Modéliser les inondations par simulations climatiques haute résolution
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Les inondations suscitent de grandes préoccupations à l’échelle mondiale. Les conséquences sociales, économiques et environnementales de ces événements extrêmes et les effets potentiels du changement climatique ont souligné la nécessité de mieux connaître les processus menant à ces événements. Ainsi, des modèles hydrologiques alimentés par des données de sortie de modèles climatiques permettent d’évaluer les inondations selon les conditions passées, présentes et futures. Les simulations climatiques s’améliorent constamment grâce aux innovations informatiques qui permettent d’augmenter la résolution de modélisation des inondations. Cette étude analyse l’effet des simulations climatiques haute résolution sur la modélisation des inondations de 50 bassins hydrographiques du Québec. Les résultats ont démontré que la résolution avait une incidence claire sur la modélisation. Plus la résolution était élevée, plus les débits de pointe étaient importants, et ces effets étaient plus importants encore pour les inondations « les plus » extrêmes. Mots clés : Modélisation des inondations, simulations climatiques, résolution spatiale, modélisation hydrologique
Les inondations et leur impact sur nos sociétés
Partout dans le monde, les événements catastrophiques que sont les inondations affectent nos sociétés d’année en année. Au Canada, les inondations ont représenté le danger naturel le plus fréquent et le plus coûteux des dernières années [1, 2]. Le Québec a été particulièrement touché par d’importantes inondations ces dernières décennies. Par exemple, l’inondation du Saguenay en 1996, le Richelieu en 2011, l’inondation de 2017 qui a touché 287 municipalités et les récentes inondations de 2019 ont toutes entraîné d’importantes conséquences socio-économiques [3].
Événement hydrologique complexe, les inondations peuvent être causées par des facteurs anthropiques (rupture d’un barrage, changement d’occupation des sols) ou des facteurs climatiques comme des précipitations abondantes ou persistantes. Par conséquent, de nombreux efforts ont été déployés pour évaluer les impacts des changements climatiques sur l’hydrologie et les inondations. Il a été démontré que les processus du cycle hydrologique comme les précipitations, la fonte des neiges et des glaces, les taux d’évaporation et le ruissellement étaient affectés autant du point de vue de leur valeur moyenne que de leurs valeurs extrêmes [4, 5]. D’ailleurs, il est à peu près certain que les changements climatiques continueront à affecter les processus hydrologiques à venir [6, 7]. Les changements dans les événements hydrologiques extrêmes comme les inondations figurent parmi les effets potentiels majeurs des changements climatiques, exerçant des pressions énormes sur les sociétés [5, 8]. Par conséquent, des groupes multidisciplinaires de chercheurs se sont réunis dans le but d’améliorer notre compréhension de ce problème complexe et de définir des stratégies d’adaptation pour l’avenir [9].
Un système complexe nécessitant la puissance informatique
Les effets des changements climatiques sur les inondations s’étudient à l’aide de simulations climatiques en constante évolution qui permettent de produire différents scénarios. Ces simulations s’obtiennent à partir de modèles mathématiques du système climatique [10]. Cependant, le système climatique de la Terre est composé de processus complexes se déroulant à des échelles spatio-temporelles très diverses [11, 12] et présentant des variations de grande ampleur. Dans le temps, les cycles et tendances peuvent aller de quelques millisecondes à des centaines ou des milliers d’années et, dans l’espace, les processus climatiques peuvent aller de micromètres à des centaines de kilomètres. Les modèles climatiques nécessitent donc une grande puissance informatique en raison de la complexité de représentation du système climatique mondial et les innovations informatiques sont vitales si l’on veut améliorer les simulations climatiques.
Les avancées en puissance informatique permettent d’augmenter les résolutions spatio-temporelles des modèles climatiques et, par le fait même, d’améliorer les simulations hydrologiques qui utilisent, en entrée, les données de sortie de ces modèles. Pour cette raison, notre étude évalue la sensibilité des simulations des crues à la résolution spatiale croissante des simulations climatiques de 50 bassins versants du Québec.
Tout d’abord, nous avons comparé les données de sortie du Modèle régional canadien du climat, version 5 (MRCC5), pour trois différentes résolutions : 0,11°, 0,22° et 0,44° ≈12, 24 et 48 km (voir la figure 1).
Figure 1 Température annuelle moyenne (°C, panneaux supérieurs) et précipitation annuelle moyenne (mm, panneaux inférieurs) à 0,11°, 0,22° et 0,44° (de gauche à droite) au Québec
La figure 1 montre des patrons similaires à l’échelle provinciale à la fois pour la température (panneaux supérieurs) et les précipitations (panneaux inférieurs). Toutefois, on remarque des différences en comparant les résolutions spatiales aux échelles du bassin versant et locale, car les échelles plus fines donnent plus de détails que les autres. Le biais et le biais relatif ont servi à quantifier les différences entre les résolutions pour la température et les précipitations (résultats non présentés). Cette comparaison a démontré les effets marqués de la résolution spatiale sur les sorties des modèles climatiques (voir le texte intégral pour plus de détails). La résolution spatiale entraîne une différence de température allant jusqu’à 3 °C, montrant des températures plus chaudes dans les simulations plus grossières du MRCC5. Les comparaisons entre les simulations de précipitations ont montré des différences atteignant jusqu’à 40 %, les biais relatifs montrant des simulations d’été plus sèches dans les niveaux moins raffinés (0,22° et 0,44°).
Après analyse de la température et des précipitations du MRCC5, trois modèles hydrologiques différents ont servi à évaluer les effets de la résolution spatiale du MRCC5 sur les débits saisonniers et les simulations des débits de crue. Comme attendu, les simulations de débits en rivières et des crues ont également montré l’effet des résolutions spatiales du MRCC5. Les simulations de débits présentent des différences nettes entre les résolutions. Les résultats ont démontré que, plus la différence de résolution spatiale était grande entre les simulations du MRCC5, plus la différence était grande entre les simulations des débits. Enfin, les inondations ont été analysées à l’aide de quatre indicateurs de crues, sur des périodes de récurrence de 2, 5, 10 et 20 ans. La figure 2 montre les résultats pour les débits de périodes de récurrence 2 ans et 20 ans et, conformément à l’analyse saisonnière des débits, les résolutions plus fines (0,22° contre 0,11° en bleu foncé) présentaient des différences plus faibles que les moins raffinées (0,44° contre 0,22° en bleu clair) sur les quatre indicateurs de crue. De plus, ces différences ont augmenté progressivement pour les périodes de récurrence plus longues.
Figure 2 Biais relatifs (%) entre les indicateurs de crue (2 ans et 20 ans) d’écoulement simulé selon les différentes résolutions du MRCC5.
Dans l’ensemble, les résultats démontrent clairement l’effet des résolutions spatiales du MRCC5 sur les simulations des débits en rivières, et en particulier des débits de crue pouvant générer des inondations. Ainsi, comme la communauté hydrologique utilise généralement des simulations de modèles climatiques pour produire des scénarios de débits, ce travail souligne la nécessité d’étudier davantage l’incertitude associée à la résolution spatiale dans les travaux futurs.
Information supplémentaire
Pour plus d’information, consulter l’article de suivant :
Castaneda-Gonzalez, M., Poulin, A., Romero-Lopez, R., Arsenault, R., Brissette, F., et Turcotte, R. (2019). Sensitivity of seasonal flood simulations to regional climate model spatial resolution. Climate Dynamics, 53(7), 4337-4354.
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