Choix des stations à analyser et source des données climatiques

Le climat du Québec est caractérisé par des hivers très froids et très neigeux. En Amérique du Nord, c’est la seconde région qui reçoit la plus grande quantité de neige (entre 200 et 300 cm en moyenne par an) après les Rocheuses (Dorsaz et Brown, 2008). Les précipitations neigeuses jouent un rôle primordial sur le cycle de l’eau, sur le fonctionnement des écosystèmes fluviaux et leur évolution morpho-biologique ainsi que sur l’activité socio-économique. Sur le plan hydrologique, la fonte de la neige hivernale génère des crues printanières et recharge les nappes phréatiques qui alimentent les rivières pendant les périodes d’étiage en été et en hiver même (p. ex. Assani et Tardif, 2005; Larocque et Pharand, 2010; Nastev et al., 2005). En ce qui concerne les débits de rivières, plus de la moitié de l’écoulement annuel survient au printemps au moment de la fonte de la neige au Québec (Assani et Tardif, 2005). Quant à l’alimentation des nappes aquifères, à titre d’exemple, une étude récente, effectuée dans le bassin versant de la rivière Noire dans le piémont appalachien où l’infiltration a été simulée par le modèle de bilan hydrique en zone non saturée Agri Flux, a révélé que 74 % de l’infiltration se produit au moment de la fonte printanière (Laroque et Pharand, 2010). Les précipitations qui tombent sous forme de pluies en hiver provoquent des crues hivernales à l’origine de dégâts matériels parfois importants (p. ex. Groleau et al., 2007). Du point de vue écologique, les débits hivernaux, qui proviennent principalement de l’eau de fonte de  neige infiltrée au printemps et des pluies hivernales, déterminent le volume d’habitat disponible pour de nombreux organismes aquatiques et, de ce fait, influencent leur cycle de vie (p. ex. Belzile et al., 1997; Cunjak et al., 1998; Frenette et al., 2008). Dans la rivière Catamaran, située au Nouveau-Brunswick (Canada) et caractérisée par un régime hydrologique de type nival comme celui observé au Québec, Cunjak et al. (1998) ont mis en évidence une relation entre les débits hivernaux et la survie des œufs de saumon.

Ainsi, l’abondance des juvéniles en été était grande après les hivers caractérisés par des débits élevés. Sur le plan socio-économique, les températures froides et la neige ont permis le développement des industries récréotouristiques nombreuses et diversifiées qui génèrent annuellement des milliards de dollars en retombées économiques au Québec.

Choix des stations à analyser et source des données climatiques 

La mesure des précipitations et de la température en hiver a toujours constitué un défi important en climatologie en raison de la difficulté de mettre en opération les appareils de mesure et le manque d’accessibilité aux sites de mesure. Ainsi, la qualité de mesure de données est relativement faible comparée à celle effectuée pendant la période chaude. Ces difficultés affectent beaucoup plus les mesures de précipitations que celles de la température. Il en résulte souvent des lacunes de données dans de nombreuses séries de mesure. Outre ces difficultés d’ordre technique, la rationalisation des réseaux de mesures de données hydroclimatiques décrétée par le gouvernement fédéral du Canada durant la décennie 1980 (voir Ouarda et al. , 1999) a provoqué l’interruption des mesures de données dans de nombreuses stations. En tenant compte de ces différentes difficultés, on a retenu 17 stations de mesures des températures et des précipitations réparties de manière assez régulière dans le territoire de la Province du Québec. Ces 17 stations ont été groupées dans trois régions hydroclimatiques définies par Assani et al. (2012). Notons toutefois qu’après l’an 2000, comme on l’a déjà mentionné, la rationalisation des stations de mesure a provoqué une interruption de mesure dans de nombreuses stations parmi les 17 stations retenues. En raison de cette interruption, pendant la période 1950-2010, on a analysé seulement 7 stations qui avaient des données de mesure quasi complètes.

En ce qui concerne les indices climatiques, on a retenu six indices dont l’influence sur la variabilité spatio-temporelle des variables hydroclimatiques (températures, précipitations et débits) a été déjà démontrée en Amérique du Nord, en général, au Québec, en particulier (p. ex. Anctil and Coulibaly, 2004; Assani et al., 2010a, 2010b; 2011; Coulibaly and Burn, 2005; Curtis, 2008; Déry and Wood, 2004, 2005; Enfield et al., 2001; McCabe et al., 2004). Pour chaque indice et à chaque année, on calculera des moyennes saisonnières hivernales (de décembre à mars) et automnales (d’août à novembre).

Analyse statistique 

Constitution des séries statistiques climatiques

Pour chaque station, on a constitué deux séries statistiques de température et deux séries statistiques de précipitation;
– la série des températures moyennes maximales journalières (Tmax) constituée des moyennes maximums journalières mesurées de décembre à mars chaque année; la série des températures moyennes minimales journalières (Tmin) constituée des moyennes minimales journalières mesurées de décembre à mars chaque année;
– la série des totaux de pluies constituée par la somme des quantités journalières de pluies mesurées de décembre à mars chaque année;
– la série des totaux journaliers de neige constituée par la somme des hauteurs de neige mesurées de décembre à mars chaque année.

Analyse de la variabilité interannuelle des températures et des précipitations

L’analyse de la variabilité interannuelle a été effectuée en deux étapes. Pour vérifier si la moyenne de la série hydrologique a significativement changé dans le temps, on a appliqué la méthode de Lombard. Le choix de cette méthode s’explique par le fait qu’elle permet de déterminer la nature abrupte ou progressive du changement de la moyenne ou de la variance. Ainsi, cette méthode détermine de manière rigoureuse les dates de changement des moyennes et des variances des séries climatiques analysées. Cette méthode a été décrite notamment par Lombard (1987) et ses applications en hydrologie et en géomorphologie peuvent être lues dans Assani et al. (2011) ainsi que Quessy et al. (2011). À la seconde étape, on a analysé la dépendance entre les séries de température et celle des précipitations à chaque station au moyen de la méthode de copules.

Analyse de la relation entre les indices climatiques et les variables climatiques

Afin de déterminer l’indice climatique qui influence la variabilité spatiotemporelle de la température et des précipitations (pluie et neige), on a effectué une analyse de corrélation canonique, qui englobe à la fois l’analyse de régression multiple et celle en composantes principales et permet de définir les liens entre les deux groupes de variables climatiques.

À la dernière étape, on a appliqué la méthode de copules pour analyser le changement du lien de dépendance qui peut survenir dans le temps entre les indices climatiques et les variables climatiques.

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Table des matières

CHAPITRE 1
INTRODUCTION 
1.1 Mise en contexte
1.2 Problématique, objectifs et hypothèses du travail
1.3 Méthodologie de recherche
1.3.1 Choix des stations à analyser et source des données climatiques
1.3.2 Analyse statistique
1. 3.2.1 Constitution des séries statistiques climatiques
1.3.2.2 Analyse de la variabilité interannuelle des températures et
des précipitations
1.3.2.3 Analyse de la relation entre les indices climatiques et les
variables climatiques
1.4 Résultats de recherche
1.4.1 Détection des ruptures des moyennes de la température et des
précipitations en hiver au Québec méridional
1.4.2 Détection de changement de degré de dépendance entre la
température et les précipitations
1.4.3 Relation entre les indices climatiques et les variables climatiques
CHAPITRE II
COMP ARISON OF THE TEMPORAL V ARIABILITY OF WINTER
DAILY EXTREME TEMPERATURES AND PRECIPITATIONS IN »
SOUTHERN QUEBEC (CANADA) USIN »G THE LOMBARD AND
COPULA METHODS
Abstract
Introduction
Methods
Choice and selection of stations
Temperature and precipitations series
Statistical analysis
Lombard method
Copula method
Results
The shifts in mean values of winter temperature and precipitation in southem
Quebec
Changes in dependence between temperature and precipitation
Discussion and conclusion
CHAPITRE III
ANALYSIS OF THE JOINT LINK BETWEEN EXTREME
TEMPERATURES, PRECIPITATION AND CLIMATE INDICES IN
WINTER IN THE THREE HYDROCLIMATE REGIONS OF SOUTHERN
QUEBEC 
Abstract
Introduction
Methods
Choice and location of stations
Statistical analysis
Variable (temperature and precipitation) and climate index series
Canonical analysis
Copula analysis
Results
Analysis ofthe relationship between climate variables and climate indices
Analysis of the evolution of the dependence between climate indices and
climate variables
Discussion and conclusion
References
CHAPITRE IV 
CONCLUSION GENERALE

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