Optimisation de l'approche de la réduction d'échelle multiple pour réaliser une projection climatique de la précipitation mixte à haute résolution

La précipitation verglaçante peut avoir des impacts néfastes sur la société, tels que causer des pannes de courant majeures, ainsi que produire de sérieux problèmes dans les réseaux de transport. Malgré les conséquences catastrophiques associées à ce type de précipitation, elle est encore peu étudiée dans un contexte de changement climatique. Pour représenter ce type de précipitation dans les modèles du climat, il est important de correctement simuler les écoulements atmosphériques près de la surface. Les simulations climatiques à haute résolution sont, donc, nécessaires pour représenter adéquatement la topographie, mais ces dernières exigent des ressources informatiques considérables, surtout lorsqu'on utilise des modèles de circulation générale. Or, les modèles régionaux du climat (MRC) sont des modèles à aire limitée qui permettent la simulation du climat à fine échelle à un moindre coût de calcul. Ces derniers utilisent les solutions des modèles de circulation générale à leurs frontières pour développer leurs propres solutions. Cependant, lorsqu'ils sont utilisés à très haute résolution, le nombre de calculs requis peut être hors de la portée des ressources informatiques disponibles. L'utilisation en cascade d'un modèle régional du climat pourrait être une alternative pratique pour garder le coût de calcul raisonnable. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et optimiser l'utilisation de la réduction d'échelle dynamique multiple comme une approche appropriée pour réaliser une étude du climat de la précipitation verglaçante à faible coût de calcul. Cette thèse est divisée en trois sections. La première partie étudie l'approche de la cascade pour réaliser des simulations climatiques à haute résolution. Dans cette étude, des résultats de simulations obtenues avec une approche de réduction d'échelle simple et double sont comparés selon le protocole expérimental "idéalisé" du grand frère. Une première simulation, nommée la simulation du grand frère, est réalisée sur un grand domaine à la résolution désirée. Cette simulation sert de référence. La solution du grand frère est ensuite traitée par un filtre passe-bas permettant de garder seulement les grandes échelles qui serviront de conditions aux frontières (CF) à des simulations tests appelées les simulations du petit frère. Pour la réduction d'échelle simple, les simulations tests sont directement pilotées par la solution de la simulation de référence filtrée, alors que pour la réduction d'échelle double un substitut d'une simulation de résolution intermédiaire est utilisé. L'étude de la composante stationnaire montre très peu de différences entre les deux approches, alors que la composante de la variabilité transitoire montre de grandes différences. L'approche de la réduction d'échelle double dégrade légèrement les grandes échelles, mais permet une importante réduction de la grandeur de domaine requise pour développer adéquatement les caractéristiques de fines échelles. Ceci a un impact considérable sur le coût de calcul. La seconde partie porte sur la distance nécessaire à partir de la frontière latérale pour que circulation entrante développe ses caractéristiques de fine échelle permises par la résolution plus fine du MRC. Pour étudier cette question, les solutions de simulations réalisées par un MRC piloté par des CF de différentes résolutions sont étudiées selon le protocole du grand frère. Plusieurs expériences ont été réalisées pour évaluer la largeur de la région du "spin-up" requise pour un développement adéquat des fines échelles en fonction de la résolution du MRC, des conditions aux frontières ainsi que du saut de résolution. Cette distance se trouve à être seulement fonction de la résolution des conditions aux frontières, indépendamment de la résolution du MRC. Lorsque la résolution du MRC varie pour un même saut de résolution, la distance "spin-up" peut être convertie, selon la résolution du MRC, en nombre de points de grille. Ces résultats peuvent être utilisés pour choisir le domaine et la configuration du MRC pour un développement optimal des fines échelles permises par la résolution. La troisième partie de cette thèse est une application des deux précédentes études pour étudier l'impact des changements climatiques sur la précipitation verglaçante au sud du Québec avec un MRC utilisé en cascade pour atteindre un maillage de 0.11° selon le scénario d'émission RCP 8.5. La précipitation verglaçante est diagnostiquée selon cinq méthodes empiriques (Cantin & Bachand, Bourgouin, Ramer, Czys et, Baldwin). Les précipitations diagnostiquées sont étudiées pour le passé récent (1980-2009) et comparées avec le scénario climatique futur (2070-2099). En premier lieu, la climatologie passée se compare aux observations. Les projections futures suggère une diminution des occurrences de précipitation verglaçantes pour le sud du Québec d'octobre à avril, principalement due à une diminution des évènements de longues durées (>6h). Les résultats montrent une plus grande diminution de décembre à février. En général, cette étude contribue à une meilleure compréhension de la distribution de la précipitation verglaçante sous un climat plus chaud et permet de mettre en lumière l'importance des conditions atmosphériques pour ce type de précipitation.
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\nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Simulation climatique à haute résolution, L'expérience du grand frère, Réduction d'échelle dynamique multiple, Développement des petites échelles, Modélisation régionale du climat, Saut de résolution, Changement climatique, Diagnostique du type de précipitation, Pluie verglaçante, Grésil

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