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Cadre pour le programme scientifique de l’étude MAGS-2
Octobre 1999
Système hydrologique-climatique du bassin du Mackenzie : Phase 2 de l’étude MAGS
Rapport d’activité sommaire
L’expérience mondiale sur les cycles de l’énergie et de l’eau (GEWEX) est un projet
international développé par le programme de recherche climatique mondiale en tant que groupe
d’activités coordonné dont le but est d’améliorer notre compréhension et nos prévisions quant au
rôle joué par le cycle hydrologique dans le système climatique. En tant que contribution
principale au GEWEX, l’étude canadienne GEWEX du Mackenzie (MAGS) se concentre sur la
compréhension et la modélisation des flux énergétique et hydrologique dans et à travers les
systèmes atmosphérique et hydrologique du bassin du fleuve Mackenzie qui constitue le plus
grand débit d’eau douce d’Amérique du Nord pour l’Océan Glacial Arctique. Le bassin en lui-
même est sujet à d’importantes fluctuations climatiques et subit actuellement un réchauffement.
L’étude MAGS implique nécessairement des recherches coordonnées dans de nombreux sujets
relatifs à l’atmosphère, à la surface terrestre et à l’hydrologie associés aux systèmes climatiques
froids.
Des progrès substantiels ont déjà été réalisés dans la phase 1 de l’étude MAGS portant sur la
quantification et la compréhension de processus atmosphérique et hydrologique essentiels qui
affectent les cycles hydrologique et énergétique du bassin. La phase 2 est notre ultime étape pour
acquérir et démontrer l’expertise prédictive pour évaluer scientifiquement les effets de la
variabilité climatique et du changement de climat sur les cycles hydrologique et énergétique et
pour appliquer nos connaissances aux problèmes scientifiques, politiques et économiques du
Canada du nord de manière spécifique et à l'ensemble du Canada d'une façon générale. L’étude
MAGS comprendra l’intégration de divers processus physiques dans un cadre climat-hydrologie
unifié pour caractériser et améliorer la compréhension du système climatique froid, du bassin du
Mackenzie en particulier mais aussi des zones aux environnements similaires. La modélisation
sera effectuée à différentes échelles, depuis de petits événements individuels et des bassins
versants via des systèmes atmosphériques et hydrographiques entiers à l’échelle régionale jusqu'à
une modélisation couplée du bassin du Mackenzie en tant qu’unité atmosphérique-hydrologique
unifiée. Armés de la série de modèles testés de façon appropriée à l’aide de données acquises sur
le terrain, à partir d'enregistrements historiques et des plates-formes de détection à distance, nous
utiliserons ces modèles pour analyser la sensibilité du système et de ses composants aux forçages
climatiques et étudier leurs effets sur les cycles hydrologique et énergétique, y compris la
variabilité spatiale et temporelle et les extrêmes en matière d'événements climatiques et

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hydrologiques. En collaboration avec les utilisateurs, les modèles seront appliqués à des
objectifs tels que l’amélioration de la prévision météorologique, en particulier dans les latitudes
élevées, le fonctionnement des centrales hydroélectriques et la fourniture d’informations
scientifiques pour améliorer la prise de décisions politiques.
La fin de la phase 2 (2001-2005) de l’étude MAGS ne devrait pas bénéficier seulement à la
communauté scientifique, mais elle apportera une aide importante au secteur gouvernemental
pour prendre des décisions en connaissance de cause, elle apportera au secteur privé des gains
économiques directs et indirects et donnera au public une information et des connaissances pour
mieux utiliser ses ressources et pour améliorer son bien-être environnemental. Nous léguerons
des éléments importants. Les enregistrements de l’avancée scientifique comprendront les
publications et les modèles.
1. Présentation du programme GEWEX canadien
En 1988, le programme de recherche climatique mondiale a créé l’expérience mondiale des
cycles de l’énergie et de l’eau (GEWEX) pour améliorer notre compréhension et nos prévisions
quant au rôle joué par le cycle hydrologique dans le système climatique. Plusieurs activités de
recherche régionale couvrent une grande plage de conditions climatiques, parmi lesquelles le
projet international GEWEX à l’échelle continentale (GCIP), l’expérience de la mer Baltique
(BALTEX), l’expérience GEWEX de la mousson asiatique (GAME), l’expérience de
l’atmosphère-biosphère à grande échelle en Amazonie (LBA) et notre étude GEWEX du
Mackenzie (MAGS). Tous doivent quantifier le flux de vapeur d’eau dans et hors de leur région
particulière, caractériser les champs des précipitations et de l’évapotranspiration et gérer les
ruissellements et les débits. Tous doivent également travailler avec les agences locales de
ressource en eau pour une transmission immédiate des bénéfices de leurs activités en menant à
bien de nombreuses études de diagnostic et d’amélioration de modèle et en faisant participer les
communautés d’utilisateurs.
Le Canada, de par sa position élevée en latitude, a un intérêt naturel et de fortes inquiétudes à
l'égard des processus climatiques froids. C’est dans ce domaine que l’on attend du Canada une
importante contribution à la compréhension des cycles mondiaux de l’eau et de l’énergie.
L’environnement des latitudes élevées a des effets particuliers sur le climat et l’hydrologie.
L'une des principales caractéristiques est le contraste extrême du rayonnement saisonnier du fait
de la longueur des jours en été et des longues heures d’obscurité en hiver. La faible incidence
solaire et le fort facteur de réflexion des surfaces enneigées entraînent une faible réception de
rayonnement, responsable pour une large part du froid intense et persistent. Les processus
atmosphériques et la dynamique des masses d’air sont fortement influencés par les conditions
énergétiques (Stewart et al. 1998a). L’eau est sujette à un engel-dégel annuel, que ce soit
l’humidité dans l’atmosphère, sur la terre et dans les lacs ou sous la terre. La neige, la glace, le
gel saisonnier et le pergélisol sont des éléments inséparables du paysage. Tous ces phénomènes
affectent le régime de flux et d’emmagasinement de l’eau.

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En 1994, le Canada a commencé sa participation en menant à bien l’étude GEWEX du
Mackenzie (MAGS), en approfondissant le système climatique froid et en utilisant le bassin du
Mackenzie comme point central initial de recherche. La région du Mackenzie est
particulièrement bien adaptée à un site d’étude. Sur le plan physiographique, elle est composée
de trois zones principales : la région montagneuse de la cordillère à l’ouest, les plaines intérieures
avec une myriade de lacs et de marécages et le roulis jusqu’au robuste bouclier canadien à l’est
où la roche-mère précambrienne glacée alliée à un régolithe mince favorise une mosaïque de lacs,
de marécages et de plateaux. En latitude, le bassin s’étend des prairies de l’Alberta, en passant
par les forêts boréales et sous-arctiques soumises de façon discontinue au pergélisol, à la zone de
toundra au pergélisol continue le long de la côte de la mer de Beaufort. Les environnements
rencontrés dans le bassin du Mackenzie existent dans de nombreux autres sites du Canada et sont
donc représentatifs de zones dépassant les confins du bassin d’étude.
L’objectif principal du programme de recherche canadien est de décrire, comprendre, modéliser
et prévoir le système climat-hydrologie et d’appliquer notre méthodologie et nos résultats à
l'environnement des latitudes élevées en vue de traiter des problèmes nationaux et internationaux.
Ce programme a été et est envisagé comme un projet sur plusieurs années chevauchant le
calendrier GEWEX international pour une large part.
Le système climat-hydrologie des latitudes élevées est complexe et a été peu étudié. La rareté
des données pose de sérieux problèmes. Des études approfondies sur le terrain sont nécessaires
pour acquérir la connaissance des processus par lesquels l’eau et l’énergie s’écoulent dans et au
travers du bassin du Mackenzie. Ces études ont constitué le premier projet de recherche de la
phase 1 de notre programme (abrégé sous la forme étude MAGS-1). La modélisation permet une
approche qui rassemble les résultats de ces investigations sur les processus. Cependant les
modèles actuels de prévision climatique ne peuvent pas simuler de manière appropriée les flux de
l’énergie et de l’eau dans les régions du nord, ce qui a des implications importantes dans la
prévision des impacts écologiques, économiques et sociaux associés aux ressources en eau. La
phase 2 de notre programme (abrégée sous la forme étude MAGS-2) traite le problème de la
modélisation ci-dessus. Les études que nous proposons garantiront que nos modèles prennent
correctement en compte tous les principaux composants du système physique et que nos
connaissances unifiées et nos modèles vérifiés ont la capacité prédictive à aborder les problèmes
de ressources en eau du Canada du nord.
Le Canada doit parler de l'eau, l'une de ses ressources les plus précieuses, avec une voix forte et
indépendante. Les modèles à développer dans la phase 2 amélioreront la prévision numérique
des activités climatiques et hydrologiques. Les modèles auront d'importantes applications à
plusieurs échelles, depuis le fonctionnement de petits barrages hydroélectriques jusqu’aux
prévisions du débit du fleuve Mackenzie déversé dans l’Océan Glacial Arctique, depuis l’analyse
des feux de forêts locaux aux prévisions météorologiques à l’échelle régionale. Les interactions
avec les groupes concernés qui traitent de l’eau et des problèmes s’y rapportant, commencées
dans l’étude MAGS-1 seront intensément poursuivies dans la phase 2.

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2. Objectif de l’étude MAGS
Les principaux objectifs du projet canadien au sein du programme GEWEX international
sont (1) de comprendre et de modéliser les cycles de l’eau et de l’énergie dans les latitudes
élevées qui jouent un rôle à plus d'un titre dans le système climatique et (2) d’améliorer
notre capacité à évaluer les changements dans les ressources en eau du Canada dus à la
variabilité climatique et au changement climatique anthropique. En s’appuyant sur les
avancées de la phase 1, et dans le but d’atteindre les objectifs à long terme, les tâches de la phase
2 sont de :
(1) clore le bilan hydrologique et énergétique du bassin du Mackenzie à des échelles temporelles
annuelles, mensuelles ou plus courtes et à des échelles spatiales allant du sous-bassin à
la totalité du bassin versant ;
(2) développer et valider des modèles qui donnent des résultats dans des limites d’erreur
acceptables ;
(3) utiliser les observations et les modèles pour décrire et comprendre les flux de l’énergie et de
l’eau à travers la région du Mackenzie dans la plage actuelle de variabilité climatique et
de changement climatique ;
(4) appliquer ces modèles pour traiter des problèmes scientifiques, environnementaux et de
ressources en eau ;
(5) transférer nos modèles dans des environnements similaires du Canada et dans d’autres zones
des expériences GEWEX à l’échelle continentale.
Par conséquent, cette seconde phase se concentre sur les aspects de modélisation, de prévision et
d’application de notre objectif à long terme. A la fin de l’étude MAGS-2, nous (a) aurons une
compréhension approfondie de et une capacité à modéliser la réponse des cycles hydrologique et
énergétique dans le bassin du Mackenzie à la variabilité et au changement climatiques, (b) serons
capables de caractériser les impacts de leurs processus atmosphérique et hydrologique et leurs
rétroactions sur les systèmes climatiques régionaux et mondiaux et (c) pourront appliquer nos
capacités prédictives aux problèmes climatiques, environnementaux et de ressources en eau dans
le bassin du Mackenzie et d’autres régions de latitude élevée.
3. Avancées de la phase 1
Bien qu’il y ait eu des projets de collaboration antérieurs à l’étude MAGS pour comprendre les
processus des régions froides (par exemple BOREAS, ACSYS, CRYSYS), la compréhension de
nombreux processus atmosphérique et hydrologique et leurs interactions en tant que partie d’un
système unifié dans un cadre de latitudes élevées demeure insuffisante. La phase 2 de notre
programme a été conçue pour
 quantifier les principaux processus affectant les cycles hydrologique et énergétique du
bassin du Mackenzie
 évaluer l’importance relative de différents processus des latitudes élevées

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 développer des ensembles de données pour la paramétrisation et la vérification de
modèles et
 développer un cadre pour coupler les modèles requis pour reproduire le transport observé
d’humidité et d’énergie dans et à travers le bassin sur des échelles temporelles mensuelles
ou plus longues.
Nous avons réalisé des progrès considérables vers l’accomplissement de ces tâches. Les
nombreuses avancées de la phase 1, décrites ci-dessus, nous procurent des bases solides pour
lancer l’étude MAGS-2.
3.1.1. Processus climatiques froids
Grâce à l’étude MAGS-1, nous avons acquis une connaissance considérable des processus se
produisant dans les latitudes élevées. La section suivante définit les principales questions
scientifiques, les avancées dans le traitement de ces problèmes et les questions de la recherche
qui guideront les prochaînes investigations.
Quelles sont les principales sources d’humidité pour le Mackenzie ?
Environ 400 mm de précipitations tombent généralement sur le bassin (Louie et al, 1999),
répartis sensiblement de manière égale entre pluie et neige (Mekis et Hogg, 1999), mais il y a une
grande variabilité d’une année sur l’autre dans ces valeurs. Grâce à nos études (Lackmann et
Gyakum, 1996, Hudak et Young, 1999), nous avons découvert que l’humidité se formait
principalement au-dessus de l’océan Pacifique nord mais que les montagnes de la cordillère
occidentale (Fig. 1) réduisaient considérablement ce flux d’humidité sur la zone, entraînant des
accroissements de précipitations sur les altitudes élevées (Mackay et al., 1998, Misra et al.,
1999). Ces effets varient au fil des saisons du fait de différences dans la stabilité et le forçage à
grande échelle. Bien que nous commencions à apprécier certaines conséquences importantes de
l’orographie, il reste beaucoup à faire avant que ces effets ne puissent être capturés de façon
fiable par nos modèles. Nous avons également découvert la présence de fortes variations d’une
année sur l’autre dans l'intensité de la source d’humidité du Pacifique, la façon dont cela se
traduit dans les changements du système climatique du bassin reste incertaine. Dans la plupart
des années, cette advection provenant de l’extérieur du bassin domine le bilan d’eau
atmosphérique du bassin, mais les périodes estivales peuvent parfois être liées à une divergence
nette, impliquant que l’évapotranspiration locale est plus forte que l’advection (Smirnov et
Moore, 1999, Cao et al, 1999, Liu et Cho, 1999). Il y a néanmoins une incertitude considérable
dans ces estimations, un facteur contribuant à cette incertitude étant que les grands cycles
d’humidité diurne ne sont pas bien reproduits dans nos modèles (Strong, 1997). Des documents
plus détaillés sur le bilan de l’humidité sont nécessaires et doivent traiter les réservoirs et les flux
de surface et ceux souterrains.
Comment les nuages affectent le système climatique du bassin ?
Le bassin du Mackenzie occupe généralement une région très nuageuse, avec une couverture
nuageuse fractionnée du bassin estimée à approximativement 50% (Isaac et Stuart, 1996, Stewart
et al, 1998b). Nous avons découvert que les nuages sont généralement associés à des tempêtes