Un inventaire des données climatiques historiques et des projections climatiques pour le Nord canadien

Résumé

Auteurs principaux

Auteurs principaux: Emilia Diaconescu (CCSC/ECCC), Silvie Harder (CCSC/ECCC), Elaine Barrow (CCSC/ECCC), Jennifer Lukovich (Université du Manitoba), Stephen Déry (Université de Northern British Columbia), Lawrence Mudryk (DRC/ECCC), Rajesh Shrestha (DRHEV/ECCC ), Alex Crawford (Université du Manitoba), Paul Kushner (Université de Toronto), Stephan Gruber (Université Carleton),

Vue d'ensemble

Un « Groupe de travail sur les données climatiques du Nord » a été formé par ECCC pour pour donner des conseils sur la façon d'identifier, d'évaluer et de sélectionner des ensembles de données climatiques pour diverses applications régionales et locales dans le Nord canadien. Ce rapport constitue le résultat de la Phase I du groupe de travail.

Champ d'application

L'objectif de ce rapport collaboratif est d'identifier, d'inventorier et de caractériser les ensembles de données existants pour le développement futur de produits climatiques destinés à soutenir la prise de décision en matière d'adaptation aux changements climatiques dans le Nord canadien. Il constitue une première étape importante dans la tâche complexe de développement des services climatiques dans cette région.

Public principal

Le public principalement visé par ce rapport comprend les organisations de services climatiques, les universitaires et les consultants qui ont besoin d'informations sur la pertinence et la disponibilité des ensembles de données climatiques brutes pour développer des produits et des outils climatiques afin de combler l'écart entre les connaissances théoriques des processus et l'application pratique pour l'adaptation.

Catégories et caractéristiques de l'ensemble de données

Des ensembles de données pour plusieurs variables, regroupées en cinq catégories (météorologie, neige, hydrologie, glace de mer et pergélisol), ont été inventoriés pour la période historique et pour les projections futures, avec une analyse plus approfondie pour la période historique.

Les caractéristiques des variables sélectionnées sont présentées sous forme de tableaux dans le rapport, avec des liens vers des sites Web et des documents descriptifs, dont beaucoup sont inclus dans les annexes. Les annexes décrivent les métadonnées en utilisant un format standard, contiennent des liens pour télécharger les données, et des détails supplémentaires sur la méthodologie utilisée pour développer les ensembles de données.

Les données historiques et les données modélisées sont présentées dans des chapitres distincts.

La compréhension actuelle des ensembles de données et les meilleures pratiques pour leur utilisation sont également fournies.

Les messages clés et les recommandations sont présentés ci-après, regroupés par catégorie de variables.

Données météorologiques et messages clés

Il existe de nombreux ensembles de données qui fournissent des données à long terme pour les quatre variables météorologiques analysées dans ce projet. Le rapport comprend plusieurs annexes (dont le nombre est indiqué entre parenthèses) pour chacune de ces variables : température de l'air proche de la surface (15), précipitations totales (27), humidité de surface (9), et vitesse et direction du vent de surface (12).

Données d'observation  historiques 

La meilleure solution pour décrire le climat local, les tendances et l'évolution des variables météorologiques sur une longue période historique est d'utiliser des séries de données ajustées et homogénéisées provenant de stations telles que fournies dans les ensembles de données DCCAH (voir Annexes 7.1.5 ; 7.2.4 & 7.4.3). Ces ensembles de données tiennent compte des changements d'instrumentation, d'emplacement et d'échantillonnage, et corrigent les variations non liées au climat ; les ensembles de données ajustées sur les précipitations tiennent compte d'un certain nombre d'erreurs connues dans les mesures des précipitations.

Malgré leur utilisation passée, les ensembles de données sur grille obtenus par des méthodes d’interpolation sur les régions du Nord canadien doivent être considérés avec prudence lorsque le réseau de stations est clairsemé. Seules les applications régionales dans les zones ayant une bonne couverture de stations (p. ex., un petit bassin versant ayant plusieurs stations dans chaque cellule de la grille) et sans variations topographiques importantes pourraient envisager l'utilisation d'un ensemble de données observées sur grille (voir les discussions dans les sections 3.1.2 et 3.1.3).

Les réprévisions et les réanalyses représentent une bonne alternative aux ensembles de données d'observation sur grille pour les applications qui requièrent des données météorologiques sur de grandes régions sans une bonne couverture de stations ou une bonne longueur d'enregistrement, comme les modèles d'impact, les méthodes de mise à l’échelle statistique et la correction des biais des modèles climatiques.

Cependant, il est difficile de recommander une réanalyse particulière pour ces applications, car ces ensembles des données n'ont pas encore été évalués de façon rigoureuse dans le Nord canadien. Les résultats des évaluations de ces ensembles de données à l'échelle continentale pourraient être biaisés par le nombre beaucoup plus élevé de stations dans les régions à l'extérieur du Nord canadien. Plusieurs études recommandent une approche multidataset pour compenser les différences entre les diverses réanalyse.

Bien que les jeux de données fusionnées ou " hybrides ", qui combinent les observations de plusieurs plates-formes satellitaires, constituent une nouvelle source potentiellement utile de données historiques pour les précipitations (voir la section 3.1.3), aucune étude ne les a évalués sur le Nord canadie.

Bien que des applications spécifiques nécessitent de longues séries de données infraquotidiennes, seul un nombre limité de stations, de réanalyses et de modèles climatiques en disposen.

Projections climatiques

Pour les projections climatiques, dans une analyse donnée, il est recommandé d'utiliser plusieurs MCG/MES/MRC, ou MCG avec une mise à l’échelle statistique, et plusieurs RCP/SSP pour tenir compte des incertitudes liées aux modèles et aux émissions.

Le choix des modèles dépend de l'application et de la variable climatique. Il existe des simulations avec des corrections de biais pour la température de l'air et les précipitations, la plupart d'entre elles utilisant comme référence pour la période historique, un ensemble de données d'observation sur grille. Un nombre très limité d'analyses existent pour les projections climatiques de l'humidité et du vent pour le Canada. 

Données de neige et messages clés

Trois variables liées à la neige ont été prises en compte dans ce rapport (épaisseur de la neige, équivalent en eau de la neige (EEN) et couverture neigeuse) et 25 ensembles de données basées sur les observations sont décrits dans les annexe.

Données d'observation  historiques 

Bien qu'il existe de nombreux jeux de données disponibles pour évaluer les variables de la neige, il y a des points forts et des limites selon le type de données (données de station, données sur grille, données satellitaires ou données modélisées) et même pour les différents jeux de données d'un même type. La sélection d'un jeu de données spécifique de la neige dépend de l'application et de l'échelle spatiale et temporelle d'intérêt.

Les variables de la neige peuvent varier considérablement à l'échelle locale en raison des interactions avec la végétation, la topographie et le vent. Les mesures in situ ou spécifiques à un site peuvent offrir des enregistrements à long terme qui reflètent la variabilité locale, mais elles sont peu répandues dans le Nord canadien et peuvent ne pas saisir les caractéristiques moyennes des conditions d'enneigement environnantes (voir les informations supplémentaires fournies à la section 3.2.1.

Les produits historiques sur grille, qu'ils soient dérivés de satellites ou basés sur des réanalyses, offrent des données complètes sur le plan spatial et temporel, mais ils contiennent de nombreuses hypothèses et/ou composantes modélisées et sont rarement (voire jamais) évalués spécifiquement pour leur capacité à reproduire avec précision les conditions dans le Nord canadien. Les résultats de la recherche suggèrent qu'au moins pour les ensembles de données historiques, sur grille et hémisphériques sur l'EEN, le calcul de la moyenne de plusieurs produits peut améliorer la précision, mais cela n'a pas été testé à des échelles régionales plus petites (p. ex., le Nord canadien) et peut ou non s'appliquer à d'autres variables de la neige.

Projections climatiques

Les projections des changements des variables de la neige sont généralement obtenues à partir des ensembles multimodèles CMIP5/6 (MCG) ou CORDEX (MRC) pour plusieurs scénarios d'émission (voir les informations supplémentaires sur la compétence actuelle de la neige simulée dans la section 4.2.3.

Les produits basés sur l'application d'une méthode de mise à l'échelle statistique directement sur les variables de la neige ne sont généralement pas disponibles. Il est possible d'obtenir des données de neige à fine échelle de façon dynamique en faisant tourner des modèles à haute résolution avec des forçages météorologiques qui ont une mise à l'échelle statistique et/ou une correction du biais, mais il s'agit pour l'instant de produits de recherch.

Données hydrologiques et messages clés

Le débit des rivières a été analysé dans la catégorie des données hydrologiques (voir la section 3.2.2 pour les détails sur les observations et la section 4.2.2.2 pour les détails sur les données modélisées) et 8 ensembles de données basées sur les observations sont décrits dans les annexes.

Données d'observation  historiques 

Les ensembles de données historiques sur le débit des rivières reposent principalement sur des mesures in situ des niveaux d'eau qui sont convertis en débit à l'aide d'une courbe d'évaluation. La technologie émergente de la télédétection et les modèles numériques (p. ex., les modèles hydrologiques et hydrauliques) offrent des sources de données supplémentaires, comblant ainsi les lacunes dans les zones non jaugées.

La disponibilité des données hydrométriques dans le nord du Canada a augmenté de façon marquée dans les années 1960, mais a connu un déclin dans les années 1990.

Les principaux cours d'eau du nord du Canada sont jaugés par la Division des relevés hydrologiques du Canada (parfois par des sociétés hydroélectriques), mais les cours d'eau plus petits sont souvent dépourvus de stations hydrométriques, notamment dans l'archipel arctique canadien. Ainsi, la télédétection, les réanalyses et les sorties de modèles complètent les données observées, mais leur fiabilité est très variable dans les bassins non jaugés du nord du Canada et elles sont généralement limitées aux dernières décennies tout au plus.

De nombreuses stations de jaugeage ne sont pas surveillées en hiver, ou en présence de la glace.

La recommandation pour les ensembles de données historiques est de donner la préférence au débit in situ des rivières provenant des stations hydrométriques, lorsqu'elles sont disponibles, étant donné qu'elles ont généralement des enregistrements étendus et homogènes.

Lorsque les données sur les débits sont insuffisantes ou simplement indisponibles, d'autres sources peuvent être utilisées, notamment les bassins versants expérimentaux gérés par des institutions universitaires et des agences gouvernementales, et les données sur les débits reconstitués par télédétection ou par des modèles.

Projections climatiques

Les modèles hydrologiques à l'échelle du bassin, les modèles hydrologiques globaux/régionaux et les modèles de surface terrestre peuvent être utilisés pour fournir des simulations de l'écoulement fluvial par MCG sur des périodes historiques et futures dans le Nord canadien.

Contrairement aux modèles hydrologiques à l'échelle du bassin, les modèles régionaux/globaux ne sont généralement pas calibrés pour reproduire l'écoulement spécifique du bassin, ce qui peut entraîner une incertitude considérable.

Il est courant d'incorporer plusieurs scénarios d'émissions, un ensemble avec plusieurs MCG ou MRC et un ou plusieurs modèles hydrologiques à l'échelle du bassin dans la projection des impacts hydrologiques des changements climatiques.

Les simulations des modèles hydrologiques à l'échelle du bassin sont généralement considérées comme adaptées aux analyses détaillées (par exemple, disponibilité saisonnière de l'eau, événements extrêmes), tandis que celles des modèles hydrologiques mondiaux/régionaux et des MRC peuvent être utilisées pour obtenir des informations générales à grande échelle (par exemple, la direction des changements de débit sur de vastes zones).

Données sur la glace de mer et messages clés

Trois variables de la glace de mer ont été analysées dans ce rapport et les jeux de données recommandés pour le Nord canadien sont décrits dans les sections 3.3.2 (concentration de la glace de mer), 3.3.3 (épaisseur de la glace de mer) et 3.3.4 (dérive de la glace de mer).

Données d'observation  historiques 

Les cartes des glaces de mer provenant des archives numériques du Service canadien des glaces fournissent une caractérisation locale et régionale des types de glace de mer ; cependant, elles peuvent être sujettes à des différences d'interprétation, ce qui donne des caractéristiques qui s'écartent des conditions locales réelles.

Les ensembles de données sur grille sur la concentration de la glace de mer permettent de saisir les changements de la glace de mer à l'échelle régionale et hémisphérique, mais ils sont sujets à des incertitudes associées à la couverture nuageuse, à la neige sur la glace de mer, aux bassins de fonte et à une résolution grossière, qui empêchent une représentation précise de la glace de rive, de l'emplacement de la lisière de la glace et de l'étendue de la zone de glace marginale.

Les observations in-situ de l'épaisseur de la glace de mer fournissent une caractérisation locale des changements de volume de la glace de mer, tandis que l'épaisseur de la glace de mer dérivée par satellite fournit une couverture spatiale et temporelle continue, bien que pour un historique plus court que pour les concentrations et la dérive de la glace de mer.

Des mesures in situ cohérentes de l'épaisseur de la glace de mer, dans l'Arctique canadien, n'existent que pour Cambridge Bay, Resolute, Eureka et Alert de 1950 à aujourd'hui. Des études récentes ont montré que les mesures du satellite CryoSat-2 fournissent une estimation fiable des épaisseurs allant de 0,5 à 4 m, tandis qu'un produit combiné de CrysoSat-2 et de l'humidité du sol et de la salinité de l'océan fournit une estimation raisonnable de la glace mince ; cependant, elles ne sont disponibles que pour une courte période de temps.

Pour la dérive de la glace de mer, l'IABP fournit des mesures à petite échelle et à haute fréquence des trajectoires de la glace de mer à partir de bouées dérivantes qui ne sont pas uniformément réparties dans l'espace ou dans le temps.

La dérive de la glace de mer du NSIDC fournit une couverture spatiale et temporelle continue de la dérive de la glace de mer à une résolution spatiale de 25 km à partir de 1979, et la dérive de la glace de mer de l'OSISAF à une résolution spatiale de 62,5 km à partir de 2009, avec une dérive estivale disponible après 2017. Cependant, les caractéristiques persistantes dues à la fusion des données des bouées et des satellites dans le jeu de données NSIDC, et la résolution spatiale grossière dans le jeu de données OSISAF empêchent l'évaluation des gradients de mouvement de la glace de mer, ou de la déformation.

Pour les applications, il est recommandé aux utilisateurs de considérer et de prendre en compte les différences entre les algorithmes et les méthodes utilisées pour combiner les sources dans des ensembles de données à long terme sur la glace de mer. Pour la recherche scientifique à long terme et à grande échelle, les estimations des micro-ondes passives de la glace de mer (en utilisant la version NOAA/NSIDC Climate Data Record) sont recommandées parce qu'ils couvrent une zone plus large et donnent les trois variables clés de la glace de mer à partir d'un seul produit.

Pour les applications dans le Nord canadien, il a été démontré que les cartes des glaces de mer fournissent des estimations plus précises de la concentration des glaces de mer dans les eaux canadiennes que les estimations des micro-ondes passives par satellite. Il est recommandé de compléter les informations locales sur les glaces de mer par des mesures in situ que l'on peut trouver au Catalogue de données polaires (PDC), au SIKU et au Smart-ICE (section 3.3.5). Les connaissances autochtones devraient être considérées pour répondre aux questions et aux applications spécifiques des communautés autochtone.

Projections climatiques

Pour les projections climatiques des variables de la glace de mer, la pratique actuelle consiste à utiliser les ensembles multimodèles CMIP5/6 pour plusieurs scénarios d'émissions (voir la section 4.2.3). Il n'existe pas suffisamment de produits à échelle réduite ni de produits corrigés des biais pour la glace de mer, et les chenaux étroits dans les eaux de l'Arctique canadien ne sont pas bien représentés par les MCG à résolution spatiale grossière. Bien que l'incertitude dans les projections des modèles soit plus grande pour l'archipel arctique canadien que pour l'ensemble de l'Arctique, l'ensemble multimodèle CMIP5/6 fournit néanmoins une base quantitative pour la projection des conditions futures de la glace de mer.

Données sur le pergélisol et messages clés

Le pergélisol a été analysé dans ce rapport dans la section 3.4. Les ensembles de données inclus dans cette section sont la température du sol (3.4.2), la teneur en glace de subsurface (3.4.3) et l'étendue du pergélisol (3.4.4). L'évolution du pergélisol est décrite en termes d'inventaires de formes de terrain (3.4.5) et d'affaissement du sol et d'épaisseur de la couche active (3.4.6). Voir la section 4.2.4 pour plus de détails sur les données modélisées.

Données d'observation  historiques 

La température du sol est une variable difficile à obtenir, mais importante pour caractériser les changements du pergélisol, car l'intérêt pour le pergélisol est largement dû au dégel

observé et à ses impacts. Souvent, les jeux de données de la température du sol ne sont pas largement partagés entre les chercheurs ou les différents groupes, ou les données n’ont pas une forme normalisée et ne sont disponibles que pour certains sites et études. PermafrostNet s'efforce d'améliorer les normes de données et l'interopérabilité (voir section 3.4.2).

L'interprétation des conditions de température du sol peut être difficile, car elles varient considérablement, même à l'échelle locale. Cela signifie également que l'interprétation des données mailléessur grille peut être difficile à une échelle fine. Des données fiables sur la température du sol sont utiles pour la conception technique, la quantification du changement et le test des modèles climatiques.

Le Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P) est un programme international qui s'occupe de la surveillance des paramètres du pergélisol. Permafrost Ground Temperature for the Northern Hemisphere, v3.0 fournit des produits de données modélisées. Il existe également de nombreuses bases de données sur les températures du sol et des trous de sonde spécifiques à chaque région du nord du Canada.

La formation et la fonte de la glace de sol peuvent avoir un impact important sur la topographie, l'hydrologie locale et les infrastructures, ce qui signifie que la quantité, l'emplacement et le type de glace de sol sont importants lorsqu'on examine comment une zone de pergélisol riche en glace peut réagir aux changements climatiques (voir section 3.4.3).

Il existe plusieurs cartes de la glace de sol dans la région circum-arctique et au Canada où les conditions de la glace de sol sont représentées soit par des données modélisées, soit par des données de forage. Ces deux types de données présentent des avantages et des inconvénients : les données de forage sont précieuses pour la caractérisation des conditions de glace locales, mais les données peuvent varier en fonction de la campagne de forage. Les données modélisées peuvent fournir des estimations de la teneur en glace de sol sur de grandes zones, mais il y a un manque général d'informations sur la glace de sol pour l'étalonnage et la validation des modèles. Cela signifie que la plupart des modèles et des cartes créées à partir de données modélisées ne peuvent fournir qu'une estimation approximative des conditions moyennes de la glace de sol dans les unités cartographiques.

L'étendue du pergélisol, divisée en zones telles que le pergélisol continu, discontinu ou discontinu étendu, exprime la proportion surfacique du sol sous le pergélisol. L'étendue du pergélisol ne peut être observée directement et les produits de données représentant cette variable sont basés sur des modèles qui reposent généralement sur des observations de la température de l'air et du sol. La quantification de l'étendue du pergélisol et de ses changements nécessite souvent une simplification extrême et peut limiter l'interprétabilité des résultats (voir section 3.4.4).

Il existe plusieurs ensembles de données historiques sur l'étendue du pergélisol, générés soit par une délimitation manuelle sous forme de polygones, soit par des modèles de grille reposant sur des simulations informatiques. La Circum-Arctic Map of Permafrost and Ground-Ice Conditions est la représentation spatiale du pergélisol la plus largement utilisée.

Les inventaires des formes de terrain du pergélisol peuvent contribuer à anticiper les trajectoires de changement futures en donnant un aperçu des processus souterrains passés par le biais de leur expression en surface sous forme de formes de terrain. Bien qu'il existe des inventaires de reliefs pour différentes régions de l'Arctique canadien, ils ne sont pas toujours recueillis de façon systématique et sont souvent liés à des questions de recherche spécifiques. Il est nécessaire de définir les formes de terrain de façon objective et reproductible (voir la section 3.4.5).

Il existe plusieurs sources de données et initiatives de cartographie dans le nord du Canada qui travaillent à la création de cartes d'inventaire des caractéristiques du thermokarst et du pergélisol par la délimitation et l'identification manuelles des formes de terrain ou par la cartographie par quadrillage.

Le programme Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) est le principal programme de mesures à long terme de la couche active (la couche au-dessus du pergélisol qui gèle et dégèle chaque année). L'affaissement du sol se produit avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche active lorsque les sédiments sont riches en glace. Les données sur l'épaisseur de la couche active et sur l'affaissement du sol pour le Canada sont actuellement rares et ne sont pas organisées dans un dépôt central et accessible, bien que cette information améliorerait la connaissance des changements de terrain associés au dégel du pergélisol en terrain riche en glace (section 3.4.6).

Projections climatiques

Même si des variables liées à la température du sol sont disponibles dans les projections climatiques, leur application pour éclairer la prise de décision concernant le dégel futur du pergélisol est limitée. Voir la section 4.2.4 pour une discussion sur le pergélisol et les modèles climatiques.

Le rapport de la Phase I du groupe de travail inclut l'inventaire des jeux de données pour les cinq catégories de variables et la version en ligne peut etre consultée sur le site Web du Rapport et inventaire des données climatiques nordiques (RIDCN).

Citation recommandée pour le rapport :

Diaconescu, E.P., P. Kushner, J. Lukovich, A. Crawford, E. Barrow, L. Mudryk, M. Braun, R. Shrestha, S. Gruber, S. Déry, S. Howell, et L. Matthews, 2023: Un inventaire des données climatiques historiques et des projections climatiques pour le Nord canadien; gouvernement du Canada, Gatineau, QC, 764p.

Contactez-nous

Si vous souhaitez obtenir la version PDF du rapport de la phase I du Groupe de travail, elle est disponible auprès du Centre canadien des services climatiques (CCSC). Veuillez contacter CCCS en utilisant l'adresse e-mail suivante :

Centre : Centre canadien des services climatiques (CCSC)/ECCC

Courriel : ccsc-cccs@ec.gc.ca