvera des informations détaillées sur les modèles climatiques du GIEC au chapitre 8 du rapport intitulé IPCC Fourth Assessment Report, Working Group 1). Les changements projetés des variables climatiques requis pour notre modèle de surface terrestre ont été produits pour chaque MCG et pour trois scénarios climatiques différents : A1 — pas de changement; A2 — utilisation intensive de combustibles fossiles; B1 — application de mesures d’atténuation énergiques. Les conditions climatiques projetées ont été intégrées dans le modèle de surface terrestre sur des régions de 50 % 50 km affichant une couverture terrestre et un climat représentatifs des sites de la région étudiée. Les composantes projetées du bilan hydrique (y compris l’évapotranspiration) ont été calculées pour le XXIe siècle (ci-dessous).

Tendances historiques et projetées de l’évapotranspiration annuelle effective et des sources d’approvisionnement en eau (précipitations moins évapotranspiration) dans la vallée de l’Annapolis (Canada). Les symboles correspondent aux divers MCG du GIEC, et les couleurs correspondent aux divers scénarios climatiques du GIEC (bleu = pas de changement; rouge = utilisation intensive de combustibles fossiles; vert = mesures énergiques de réduction des GES). Image agrandie

Les projections des modèles MCG sont très variables à cause des oscillations décennales (cycles climatiques d’une décennie) des intrants, des différences de modèles pour un scénario donné et des différences entre les scénarios. Les résultats montrent que les deux premières sources de variabilité — qui ne sont pas directement liées aux incidences anthropiques sur le climat — dépassent de loin en importance la variabilité historique observée (comparer les chiffres ci-dessus pour les périodes antérieure et postérieure à l’an 2000). De plus, pour toutes les régions des Prairies examinées, l’étendue vraisemblable des valeurs de l’évapotranspiration ou de la différence entre les précipitations et l’évapotranspiration due à la variabilité entre les modèles était comparable ou supérieure à celle due aux différences de scénarios. Autrement dit, les modèles climatiques du GIEC ne contraignent pas suffisamment les projections pour permettre de déceler l’impact des politiques d’atténuation sur le cycle de l’eau douce dans ces régions.

La faible précision des modèles du GIEC n’est pas la seule source de préoccupations (voir le chapitre 8 — « Climate Models and their Evaluation » — du rapport IPCC Fourth Assessment Report, Working Group 1). Comme prévu, les études d’impact présentent plus d’incertitude dans les régions où le climat se situe historiquement proche du seuil entre deux régimes (dans les Prairies par exemple). Cela nous amène à poser une troisième question : Est-il possible de réduire l’incertitude des projections des modèles MCG du GIEC (surtout celles ayant trait à la température et aux précipitations) concernant les régions terrestres nordiques?

Cette tâche est complexe puisqu’il faut apporter des changements aux modèles pour en améliorer le rendement en tenant compte du changement climatique qui caractérisera le siècle qui débute. La stratégie la plus simple consiste à déterminer si les 18 MCG utilisés pour définir notre étendue « vraisemblable » sont également valides. La suppression de certains modèles  du groupe permettrait peut-être de restreindre l’étendue « vraisemblable » et de réduire le degré d’incertitude des projections.

Question 3 – Réduction de l’incertitude des projections des MCG du GIEC

Les MCG constituent un ensemble de modèles élaborés à partir de divers groupes internationaux et nationaux. Ainsi, les différences entre ces modèles sont liées à la nature des processus décrits et paramétrisés et à la façon dont ils sont effectivement décrits et paramétrisés. On peut raisonnablement s’attendre à des différences de l’efficacité des modèles selon les tâches et les régions du monde. Le GIEC recommande l’utilisation d’observations historiques pertinentes afin de contraindre les modèles.

Idéalement, il devrait être possible de déterminer quels sont les modèles capables de fournir une prédiction correcte des variations de température et de précipitations au Canada. Toutefois, rien ne garantit qu’un modèle qui a historiquement fourni des prédictions correctes de ces paramètres pourra le faire également sous les conditions climatiques futures. Cela s’explique par deux raisons. Premièrement, les observations historiques prennent en compte à la fois l’incidence du forçage climatique, ou forçage radiatif global (p. ex., insolation et augmentation des concentrations de GES) et la variabilité locale du climat (p. ex., El Niño). Comme nous utilisons les MCG pour traduire les incidences du forçage en impacts climatiques, nous avons besoin de trouver des observations qui ne sont pas sensibles à la variabilité interne du climat. C’est la raison pour laquelle les précipitations et la couverture nivale ne constituent pas de bons candidats. Deuxièmement, nous avons besoin d’observations historiques qui, si nous contraignons un MCG à les reproduire, permettront effectivement d’améliorer l’aptitude du MCG à prédire le climat futur. La température observée à la surface ne constitue pas un bon candidat de contrainte puisque tous les MCG la reproduisent avec un écart inférieur à 0,5 °C, tout en laissant constater des écarts beaucoup plus grands dans leurs projections futures.

À mesure que la Terre se réchauffe, l’évolution de la couche nivale peut souvent conduire à une réduction de l’albédo (brillance) qui accroît à son tour l’absorption du rayonnement solaire et complète ainsi la boucle de rétroaction en augmentant la température locale de l’air. Ce phénomène, appelé rétroaction de l’albédo de la neige (snow albedo feedback — SAF), s’observe par exemple tous les printemps à la fonte des neiges : le taux de fonte dans les zones dégagées tend à s’accroître avec le temps. Le même processus influe sur le réchauffement en conditions de changement climatique, et aura tendance à accélérer l’effet de réchauffement. Tous les MCG tiennent compte de cette rétroaction. Les études avec MCG ont laissé conclure que la SAF serait responsable d’environ la moitié du changement de température prévu sur les zones terrestres nordiques par les MCG types, et qu’elle est relativement insensible à la variabilité interne du climat au sein des MCG. Les valeurs de SAF calculées à partir des résultats saisonniers des MCG appliqués sur des périodes historiques et à partir de projections laissent constater un rapport linéaire étroit. En d’autres mots, si on pouvait mesurer la SAF saisonnière, on pourrait déterminer les MCG qui ne donneront vraisemblablement pas des projections correctes de l’évolution de la SAF (et donc de la température de l’air. Cette constatation soulève deux questions :

• Quelle est la valeur de la SAF historique?
• Comment les MCG du GIEC se comparent-ils à cette SAF?

Question a : Quelle est la valeur de la SAF historique?

On peut quantifier la SAF en utilisant les observations quotidiennes de l’albédo (brillance) de la surface et de la température recueillies sur l’ensemble de l’hémisphère Nord (Fernandes et al., 2009). Comme la SAF n’est différente de zéro que dans les zones de fonte des neiges, on peut limiter le travail d’observation à la période de fonte des neiges dans l’hémisphère Nord. Les graphiques ci-dessous illustrent l’évolution de la SAF dans l’hémisphère Nord en avril-mai, de 1982 à 1999 (on obtient des résultats semblables pour d’autres périodes) fondée sur notre analyse des observations satellitaires de l’albédo et des mesures de la température effectuées sur le terrain, et extrapolées dans l’espace à l’aide d’un modèle de réanalyse.

Tendances spatiales de la rétroaction de l’albédo de la neige au printemps dans l’hémisphère Nord (a) et valeurs de l’écart-type (variabilité) mesurées d’une année à l’autre (d) entre 1983 et 1999 (unités : % par oKelvin). Les régions où la rétroaction est élevée (extrémité rouge du spectre) afficheront habituellement une plus grande sensibilité qui se traduira par une hausse de la température de l’air en surface due au réchauffement climatique. Image agrandie

Question b : Comment les MCG du GIEC se comparent-ils à cette SAF?

On pourrait simplement comparer les MCG aux valeurs observées de la SAF pour déterminer ceux des MCG qui ne donneront vraisemblablement pas d’aussi bons résultats; toutefois, cela ne nous permettrait pas d’identifier la portion défaillante du MCG. Nous avons donc séparé la SAF en deux composantes : la première ayant trait à l’évolution de l’albédo sous l’effet du réchauffement en présence de la neige, et la seconde ayant trait à la vitesse de l’évolution de l’albédo sous l’effet du réchauffement pendant la transition des conditions de terrain enneigé aux conditions de terrain dénudé. La couverture nivale a été cartographiée pour l’ensemble de l’hémisphère Nord (voir ci-dessous).

À droite : Date moyenne de la fonte des neiges (Smtd) pour la période 1982–2004 dans l’hémisphère Nord, illustrée en intervalles de 20 jours. Les zones blanches représentent la neige permanente; les couleurs correspondent au jour moyen du début de la fonte des neiges. À gauche : Séries chronologiques de la fonte des neiges; moyennes établies pour le nord de l’Eurasie (EAmtd), l’Amérique du Nord (NAmtd) et l’hémisphère Nord (Gmtd). Les traits pointillés représentent les dates moyennes (Smtd) pour la période 1982–2004 correspondant aux valeurs numériques indiquées à droite (Zhao et Fernandes, 2009). Image agrandie

Contrairement à la SAF, les conditions d’enneigement varient beaucoup d’une année à l’autre. En conséquence, notre courte période d’observations ne peut servir directement à contraindre les MCG. Le graphique de droite compare les valeurs estimées de la SAF dans l’hémisphère Nord obtenues à partir de projections de MCG à nos propres observations. Il est clair que peu de modèles donnent des résultats proches à la fois de la SAF et de ses deux composantes. Cette comparaison initiale a utilisé des données de MCG tirées de projections, et il est donc possible que certains MCG donnent des résultats plus proches des données d’observation de la SAF couvrant la période historique. Des travaux sont en cours dans le cadre de l’Année polaire internationale pour répondre à cette question.

Prochaines étapes

• Est-il possible que les résultats de certains MCG s’accordent de plus près avec les données d’observation de la SAF correspondant à la période historique?  Des travaux sont en cours dans le cadre de l’Année polaire internationale pour répondre à cette question. 
• Serait-il possible d’ajuster les MCG pour améliorer l’appariement de leurs résultats avec les données d’observation de la SAF? Des chercheurs de l’Université de Toronto et d’Environnement Canada se penchent actuellement sur cette question.
• Les projections du cycle hydrologique changeront-elles si la vraisemblance est pondérée par des modèles qui correspondent de plus près aux données d’observation de la SAF? Les réponses obtenues aux questions 1 et 2 serviront à affiner le travail de modélisation.

Données de l’étude

On peut obtenir des estimations annuelles pancanadiennes de l’évapotranspiration pour la période 1990-2000 sur le site Web RésEau d’Environnement Canada. Ces informations sont utiles à titre de référence générale, mais doivent faire l’objet d’une validation locale avant d’être utilisées.

Liens

Canada's Water Budget

Publications et Références

Veuillez noter qu’il faut être abonné pour consulter certains articles. Pour obtenir une copie des publications, ou pour tout autre renseignement, veuillez contacter Richard Fernandes.

• Vérifiez les publications plus récentes en GEOSCAN, la base de données des publications de la Commission géologique du Canada et du Centre canadien de télédétection.

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Rivard, C., Fernandes, R.A. et al. 2009. Assessment of climate impacts to groundwater over Annapolis Valley Basin, Journal of Hydrogeology (in review as of April 2009).

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