Modélisation de répartition d’espèces aviaires et de feux en forêt boréale du Québec dans un contexte de changement climatique

Les changements climatiques prennent une importance grandissante dans l’étude des phénomènes spatiaux à grande échelle. Plusieurs experts affirment que les changements climatiques seront un des principaux moteurs de changement écologique dans les prochaines décennies et que leurs conséquences seront inévitables. Ces changements se manifesteront sur le milieu physique par la fonte des calottes glaciaires, le dégel du pergélisol, l’instabilité des versants montagneux en zone de pergélisol, l’augmentation de l’intensité, de la sévérité et de la fréquence des événements climatiques extrêmes tels les feux de forêt. Les changements climatiques se manifesteront aussi sur le milieu biologique, tel la modification de la durée de la saison végétative, l’augmentation des espèces exotiques invasives et les changements dans la distribution en espèces vivantes. Deux aspects sont couverts par cette étude : 1) les changements dans la répartition spatiale de 39 espèces d’oiseaux et 2) les modifications dans les patrons spatiaux des feux, en forêt boréale québécoise, tous deux dans l’horizon climatique de 2100. Une approche de modélisation statistique démontre que la répartition spatiale des oiseaux de la forêt boréale est fortement liée à des variables bioclimatiques (R2adj = 0.53). Ces résultats permettent d’effectuer des modélisations bioclimatiques pour le gros-bec errant et la mésange à tête noire quivoient une augmentation de la limite nordique de distribution de l’espèce suivant l’intensité du réchauffement climatique. Finalement, une modélisation spatialement explicite par automate cellulaire permet de démontrer comment les changements climatiques induiront une augmentation dans la fréquence de feux de forêt et dans la superficie brûlée en forêt boréale du Québec.

Changements climatiques et écologiques dans le nord de l’Alaska au cours de la glaciation du Wisconsinien : le Yedoma de la rivière Itkillik

Le climat continental et froid de la Béringie lors de la glaciation du Wisconsinien a conduit à la formation d’une forme relique de pergélisol syngénétique nommé yedoma. Ces dépôts ont permis la préservation d’indicateurs environnementaux très diversifiés qui peuvent être employés pour reconstituer la dynamique climatique et écologique de la Béringie avant le dernier maximum glaciaire. À ce jour, peu d’études ont été réalisées au nord de la chaîne de montagnes Brooks (Alaska) et l’hétérogénéité écologique régionale de la Béringie Est lors de la glaciation du Wisonsinien reste mal définie. Ce mémoire porte sur une reconstitution paléoenvironnementale de plus de 39 ka du nord de l’Alaska réalisée à partir de sédiments provenant du Yedoma de la rivière Itkillik. Les objectifs sont (1) de reconstituer l’histoire de la végétation avec l’analyse pollinique; (2) de reconstituer les températures de juillet, le contraste de température saisonnier et l’ensoleillement de juillet avec la technique des analogues modernes et (3) de mettre les données biogéochimiques et glaciologiques du site en lien avec le climat reconstitué. L’étude montre que vers 35 ka BP (Interstade du Wisconsinien Moyen), des conditions climatiques semblables à l’actuel ont favorisé l’accumulation de tourbe riche en carbone organique. À partir de 29,7 ka BP, les températures de juillet reconstituées diminuent, alors que la continentalité du climat semble augmenter. Le contenu en glace des sédiments est plus alors plus faible et la pluie pollinique devient dominée par Poaceae, Artemisia et autres herbacés non graminoïdes. Ces indicateurs suggèrent des conditions environnementales plus xériques qu’aujourd’hui. Les anomalies isotopiques de 18O, 2H et l’excès de deutérium confirment un épisode d’avancée glaciaire (Wisconsinien Tardif). Après 17,9 ka BP (Tardiglaciaire), les températures de juillet et le contraste saisonnier augmentent. Les valeurs de contenu en carbone organique des sédiments sont plus élevées et la plus grande disponibilité en eau favorise l’établissement d’un couvert herbacé moderne dominé par les Cyperaceae.

Dynamique holocène d'une tourbière à palses de la région du lac à l'Eau-Claire (Nunavik)

Cette recherche porte sur l’étude paléoécologique d’une tourbière à palses, située à l’intérieur des terres, au-delà de la limite marine de la mer de Tyrrell, sur la rive nord du lac à l’Eau-Claire (Wiyâshâkimî en langue crie). L’objectif principal est de retracer l’impact des changements climatiques sur l’évolution temporelle de cet écosystème. L’analyse de macrorestes végétaux extraits de la tourbe accumulée depuis la déglaciation nous a permis de reconstituer l’évolution des conditions trophiques de la tourbière depuis sa formation. L’accumulation de la matière organique a débuté vers 6290 ans BP (années étalonnées). Par la suite l’évolution de la tourbière a suivi trois étapes successives: une étape d’étang (de 6290 à 5790 ans étal. BP), une étape de tourbière minérotrophe (de 5790 à 4350 ans étal. BP) et une étape de tourbière ombrotrophe (à partir de 4350 ans étal. BP). L’installation du pergélisol menant à la formation de la palse est survenue vers 160 ans étal. BP. La dégradation des palses et la formation subséquente d’une mare de thermokarst auraient été engendrées par le réchauffement climatique qui a commencé au début du siècle. Ainsi, l’étude de l’évolution de la mare de thermokarst située en marge de la tourbière à palse indique la succession de trois phases distinctes, subaquatique, minérotrophe et ombrotrophe. La comparaison de nos résultats avec ceux portant sur les tourbières à palses situées près de la baie d’Hudson et de la baie de James suggère que la continentalité n’a pas influencé d’une façon significative l’évolution de la tourbière du Lac à l’Eau-Claire.

Changements climatiques et écologiques dans le nord de l’Alaska au cours de la glaciation du Wisconsinien : le Yedoma de la rivière Itkillik

Le climat continental et froid de la Béringie lors de la glaciation du Wisconsinien a conduit à la formation d’une forme relique de pergélisol syngénétique nommé yedoma. Ces dépôts ont permis la préservation d’indicateurs environnementaux très diversifiés qui peuvent être employés pour reconstituer la dynamique climatique et écologique de la Béringie avant le dernier maximum glaciaire. À ce jour, peu d’études ont été réalisées au nord de la chaîne de montagnes Brooks (Alaska) et l’hétérogénéité écologique régionale de la Béringie Est lors de la glaciation du Wisonsinien reste mal définie. Ce mémoire porte sur une reconstitution paléoenvironnementale de plus de 39 ka du nord de l’Alaska réalisée à partir de sédiments provenant du Yedoma de la rivière Itkillik. Les objectifs sont (1) de reconstituer l’histoire de la végétation avec l’analyse pollinique; (2) de reconstituer les températures de juillet, le contraste de température saisonnier et l’ensoleillement de juillet avec la technique des analogues modernes et (3) de mettre les données biogéochimiques et glaciologiques du site en lien avec le climat reconstitué. L’étude montre que vers 35 ka BP (Interstade du Wisconsinien Moyen), des conditions climatiques semblables à l’actuel ont favorisé l’accumulation de tourbe riche en carbone organique. À partir de 29,7 ka BP, les températures de juillet reconstituées diminuent, alors que la continentalité du climat semble augmenter. Le contenu en glace des sédiments est plus alors plus faible et la pluie pollinique devient dominée par Poaceae, Artemisia et autres herbacés non graminoïdes. Ces indicateurs suggèrent des conditions environnementales plus xériques qu’aujourd’hui. Les anomalies isotopiques de 18O, 2H et l’excès de deutérium confirment un épisode d’avancée glaciaire (Wisconsinien Tardif). Après 17,9 ka BP (Tardiglaciaire), les températures de juillet et le contraste saisonnier augmentent. Les valeurs de contenu en carbone organique des sédiments sont plus élevées et la plus grande disponibilité en eau favorise l’établissement d’un couvert herbacé moderne dominé par les Cyperaceae.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Experimentation of mitigation techniques to reduce the effects of permafrost degradation on transportation infrastructures at Beaver Creek experimental road site, Alaska Highway, Yukon

Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l’installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité.