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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL

LES CARACTÉRISTIQUES DE LA NEIGE ET LA

RÉTROACTION DE

L'ALBÉDO DE LA NEIGE EN AMÉRIQUE

DU NORD SIMULÉES PAR LE

MODÈLE RÉGIONAL CANADIEN DU CUMA T (MRCC5)

MÉMOIRE PRÉSENTÉ

COMME

EXIGENCE PARTIELLE

DE LA MAÎTRISE EN SCIENCES DE L'ATMOSPHÈRE

PAR BRUNO FANG

MAI 2016

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL

Service des bibliothèques

Avertissement

La diffusion de ce mémoire se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 - Rév.0?-2011 ). Cette autorisation stipule que "conformément à l'article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l'auteur] concède à l'Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d'utilisation et de publication de la totalité ou d'une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l'auteur] autorise

l'Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des

copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l'Internet. Cette licence et cette autorisation n'entraînent pas une renonciation de [la] part [de l'auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l'auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire.»

REMERCIEMENTS

Je désire remercier ma directrice de recherche, Dr. Laxmi Sushama, pour avoir dirigé mon projet et mon directeur de programme, Dr. René Laprise, pour avoir amélioré mes aptitudes en communication.

Je tiens également

à remercier les membres du centre ESCER pour leur contribution à mon développement académique et professionnel. Un remerciement distingué est dédié à Dr. Gulilat Tefera Diro, Katja Winger et Arlette Chacon qui m'ont aidé en programmation informatique. Enfin, j'aimerais souligner la présence de mes collègues de bureau pour leur support moral et Gregory Yang pour sa grande amitié dans cette aventure.

TABLE DES MATIÈRES

REMERCIEMENTS .

.................................................................................................. III

LISTE DES FIGURES ..........................

.................................................................... VII

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................... IX

LISTE DES ACRONYMES ............................... ........................................................ XI

LISTE DES

SYMBOLES ........................................................................................ XIII

RÉSUMÉ

................................................................................................................... xv

CHAPITRE 1

INTRODUCTION ......................................................................................................... 1

1.1 Motivation ............................................................................................................... 1

1.2

Objectifs .................................................................................................................. 3

1.3 Méthodologie .......................................................................................................... 3

CHAPITRE

II SNOW CHARACTERISTICS AND SNOW ALBEDO FEEDBACK OVER NORTH AMERICA AS SIMULA TED BY THE CANADIAN REGIONAL CUMA TE

MODEL ......................................................................................................................... 9

Abstract ...................................................................................... ................................. 10

2.1 Introduction ........................................................................................................ 12

2.2 Mode) description ............................................................................................... 14

2.3 Methods and data ............................................................................................... 17

2.4 Results ................................................................................................................ 20

2.4.1 Validation ...............................

.................................................................. 20 2.4.2

Projected changes ..................................................................................... 23

2.4.3 CA T in the climate change context.. ........................................................ 25

2.4.4 aapj aas and SAF strength .................................................................... 26

2.5 Conclusions ........................................................................

................................ 27

CHAPITRE III

VI DISCUSSION DES RÉSULTATS ET CONCLUSIONS ......................................... .4 7

RÉFÉRENCES ...........................

................................................................................. 53

LISTE DES FIGURES

Figures

Figure

2.1: (a) Mean 2-m air temperature from

CRU (first column), difference

between CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim and

CRU (second

column), difference between CRCM5 driven by

CanESM2 and

CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim (third column), and difference between CRCM5 driven by

MPI-ESM and CRCM5 driven

by ERA-40/ERA-lnterim (fourth column), for the

1976-2009 period.

Pages (b) Same as in (a) but for precipitation rate for the 1998-2008 period .......... 32 Figure 2.2: (a) Mean snow depth from CMC (first column), difference between CRCM5 driven by ERA-40/ERA-lnterim and CMC (second column), difference between CRCM5 driven by

CanESM2 and CRCM5 driven

by ERA-40/ERA-lnterim (third column), and difference between

CRCM5 driven by

MPI-ESM and CRCM5 driven by ERA-40/ERA

Interim (fourth column), for the 1979-1997 period. (b)

Same as in (a)

but for

SWE ................................................................................................... 33

Figure

2.3: Model simulated and observed an nuai cycle of (a) snow depth, (b)

SWE, and ( c,d) surface albedo for a part of the mid latitude regions (ll5°W-55°W, 40°N-65°N). (a) and (b) correspond to the 1979-1997 period, (c) and (d) correspond to the

1984-2000 and 2001-2010

periods, respectively. CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim is in a black line, CRCM5 driven by

CanESM2 is in a green line, CRCM5

driven by MPI-ESM is in a blue line, and observation is in a red line .......... 34

Figure

2.4: (a) Mean snow cover from

MODIS (first column), difference

between CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim and MODIS (second colurnn), difference between CRCM5 driven by CanESM2 and CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim (third column), and difference between CRCM5 driven by

MPI-ESM and CRCM5 driven

by ERA-40/ERA-Interim (fourth column), for the

2001-2010 period.

(b) Same as in (a) but for snow albedo .......................................................... 35 Figure 2.5: Mean surface albedo from (a) ISCCP (first column), difference between CRCM5 driven by ERA-40/ERA-lnterim and

ISCCP (second

column), difference between CRCM5 driven by

CanESM2 and

Vlll CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim (third column), and difference between CRCM5 driven by

MPI-ESM and CRCM5 driven

by ERA-40/ERA-Interim (fourth column), for the 1984-2000 periodo (b) Same as in (a) but for MODIS for the 2001-2010 periodo 0000000000000000000000036 Figure 206: Change in surface albedo associated with surface air temperature change (first column;% K- 1), snow cover feedback (second column;% K\ and air temperature dependence of snow albedo (third column;% K 1) in the seasonal cycle context between May and April of the 2001- 2010
period, from CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim (first row) and MODIS (second row)o 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 37

Figure

207: Projected changes to snow cover (first column; %), snow albedo

(second column; %), and surface albedo (third column; %), for the

2071-2100 MAM period with respect to the 1976-2005 MAM periodo

CRCM5 driven by CanESM2 RCP 405 (first row), CRCM5 driven by

CanESM2

RCP 805 (second row), CRCM5 driven by MPI-ESM RCP

405 (third row), and CRCM5 driven by MPI RCP 805 (fourth row)o

Grid points with

no snow are masked in grey in the middle columno 00000000000 38 Figure 208: Change in surface albedo associated with air temperature change (first column;% K- 1), snow cover feedback (second column;% K- 1 and air temperature dependence of snow albedo (third column;% K- 1) in the climate change context between the 2071-2100 MAM period and the 1976-2005 MAM periodo OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOoOoOOOoooooooooooooooooooo 39

Figure

209: Air temperature dependence of snow albedo (first column;% K-

1), snow albedo changes (second column; %), and snowfall occurrence changes (third column; days) in the seasonal cycle context (first row) and in the climate change context (second row), based on CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim and CRCM5 driven by CanESM2

RCP 4050 ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo0o40

Figure 2010: Variation in planetary albedo with surface albedo (top) and SAF strength (bottom; W m- 2 K 1) in the seasonal cycle context (first column) and in the climate change context (second, third, fourth and fifth column), based on CRCM5 driven by ERA-40/ERA-Interim,

CRCM5 driven by CanESM2 for

RCP 405 and 805, and CRCM5 driven

by MPI-ESM for RCP 405 and 8050 OooOoooooOooOOOOOOOoOOOOoOOOoooooOoOoooOooooooooooooooooooooooo.41

LISTE DES TABLEAUX

Tableau

Tableau 2.1 :

The five CRCM5 simulations used in this study (first column), the corresponding simulation periods (second column), driving data (third Page column), and analysis periods (fourth column) ................................................. 44 BRDF

CanESM2

CAT CLASS CMC CMIP3 CMIP5 CRCM5 CRU

DISORT

DJF ECMWF ERA GCM GEM GIEC GISS

IPCC AR4

ISCCP

LISTE DES ACRONYMES

Bi-directional Reflectance Distribution Function

2"d version of the Canadian Earth System Model

Change

in Surface Albedo Associated with an Increase m

Surface Air Temperature

Canadian Land Surface Scheme

Canadian Meteorological Centre

Coupled Mode) Intercomparison

Project Phase 3

Coup led Mode) Intercomparison

Project Phase 5

fifth-generation of the Canadian Regional Climate Mode)

Climate Research

Unit

Discrete-Ordinate Radiative Transfer

December, January and February

European Centre for Medium-Range Weather Forecasts European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Re

Analysis

General Circulation Mode)

Global Environment Multiscale

Groupe d'experts Intergouvernemental sur

1 'Évolution du

Climat

Goddard Institute for Space Studies

Fourth Assessment

of the Intergovemmental Panel on Climate

Change

International

Satellite Cloud Climatology Project

XII MAM MCG MRCC5

MO DIS

MPI-ESM

NDSJ PIMC5 RCP SAF SCF SWE TDA TOA

March, April and May

Modèle de Circulation Générale

5e version du Modèle Régional Canadien du Climat

Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer

Max

Planck Institute Earth System

Mode!

Normalized Difference

Snow Index

Phase 5 du Projet d'Intercomparaison de Modèle Couplé

Representative Concentration

Pathway

Snow Albedo Feedback

Snow Cover Feedback

Snow Water Equivalent

Temperature Dependence

of Snow Albedo Top of the Atmosphere Q in TOA Q net TOA

LISTE DES SYMBOLES

Incoming shortwave radiation at the TOA

Net shortwave radiation at the TOA

Surface air temperature

Snow cover

Surface albedo

Planetary albedo

Snow albedo

Land albedo

RÉSUMÉ

La rétroaction de 1 'albédo de la neige augmente la sensibilité du climat des continents de l'hémisphère nord et diverge largement entre les modèles de climat.

Cette étude vise donc

à évaluer les caractéristiques de la neige et la rétroaction de

1 'albédo de la neige en Amérique du Nord dans la cinquième génération du Modèle

Régional Canadien du Climat (MRCC5).

La force de rétroaction de l'albédo de la

neige est définie par le gain en rayonnement solaire net au sommet de l'atmosphère lorsqu' il y a une diminution d'albédo associé à une augmentation de température à la surface. Cette force est contrôlée par un terme d'atmosphère définie par la variation de l'albédo planétaire avec la surface, et par un tenne de surface définie par le changement de l'albédo de la surface associé

à une augmentation de température à la

surface. Ce dernier est déterminé par la somme d'une rétroaction de la couverture neigeuse et d'une dépendance de 1 'albédo de la neige à la température. Dans cette étude, les caractéristiques de la neige et le terme de surface de la rétroaction de l'albédo de la neige dans le cycle saisonnier sont validés en comparant une simulation du MRCC5 pilotée par les réanalyses

ERA-40 et ERA-Interim avec les observations

disponibles. Les changements projetés des caractéristiques de la neige sont évalués pour la période de 2071-2100 par rapport à la période de 1976-2005 avec des simulations de changement climatique transitoire pilotées par CanESM2 et MPI ESM, pour les RCP 4.5 et 8.5. Étant donné l'importance d'évaluer les erreurs dans les simulations issues des erreurs de données de pilotage, les erreurs de conditions aux frontières sont également évaluées en comparant les simulations pilotées par les

MCGs avec celle pilotée

par ERA-40/ERA-Interim. De plus, le terme de surface de la rétroaction de 1 'albédo de la neige est évalué dans un contexte de changement climatique. La validation suggère que le modèle est en mesure de représenter la distribution spatiale de la profondeur et de 1 'équivalent en eau de la neige dans les latitudes moyennes, mais une surestimation est observée dans 1 'archipel arctique canadien. L'albédo de la neige du MRCC5 est surestimé dans les forêts et les montagnes des latitudes moyennes, comparé aux observations. Il faut noter qu'il peut aussi y avoir des incertitudes considérables dans les observations. Les résultats indiquent que le terme de surface de la rétroaction de l'albédo de la neige dans le MRCC5 est surestimé et presqu'entièrement contrôlé par la rétroaction de la couverture neigeuse alors que pour les observations tel que le Moderate-Resolution lmaging Spectroradiometer (MODIS), la rétroaction de la couverture neigeuse et la dépendance de l'albédo de la neige à la température ont des forces plus ou moins similaires. La surestimation du terme de surface de la rétroaction de 1 'albédo de la XVIquotesdbs_dbs48.pdfusesText_48

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