Intégration de facteurs de correction dans la modélisation conjointe des précipitations extrêmes pour l'estimation des courbes IDF en climat futur

Les courbes intensité-durée-fréquence (IDF) utilisées pour modéliser les précipitations extrêmes servent lors de la conception et du dimensionnement des infrastructures hydriques. Dans un contexte de changements climatiques, il apparaît important que ces courbes soient actualisées aux tendances du climat futur de façon à prévenir le risque de défaillance des infra-structures liées aux précipitations anticipées. La recherche suivante propose une modélisation non stationnaire des courbes IDF dans le cadre de la théorie des valeurs extrêmes et des modèles d’échelle de façon à incorporer les effets des changements climatiques directement dans les courbes IDF. Des facteurs de correction des courbes sont modélisés en fonction de variables explicatives issues des projections climatiques comme la température quotidienne moyenne permettant ainsi d’estimer l’évolution future des précipitations extrêmes. Ces facteurs sont incorporés, dans un deuxième temps, à un modèle d’échelle ajusté aux précipitations historiques dans lequel des indices climatiques tels que l’oscillation atlantique multidécennale, l’oscillation nord-atlantique et le réservoir d’eaux chaudes de l’hémisphère occidental sont considérés pour améliorer la qualité du modèle. L’analyse montre que les distributions futures des précipitations extrêmes sont sujettes à la non-stationnarité sous l’effet du changement climatique. Les résultats révèlent que les précipitations extrêmes vont s’intensifier sur l’ensemble du Québec à mesure que les températures moyennes augmentent et s’accentuent davantage pour les périodes de retour plus longues. Les stations météorologiques de l’est et du nord-est en zone littorale ou présentant un relief accidenté montrent une intensification plus prononcée des précipitations extrêmes. Par exemple, à la station météorologique de l’aéroport international Pierre-Elliott-Trudeau, on prévoit que l’intensité des précipitations augmentera de 20.84 ± 4.89% pour une période de retour de 5 ans d’ici 2050 et de 64.53 ± 5.99% d’ici 2100, alors que, pour la station Îles-de-la-Madeleine, on prévoit une augmentation de l’intensité des précipitations de l’ordre de 26.23 ± 9.56%et de 81.22 ± 12.28% à l’horizon 2050 et 2100 respectivement par rapport aux intensités de l’année de référence 2021. Enfin, la méthode proposée permet d’estimer les courbes IDF pour n’importe quelle année d’ici la fin du siècle. Les travaux futurs devraient envisager d’améliorer la méthodologie en tenant compte de la dépendance spatiale entre les stations météorologiques ou les points de grille et en généralisant l’approche aux événements extrêmes supra-quotidiens. Préciser l’estimation des courbes IDF aide les ingénieurs et les professionnels à planifier et à concevoir des infrastructures hydriques résilientes dans un contexte de changements climatiques.

Abstract

Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves are widely used to model extreme rainfall events when designing critical water resource infrastructure. In the context of climate change, it is important that these curves are updated to future climate trends in order to prevent the risk of infrastructure failure due to anticipated precipitation. This research proposes a non-stationary model for IDF curves within the extreme value theory and scaling model frameworks, such that the effects of climate change can be incorporated directly into the IDF curves estimation. Curve correction factors are modeled as functions of explanotory variables such as daily mean temperature to estimate future trends in extreme precipitation. These factors are then integrated into a scaling model fitted on historical precipitation, in which climate indices such as the Atlantic Multidecadal Oscillation, the North Atlantic Oscillation and the Western Hemisphere Warm Water Reservoir are considered to improve model quality. The analysis shows that future extreme rainfall distributions are subject to non-stationarity under climate change. Results reveal that extreme precipitation events are projected to intensify across Quebec as mean temperatures rise, and become more pronounced for longer return periods. Eastern and northeastern weather stations in coastal zones or rugged terrain show a more pronounced intensification of extreme precipitation. For instance, at the Pierre-Elliott-Trudeau International Airport weather station, rainfall intensity is projected to increase by 20.84 ± 4.89% for a 5-year return period by 2050 and by 64.53 ± 5.99% by 2100, whereas, at the Îles-de-la-Madeleine weather station, rainfall intensity is projected to increase by 26.23 ± 9.56% and 81.22 ± 12.28% by 2050 and 2100 respectively compared to 2021 baseline levels. Most importantly, the proposed method estimates IDF curves for any year of interest by the end of the century. Future work should look at refining the methodology by considering spatial dependance between stations or grid points and by extending the approach to multi-day rainfall events. Improving the robustness of IDF curve estimation supports engineers and professionnals when planning and designing resilient water infrastructure under a changing climate.