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Modélisation des vagues du golfe et de l’estuaire du Saint-Laurent dans un contexte de changements climatiques
Urs Neumeier*, Benoit Ruest, Eliott Bismuth, Dany Dumont, Denis Jacob, Jean-Pierre Savard et Sylvain Joly
Institut des sciences de la mer de Rimouski, Université du Québec à Rimouski
Adrien Lambert,
INTRODUCTIONLa connaissance du climat de vagues (statistiques à long-terme établies sur 30 ans) de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent est un élément essentiel, entre autres, à l’étude de l’érosion côtière, au dimensionnement des ouvrages côtiers et à la navigation. Dans un contexte de changements climatiques, le climat de v a g u e s d u S a i n t - L a u r e n t p e u t essentiellement évoluer selon deux facteurs: (1) changements dans le régime des vents (fréquence et intensité des tempêtes), (2) changements dans le couvert de glace hivernal.
Fig. 1. Carte de localisation des sites étudiés dans le golfe et l’estuaire du Saint-Laurent.
Le but de cette étude est, dans un premier temps, de caractériser le climat de vagues du Saint-Laurent en considérant l’impact des glaces sur celui-ci, puis de déterminer comment il pourrait
ed’évoluer durant le 21 siècle. Des analyses plus détaillées ont été réalisées particulièrements pour cinq sites d’études (Fig. 1), mais des résultats plus généraux pour l’ensemble du Saint-Laurent ont aussi été obtenus.
MÉTHODELa méthode (Fig. 2) a été développée dans le but d’utiliser les de l’air (T°) de modèles atmospheriques (réanalyse MERRA) afin de calculer des climats de vagues, soit des fréquences de dépassement ou des périodes de retour de hauteurs de vagues significatives (H ). Le modèle de fetch GENER s
(développé par Yvon Ouellet de l’Université Laval), a été choisi pour la simulation des vagues compte tenu de sa grande rapidité d’exécution par rapport aux modèles de vagues plus complexes. De nouvelles paramétrisations ont été ajoutées à GENER et un algorithme de prétraitement des vents a été developpé pour permettre le forçage de GENER par des champs de vents de modèles atmosphériques. GENER a ensuite été validé avec des mesures de vagues aux sites d’étude. Une méthode empirique d’estimation du couvert de glace hivernal à partir des degrés-jours de gel a également été développée. Elle permet de déterminer les dates de début et de fin de l’hiver (par rapport à la présence de glace de mer) et un facteur d’atténuation des vagues par la glace. L’atténuation des vagues par la glace est ensuite appliquée aux H calculés par GENER. s
Finalement, le climat de vagues est évalué sur différentes périodes de 30 ans.
vents à 10 m (U ) et les températures 10
Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) et
Post-traitement pour atténuation des vagues
par la glace
Relations empiriquesde glace
Algorithme deprétraitement du ventU10
T°
GENERU10
Débuts/fins hiver + facteursd’atténuation par la glace
Modèle atmospherique
(MERRA ouMRCC) Hs
Hs
Analyse climatique sur 30 ans
Climatde vagues
Fig. 2. Schéma de la méthode utilisée pour l’évaluation du climat de vagues.
ÉVOLUTION DES GLACES DU SAINT-LAURENTLes résultats obtenus montrent qu’avec les changements climatiques, plus spécifiquement le réchauffement des températures hivernales sur le Saint-Laurent, il y aura une réduction importante de la glace de mer d’ici la fin du siècle. En effet, autant la durée d’englacement que la quantité annuelle cumulée de glace seront affectés (Fig. 3). L’impact de ces changements dans les
ÉVOLUTION DU CLIMAT DE VAGUES AUX 5 SITES
Fig. 3. Évolution des dates d’apparition et de disparition de la glace de mer et de la quantité de glace cumulée par hiver pour le golfe du Saint-Laurent.
Les courbes présentent la moyenne et min-max des simulations.
Fig. 4. Évolution des coefficients d’atténuation des vagues par la glace (évalués à partir des sorties de glace MOR
forcé par MRCC-aev) aux 5 sites d’études.
conditions de glace sur les vagues sera également réduit, voire complètement éliminée. La Fig. 4 montre justement que mis à part le site de St-Ulric (estuaire), l’atténuation des vagues par la glace (évaluée à partir des sorties de glace du Modèle océanique régional (MOR)) devrait devenir négligeable dès 2060 environ.
Le climat de vagues pour le passé-récent a été étudié à partir des données de la réanalyse MERRA. Deux simulations climatiques (aev et ahj) du modèle MRCC ont été utilisées pour évaluer l’évolution future du climat de vagues. Elles sont basées sur le scénario A2 d’émission de gaz à effet de serre du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC).
ÉVOLUTION GÉNÉRALE DU CLIMAT DE VAGUESLa Figure 7 présente la variation spatiale du climat de vagues du passé-récent évalué à partir de la
eréanalyse MERRA et une estimation de son évolution au cours du 21 siècle. De manière générale, en ne considérant que les changements dans les vents, les simulations MRCC-aev et MRCC-ahj ne laissent pas présager des changements significatifs dans le climat de vagues. Toutefois, une augmentation généralisée des H est très probable (MRCC-aev et MRCC-ahj) si l’évolution des s
glaces du Saint-Laurent est aussi prise en compte dans l’évaluation du climat de vagues.
∆(a) - (c)
99% Hs ∆ (b) - (d)
50-yr Hs
CONCLUSIONS L’influence de la glace de mer sur le climat de vagues du Saint-Laurent est appelée à disparaître
ed’ici la fin du 21 siècle;
ª Selon les simulations climatiques utilisées, les changements dans le régime des vents ne devraient pas modifier significativement le climat de vagues du Saint-Laurent sur la période 1981-2100;
ª Une hausse moyenne de l’ordre de 6-10% des 99% H et de 10-16% des H de période de retour s s
50 ans est envisageable d’ici la fin du siècle.
(simulations avec scénario A2 du GIEC)ª
REMERCIEMENTSCe projet a été financé par le ministère des Transports du Québec (MTQ) dans le cadre du Plan d’action 2006-2012 sur les changements climatiques du gouvernement du Québec, Action 23C – volet érosion côtière. Merci à Christian Poirier et à Daniel Lavallée du MTQ qui ont contribué généreusement au projet par leurs conseils et en partageant leur savoir. Merci également Simon Senneville (ISMER) pour la mise à disposition des sorties de glace de MOR ainsi que les températures MRCC-aev débiaisées. Merci aussi à James Caveen (ISMER) pour sa contribution dans la mise à jour du code source de GENER.
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
∆ 50−yr Hs
−24 −20 −16 −12 −8 −4 0 4 8 12 16 20 24(%)
a) b)
CRCM-aevice free
CRCM-aevwith ice
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
∆ 99% Hs
−14 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14
d)
b)a)
c)
(%)
CRCM-aevice free
CRCM-ahjice free
CRCM-aevwith ice
CRCM-ahjwith ice
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
68oW 66
oW 64
oW 62
oW
68oW 66oW 64oW 62oW 68oW 66oW 64oW 62oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
Hs1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m 8 m
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
∆Hs −24% −20% −16% −12% −8% −4% 0% 4% 8% 12% 16% 20% 24%
MERRA (avec glace)1981-2010
MERRA (avec glace)1981-2010
MRCC-ahj (sans glace)[2071-2100] - [1981-2010]
99% Hs 50-yr Hs
Δ99% Hs Δ50-yr Hs
MRCC-ahj (sans glace)[2071-2100] - [1981-2010]
MRCC-ahj (avec glace)[2071-2100] - [1981-2010]
MRCC-ahj (avec glace)[2071-2100] - [1981-2010]
Δ99% Hs Δ50-yr Hs
Fig. 7. Climat de vagues du Saint-Laurent pour la période 1981-2010 évalué à partir de MERRA (A et B) et variations climatiques selon la simulation MRCC-ahj avec (C et D) et sans (E et F) considération de la glace sur la période 1981-2100. Les variations
statistiquement significatives sont marquées d’un « X » pour les 99% H et « O » pour s
les H 50-ans sont plus grande que l’intervalle de confiance 95% de la distribution des extrêmes (Pareto). s
les H 50-ans. Les variations marqués d’un s
Fig. 6. Évolution du climat de vagues (H 50 ans) au cours sedu 21 siècle aux sites d’étude avec et sans
considération de la glace.
Fig. 5. Distributions des extrêmes (Pareto) pour différentes périodes climatiques au site A pour la simulation MRCC-ahj (courbes pleines). Les
courbes traitillées représentent les intervalles de confiance 95%.
H s
Forçage vents MRCC-aev au site A
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
H (
m)
s
1 10 100Période de retour (années)
L’évolution du climat de vagues du Saint-Laurent avec les changements climatiques est très variable d’un site à l’autre et d’une simulation climatique à l’autre (Fig. 6). Considérant l’effet des vents seuls (courbes rouges), les changements dans le climat de vagues sont minimaux. Ceux-ci sont amplifiés en considérant également la glace et la tendance générale est plus vers une augmentation des hauteurs significative des vagues (
. Toutefois, en considérant les intervalles de confiance des distributions des
H ) de période de retour s
50 ansextrêmes (Fig. 5), on
remarque que les incertitudes sont considérables.
U10
T°
GENERU10
Débuts/fins hivers + facteursd’atténuation par la glace
Modèle atmospherique
(MERRA ouMRCC) Hs
Hs
Climatde vagues
Relations empiriquesde glace
Algorithme deprétraitement du vent
Post-traitement pour atténuation des vagues
par la glace
Analyse climatique sur 30 ans
0.1 1 10 1001
2
3
4
5
6
7
8
Période de retour (années)
Hs (
m)
Simulation MRCC−ahj à Saint-Ulric
1981−2010 (glace)
2041−2070 (glace)
2071−2100 (glace)
2071−2100 (sans glace)
3.5
4
4.5
5
5.5
Hs 50−ans au site A (vents MRCC−aev)
Hs (
m)
Relations empiriques
MOR
Sans glace
5
6
7
8
Hs 50−ans au site B (vents MRCC−aev)
Hs (
m)
4
6
8
Hs 50−ans au site C (vents MRCC−aev)
Hs (
m)
5.5
6
6.5
7
Hs 50−ans au site ML (vents MRCC−aev)
Hs (
m)
6.5
7
7.5
8
Hs 50−ans au site IMC (vents MRCC−aev)
Hs (
m)
Hs 50−ans au site A (vents MRCC−ahj)
Hs 50−ans au site B (vents MRCC−ahj)
Hs 50−ans au site C (vents MRCC−ahj)
Hs 50−ans au site ML (vents MRCC−ahj)
Hs 50−ans au site IMC (vents MRCC−ahj)
1981-2010
2011-2040
2041-2070
2071-2100
1981-2010
2011-2040
2041-2070
2071-2100
68oW 66oW 64oW 62oW 68oW 66oW 64oW 62oW
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
Hs1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m 8 m
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
47oN
30’
48oN
30’
49oN
30’
50oN
∆Hs −24% −20% −16% −12% −8% −4% 0% 4% 8% 12% 16% 20% 24%
H 50 anss
MERRA (avec glace)1981-2010
MERRA (avec glace)1981-2010
99% Hs
Δ99% Hs
MRCC-ahj (sans glace)[2071-2100] - [1981-2010]
A)
ΔH 50 anss
MRCC-ahj (sans glace)[2071-2100] - [1981-2010]
Δ99% Hs
MRCC-ahj (avec glace)[2071-2100] - [1981-2010]
ΔH 50 anss
MRCC-ahj (avec glace)[2071-2100] - [1981-2010]
A) B)
C) D)
E) F)
U10
T°
GENERU10
Débuts/fins hivers + facteursd’atténuation par la glace Modèle
atmospherique(MERRA ou
MRCC)Hs
Hs
Algorithme de prétraitement
du vent
Relations empiriquesde glace
Post-traitement pour atténuation
des vaguespar la glace
Analyse climatique sur 30 ans
Climatde vagues
