Modélisation en bandes C et X de la rétrodiffusion de couverts de neige sèche : évaluation de l’apport de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses.

La compréhension et la modélisation de l’interaction de l’onde électromagnétique avec la neige sont très importantes pour l’application des technologies radars à des domaines tels que l’hydrologie et la climatologie. En plus de dépendre des propriétés de la neige, le signal radar mesuré dépendra aussi des caractéristiques du capteur et du sol. La compréhension et la quantification des différents processus de diffusion du signal dans un couvert nival s’effectuent à travers les théories de diffusions de l’onde électromagnétique. La neige, dans certaines conditions, peut être considérée comme un milieu dense lorsque les particules de glace qui la composent y occupent une fraction volumique considérable. Dans un tel milieu, les processus de diffusion par les particules ne se font plus de façon indépendante, mais de façon cohérente. L’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses est une des théories élaborées afin de prendre en compte ces processus de diffusions cohérents. Son apport a été démontré dans de nombreuses études pour des fréquences > 10 GHz où l’épaisseur optique de la neige est importante et où la diffusion de volume est prédominante. Par contre, les capteurs satellitaires radar présentement disponibles utilisent les bandes L (1-2GHz), C (4-8GHz) et X (8-12GHz), à des fréquences principalement en deçà des 10 GHz. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’apport du modèle de diffusion issu de l’approximation quasi-cristalline pour les milieux denses (QCA/DMRT) dans la modélisation de couverts de neige sèches en bandes C et X. L’approche utilisée consiste à comparer la modélisation de couverts de neige sèches sous QCA/DMRT à la modélisation indépendante sous l’approximation de Rayleigh. La zone d’étude consiste en deux sites localisés sur des milieux agricoles, près de Lévis au Québec. Au total 9 champs sont échantillonnés sur les deux sites afin d’effectuer la modélisation. Dans un premier temps, une analyse comparative des paramètres du transfert radiatif entre les deux modèles de diffusion a été effectuée. Pour des paramètres de cohésion inférieurs à 0,15 à des fractions volumiques entre 0,1 et 0,3, le modèle QCA/DMRT présentait des différences par rapport à Rayleigh. Un coefficient de cohésion optimal a ensuite été déterminé pour la modélisation d’un couvert nival en bandes C et X. L’optimisation de ce paramètre a permis de conclure qu’un paramètre de cohésion de 0,1 était optimal pour notre jeu de données. Cette très faible valeur de paramètre de cohésion entraîne une augmentation des coefficients de diffusion et d’extinction pour QCA/DMRT ainsi que des différences avec les paramètres de Rayleigh. Puis, une analyse de l’influence des caractéristiques du couvert nival sur les différentes contributions du signal est réalisée pour les 2 bandes C et X. En bande C, le modèle de Rayleigh permettait de considérer la neige comme étant transparente au signal à des angles d’incidence inférieurs à 35°. Vu l’augmentation de l’extinction du signal sous QCA/DMRT, le signal en provenance du sol est atténué d’au moins 5% sur l’ensemble des angles d’incidence, à de faibles fractions volumiques et fortes tailles de grains de neige, nous empêchant ainsi de considérer la transparence de la neige au signal micro-onde sous QCA/DMRT en bande C. En bande X, l’augmentation significative des coefficients de diffusion par rapport à la bande C, ne nous permet plus d’ignorer l’extinction du signal. La part occupée par la rétrodiffusion de volume peut dans certaines conditions, devenir la part prépondérante dans la rétrodiffusion totale. Pour terminer, les résultats de la modélisation de couverts de neige sous QCA/DMRT sont validés à l’aide de données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Les deux modèles présentaient des rétrodiffusions totales semblables qui concordaient bien avec les données RADARSAT-2 et TerraSAR-X. Pour RADARSAT-2, le RMSE du modèle QCA/DMRT est de 2,52 dB en HH et 2,92 dB en VV et pour Rayleigh il est de 2,64 dB en HH et 3,01 dB en VV. Pour ce qui est de TerraSAR-X, le RMSE du modèle QCA/DMRT allait de 1,88 dB en HH à 2,32 dB en VV et de 2,20 dB en HH à 2,71 dB en VV pour Rayleigh. Les valeurs de rétrodiffusion totales des deux modèles sont assez similaires. Par contre, les principales différences entre les deux modèles sont bien évidentes dans la répartition des différentes contributions de cette rétrodiffusion totale.

Sensibilité des simulations de neige du modèle SNOWPACK à la paramétrisation de la végétation dans la Réserve Faunique Chic-Chocs

Au Canada, les avalanches constituent le géorisque le plus dangereux en période hivernale. On enregistre annuellement d’importants coûts économiques et sociaux associés aux impacts de ce phénomène naturel. Par exemple, la fermeture de routes en cas de risque d’avalanche est estimée à 5 millions de dollars (Jamieson et Stethem, 2002). La prévision des avalanches est, de nos jours, la meilleure méthode afin d’éviter ces coûts. Au Canada, cela s’effectue de façon ponctuelle à l’aide de méthodes manuelles tel que le test de compression (CAA, 2014). Les modèles de simulation du couvert neigeux permettent d’étendre les prévisions à l’ensemble d’une région et ainsi, atteindre certains lieux difficilement accessibles pour l’homme. On tente actuellement d’adapter le modèle SNOWPACK aux conditions canadiennes et plusieurs études ont eu pour but d’améliorer les simulations produites par celui-ci. Cette étude vise donc également l’amélioration des simulations par l’intégration des paramètres de végétation. L’objectif de l’étude est de paramétrer, pour la première fois, le module de végétation de SNOWPACK avec les données récoltées dans la réserve faunique des Chic-Chocs. Nous pourrons ainsi évaluer l’impact de la végétation sur la modélisation du couvert nival. Nous avons donc, lors de sorties de terrain, recueillis les données de neige et de végétation au niveau de quatre sites d’étude. Nous avons par la suite réalisé les simulations avec SNOWPACK et comparer les résultats des simulations avec et sans végétation aux données de terrain. L’étude nous révèle que le modèle diminue la quantité de neige au sol ainsi que la densité du manteau neigeux en présence de végétation. De plus nous avons pu constater que l’inclusion du module de végétation permet d’obtenir des données qui se rapprochent davantage de ce qui a été observé sur le terrain.

Évaluation de la modélisation de la taille de grain de neige du modèle multi-couches thermodynamique SNOWPACK: implication dans l'évaluation des risques d'avalanches

Résumé: L’Institut pour l'étude de la neige et des avalanches en Suisse (SLF) a développé SNOWPACK, un modèle thermodynamique multi-couches de neige permettant de simuler les propriétés géophysiques du manteau neigeux (densité, température, taille de grain, teneur en eau, etc.) à partir desquelles un indice de stabilité est calculé. Il a été démontré qu’un ajustement de la microstructure serait nécessaire pour une implantation au Canada. L'objectif principal de la présente étude est de permettre au modèle SNOWPACK de modéliser de manière plus réaliste la taille de grain de neige et ainsi obtenir une prédiction plus précise de la stabilité du manteau neigeux à l’aide de l’indice basé sur la taille de grain, le Structural Stability Index (SSI). Pour ce faire, l’erreur modélisée (biais) par le modèle a été analysée à l’aide de données précises sur le terrain de la taille de grain à l’aide de l’instrument IRIS (InfraRed Integrated Sphere). Les données ont été recueillies durant l’hiver 2014 à deux sites différents au Canada : parc National des Glaciers, en Colombie-Britannique ainsi qu’au parc National de Jasper. Le site de Fidelity était généralement soumis à un métamorphisme à l'équilibre tandis que celui de Jasper à un métamorphisme cinétique plus prononcé. Sur chacun des sites, la stratigraphie des profils de densités ainsi des profils de taille de grain (IRIS) ont été complétés. Les profils de Fidelity ont été complétés avec des mesures de micropénétromètre (SMP). L’analyse des profils de densité a démontré une bonne concordance avec les densités modélisées (R[indice supérieur 2]=0.76) et donc la résistance simulée pour le SSI a été jugée adéquate. Les couches d’instabilités prédites par SNOWPACK ont été identifiées à l’aide de la variation de la résistance dans les mesures de SMP. L’analyse de la taille de grain optique a révélé une surestimation systématique du modèle ce qui est en accord avec la littérature. L’erreur de taille de grain optique dans un environnement à l’équilibre était assez constante tandis que l’erreur en milieux cinétique était plus variable. Finalement, une approche orientée sur le type de climat représenterait le meilleur moyen pour effectuer une correction de la taille de grain pour une évaluation de la stabilité au Canada.

Amélioration de la résolution spatiale de simulations de neige du modèle SNOWPACK dans un contexte de l'accès à la nourriture du caribou de Peary

Le caribou de Peary, désigné en voie de disparition, n’est pas épargné par les changements climatiques. Par le passé, des hivers successifs caractérisés par des conditions météorologiques extrêmes ont entrainé des déclins importants de population en quelques années, pouvant aller jusqu’à 98 %. L’augmentation des épisodes de redoux hivernaux et de pluies sur neige réduit les conditions d’accès à la nourriture de cette sous-espèce. Ces conditions ont pour conséquence d’augmenter la densité des couches de neige dans le manteau neigeux, ce qui empêche le caribou d’avoir accès au fourrage couvrant le sol en hiver. Dans cet esprit, l’outil de spatialisation de SNOWPACK dans l’Arctique (OSSA) développé dans Ouellet et al. (2016) permet la spatialisation des conditions d’accès à la nourriture du caribou de Peary en utilisant le modèle de simulation du couvert nival SNOWPACK. Le paramètre du couvert nival utilisé est l’épaisseur cumulée au-delà d’un seuil fixe de densité durant la saison hivernale (ECD). L'OSSA fournit un résultat d’une résolution spatiale de 32 km puisque les données météorologiques utilisées sont les données de réanalyses du North American Regional Reanalysis (NARR) qui possède une résolution de 32 km. Cette résolution grossière ne permet pas de documenter et prédire la migration locale des différentes populations sur les îles de l'archipel arctique canadien. L’objectif principal de ce projet est donc d’évaluer le potentiel d'une approche de raffinement spatial de l'OSSA à une résolution de 1 km. Afin d’affiner la résolution spatiale de la simulation de l’ECD, des données de pente et de l’albédo du sol à une résolution de 1 km ont été utilisées. Avant d’effectuer les simulations à haute résolution, la sensibilité de l’ECD à ces deux paramètres du terrain a été testée. Les simulations préliminaires ont permis de démontrer que plus la pente est élevée, plus l’ECD sera faible. Également, il a été identifié que la pente va affecter l’ECD à partir d’un seuil de 3 degré. L’albédo du sol a aussi un impact significatif sur l’ECD, mais à un niveau moins important que la pente. Finalement, la comparaison des résultats à faible et haute résolution a pu démontrer que l’approche de raffinement spatial appliquée permet d’obtenir une information plus détaillée des conditions d’accès à la nourriture du caribou de Peary. Les résultats d’ECD obtenus à 1 km de résolution montrent des écarts avec l’ECD à 32 km de résolution pouvant dépasser les 2000 cm. Finalement, cette étude montre l’intérêt d’automatiser cette approche afin de pouvoir spatialiser les conditions d’accès à la nourriture à une résolution de 1 km et de prédire certaines micro-variabilités dans les déplacements futurs des caribous de Peary en fonction des changements climatiques.

Spatialisation du modèle de couvert nival SNOWPACK dans le Nord canadien pour l’étude de l’accès à la nourriture du caribou de Peary

Le caribou de Peary est l’unité désignable du caribou la plus septentrionale ; sa population a chuté d’environ 70% au cours des trois dernières générations. Le Comité sur la situation des espèces en péril au Canada (COSEPAC) identifie les conditions difficiles d’accès à la nourriture à travers le couvert nival comme le facteur le plus influant contribuant à ce déclin. Cette étude se concentre sur l’établissement d’un outil spatial de caractérisation des conditions nivales pour l’accès à la nourriture du caribou de Peary dans le Nord canadien, utilisant des simulations du couvert nival générées avec le logiciel suisse SNOWPACK à partir des données du Modèle Régional Climatique Canadien. Le cycle de vie du caribou de Peary a été divisé en trois périodes critiques : la période de mise bas et de migration printanière (avril – juin), celle d’abondance de nourriture et de rut (juillet – octobre) et celle de migration automnale et de survie des jeunes caribous (novembre – mars). Les conditions nivales sont analysées et les simulations du couvert nival comparées aux comptes insulaires de caribous de Peary pour identifier un paramètre nival qui agirait comme prédicateur des conditions d’accès à la nourriture et expliquerait les fluctuations des comptes de caribous. Cette analyse conclue que ces comptes sont affectés par des densités de neige au-dessus de 300 kg/m³. Un outil logiciel cartographiant à une échelle régionale (dans l’archipel arctique canadien) les conditions d’accès à la nourriture possiblement favorables et non favorables basées sur la neige est proposé. Des exemples spécifiques de sorties sont données pour montrer l’utilité de l’outil, en cartographiant les pixels selon l’épaisseur cumulée de neige au-dessus de densités de 300 kg/m³, où des épaisseurs cumulées au-dessus de 7000 cm par hiver sont considérées comme non favorables pour le caribou de Peary.

Analyse de nouvelles opportunités permettant d'améliorer la santé des cours d'eau du Québec méridional

L’objectif de cet essai est d’analyser de nouvelles opportunités permettant d’améliorer la santé des cours d’eau du Québec méridional. Cette analyse multicritères est effectuée selon les dimensions du développement durable. Un des enjeux que les acteurs en gestion de l’eau doivent prendre en compte est l’effet des changements climatiques, la première partie décrit les problématiques à prévoir sur les cours d’eau. En 2008, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat publiait un rapport sur les effets des changements climatiques et l’eau. Deux principaux effets des changements climatiques étaient observés en Amérique du Nord : une hausse des précipitations moyennes annuelles et une baisse de ces précipitations sous forme de neige. Différents acteurs interviennent en gestion de l’eau; le rôle de chacun est abordé dans la seconde partie cet essai. Le ministère des Transports du Canada, le ministère des Pêches et Océans ainsi qu’Environnement et Changement climatique Canada se partagent des responsabilités en matière de compétence fédérale. À l’échelle provinciale, cinq ministères ont des responsabilités en lien avec les cours d’eau. À l'échelle locale, les municipalités régionales de comté et les municipalités ont également des responsabilités en matière de cours d’eau. Les organismes de bassins versants et les tables de concertation régionale assurent, quant à eux, une gestion intégrée par bassin versant et la concertation des intervenants locaux. Par la suite, deux opportunités en amont des cours d’eau sont décrites dans cet essai : il s’agit des noues de biorétention et des marais filtrants. Pour ce qui est des opportunités d’aménagement durables des cours d’eau, les deux opportunités présentées sont le concept de liberté de cours d’eau et du chenal à deux niveaux. L’analyse multicritères de développement durable a été réalisée sur les dimensions environnementale, sociale, économique et de la gouvernance. L’analyse a permis de constater que certains projets s’illustrent davantage sur le plan du développement durable, plus précisément les noues de biorétention, les marais filtrants et la liberté de cours d’eau. Pour finir, dans le but de favoriser la mise en place des projets étudiés dans cet essai, six recommandations ont été formulées à l’intention des acteurs de l’eau.

Analyse des données de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) sur des bassins versants choisis au Canada pour la caractérisation des eaux souterraines.

Résumé : Les eaux souterraines ont un impact majeur sur la vie terrestre, les besoins domestiques et le climat. Elles sont aussi un maillon essentiel du cycle hydrologique. Au Canada par exemple, plus de 30 % de la population est tributaire des eaux souterraines pour leur alimentation en eau potable. Ces ressources subissent de nombreuses pressions sous l’influence de certains facteurs comme la salinisation, la contamination et l’épuisement. La variabilité du climat et la demande croissante sur ces ressources imposent l'amélioration de nos connaissances sur les eaux souterraines. L’objectif principal du projet de recherche est d’exploiter les données d’anomalies (TWS) de la mission Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) pour localiser, quantifier et analyser les variations des eaux souterraines à travers les bassins versants du Bas-Mackenzie, du Saint-Laurent, du Nord-Québec et du Labrador. Il s’agit aussi d’analyser l’influence des cycles d’accumulation et de fonte de neige sur les variations du niveau des eaux souterraines. Pour estimer les variations des eaux souterraines, la connaissance des autres paramètres du bilan hydrologique est nécessaire. Ces paramètres sont estimés à l’aide des sorties du modèles de surface CLM du Système Global d’Assimilation des Données de la Terre (GLDAS). Les données GRACE qui ont été utilisées sont celles acquises durant la période allant de mars 2002 à août 2012. Les résultats ont été évalués à partir d’enregistrements de niveaux piézométriques provenant de 1841 puits localisés dans les aquifères libres du bassin des réseaux de suivi des eaux souterraines au Canada. Les valeurs de rendements spécifiques des différents types d’aquifères de chaque puits et celles des variations mensuelles du niveau d’eau dans ces puits ont été utilisées pour estimer les variations des anomalies des eaux souterraines in-situ. L’étude de corrélation entre les variations des anomalies des eaux souterraines estimées à partir de la combinaison GRACE-GLDAS et celles issues de données in-situ révèle des concordances significatives avec des valeurs de

Évaluation de la performance des règles de gestion d'un réservoir de production hydroélectrique mises à jour à l'aide de la programmation dynamique stochastique et d'un modèle hydrologique

L’entreprise Rio Tinto effectue la gestion du système hydrique de la rivière Nechako, situé en Colombie-Britannique (Canada), à partir de règles de gestion optimisées à l’aide d’un algorithme de programmation dynamique stochastique (PDS) et de scénarios d’apports historiques. Les récents développements en recherche opérationnelle tendent à démontrer que la mise à jour des règles de gestion en mode prévisionnel permet d’améliorer la performance des règles de gestion lorsque des prévisions d’ensemble sont utilisées pour mieux cerner les incertitudes associées aux apports à venir. La modélisation hydrologique permet de suivre l’évolution d’un ensemble de processus hydrologiques qui varient dans le temps et dans l’espace (réserve de neige, humidité du sol, etc.). L’utilisation de modèles hydrologiques, en plus d’offrir la possibilité de construire des prévisions d’ensemble qui tiennent compte de l’ensemble des processus simulés, permet de suivre l’évolution de variables d’état qui peuvent être utilisées à même l’algorithme d’optimisation pour construire les probabilités de transition utiles à l’évaluation de la valeur des décisions futures. À partir d’un banc d’essais numériques dans lequel le comportement du bassin versant de la rivière Nechako est simulé à l’aide du modèle hydrologique CEQUEAU, les résultats du présent projet démontrent que la mise à jour des règles avec l’algorithme de PDS en mode prévisionnel permet une amélioration de la gestion du réservoir Nechako lorsque comparée aux règles optimisées avec l’algorithme en mode historique. Le mode prévisionnel utilisant une variable hydrologique combinant un modèle autorégressif d’ordre 5 (AR5) et la valeur maximale de l’équivalent en eau de la neige (ÉENM) a permis de réduire les déversements non-productifs et les inondations tout en maintenant des productions similaires à celles obtenues à l’aide de règles optimisées en mode historique utilisant l’ÉENM comme variable hydrologique. De plus, les résultats du projet démontrent que l’utilisation de prévisions hydrologiques d’ensemble en mode historique pour construire une variable hydrologique permettant d’émettre une prévision du volume d’apport médian pour les huit mois à venir (PVAM) ne permettait pas d’obtenir des résultats de gestion supérieurs à ceux obtenus avec la variable d’ÉENM.

Amélioration de la représentation des processus stochastiques pour l'optimisation appliquée à la gestion des systèmes hydriques

Dans un contexte de pression toujours plus grande sur les ressources naturelles, une gestion rationnelle des ressources hydriques s'impose. La principale difficulté de leur gestion provient du caractère aléatoire des apports en eau dans le système. Le sujet de cette recherche consiste à développer des méthodes d'optimisation stochastique capable de bien représenter les processus aléatoires. Le cas de Kemano, située en Colombie-Britannique (Canada), illustre les travaux de recherche. L'importante accumulation de neige sur les bassins versants engendre une hydrologie complexe, rendant la gestion du système délicate. La programmation dynamique stochastique est la méthode la plus utilisée pour déterminer la politique de gestion des réservoirs. Mais, son étude fait ressortir que cette méthode ne peut gérer que des modèles simplifiés des processus stochastiques, ne rendant pas compte des complexes corrélations spatio-temporelles des apports hydriques. Ainsi, la politique obtenue peut être de mauvaise qualité. Cette méthode est comparée avec la recherche directe de politique qui n'utilise pas de modèles pour représenter les processus stochastiques, mais évalue la politique sur des scénarios d'apports. Ainsi la recherche directe de politique se révèle globalement plus performante en prenant bien en considération la complexité des apports, mais est limitée par la forme prédéterminée de la politique. De plus, l'optimisation des paramètres en utilisant un algorithme évolutionnaire s'avère lente. La conception d'un algorithme de descente par gradient, combinée à une architecture "acteur-critique" appropriée, permet de réduire notablement le temps d'optimisation. Combinée à une fonction plus complexe employée pour la paramétrisation de la politique de gestion, la méthode permet d'obtenir une politique de qualité significativement supérieure à celle obtenue avec la programmation dynamique stochastique. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie à une application opérationnelle de la méthode de recherche directe de politique. L'évaluation en simulation devrait être appréciée des opérateurs en permettant une bonne représentation du système et des apports.