Au cours des 25 dernières années, le Nord-Est a connu la plus forte augmentation des précipitations extrêmes à l’échelle nationale. Recherches antérieures a montré que la quantité de précipitations extrêmes (pluie ou neige qui se traduit par un à deux pouces d’eau par jour) au cours des 25 dernières années a été de près de 50 % supérieure à celle de 1901 à 1995.
Une nouvelle étude de Dartmouth donne un aperçu de la façon dont les changements de précipitations et de température dus au réchauffement climatique affectent le débit et les inondations dans le nord-est. Les conclusions sont publiées dans le Journal de l’Association américaine des ressources en eau.
Les chercheurs ont examiné comment les précipitations, y compris les chutes de neige, les pluies hivernales lors d’épisodes neigeux, la fonte des neiges au printemps et les conditions du sol, influent sur l’écoulement des cours d’eau. Ils se sont concentrés sur quatre bassins versants dans le nord-est : la rivière Mattawamkeag dans le nord-est du Maine ; la rivière Dead Diamond dans le nord du New Hampshire ; la White River dans l’est du Vermont; et la rivière Shenandoah en Virginie-Occidentale.
Le débit des trois bassins versants du nord est fortement affecté par la fonte des neiges, tandis que le bassin versant de la rivière Shenandoah est davantage affecté par les précipitations. Les quatre bassins versants ont été sélectionnés parce qu’il s’agit de rivières non régulées, ce qui signifie que le débit n’est pas contrôlé par un barrage et qu’ils s’étendent sur une gamme de latitudes.
Pour la première partie de l’étude, l’équipe a créé un modèle d’apprentissage automatique à partir des relations historiques entre le débit et les facteurs qui comprenaient : la température ; précipitations (pluies contre neige); « l’indice des précipitations antérieures » ou la quantité d’humidité stockée dans le sol avant une tempête ; « l’indice de précipitation standardisé », qui est utilisé pour caractériser les périodes humides et sèches ; et l’écoulement fluvial.
Ils se sont appuyés sur plus de 95 ans de données climatiques historiques allant de 1915 à 2011, ainsi que sur les données de débit de l’US Geological Survey et les observations de profondeur de neige du Northeast Regional Climate Center.
« L’indice de précipitation antécédent et l’indice de précipitation standardisé sont essentiellement des mesures de l’humidité de la surface terrestre, ce qui affecte le ruissellement et le débit », explique la première auteure Charlotte Cockburn, Guarini ’21, qui était étudiante à la maîtrise en sciences de la terre à Dartmouth. au moment de la recherche.
« Si vous avez une très grosse tempête de pluie sur une surface relativement sèche, une grande partie de cette eau peut être absorbée par le sol, mais si vous avez plusieurs tempêtes de pluie menant à la très grosse tempête de pluie, il n’y a pas de place dans le sol pour l’eau, ce qui crée un débit plus élevé. »
C’est ce qui s’est passé en août 2011, lorsque l’ouragan Irene, connu sous le nom de tempête tropicale Irene dans une grande partie de la Nouvelle-Angleterre, a provoqué des inondations dévastatrices, de nombreux décès et des milliards de dollars de dégâts, note Cockburn.
Pour prédire le débit des cours d’eau pendant les mois de saison froide de novembre à mai, l’équipe a utilisé la température moyenne, les précipitations sur trois et 30 jours et les chutes de neige sur trois et 30 jours comme variables dans leur modèle. Ils ont créé un sous-modèle pour simuler la fonte des neiges. Le modèle examinerait une date particulière, par exemple le 1er avril 2009, et prédirait ensuite le débit en fonction des variables du modèle.
« Pour le contexte, le débit le plus élevé dans les bassins versants du nord-est a tendance à se produire au printemps, en fait en ce moment, lorsqu’il y a fonte des neiges, des précipitations plus importantes qu’en hiver, aucune végétation pour extraire l’eau du sol et lorsque le sol est soit saturé, soit gelé », explique l’auteur principal Jonathan Winter, professeur agrégé de géographie à Dartmouth.
Comme l’expliquent les chercheurs dans l’étude, l’une des énigmes du modèle est qu’il est basé sur des données historiques et qu’il est formé pour s’appuyer sur l’accumulation de neige en tant que facteur important pour projeter le débit pendant la saison froide.
Ainsi, lorsque le modèle se heurte à des dates futures où l’accumulation de neige sera réduite en raison du réchauffement climatique, il prédit une diminution du débit. Mais comme l’explique Cockburn, « Les modèles ne capturent pas exactement la dynamique des changements hivernaux du débit car ils sont formés sur le passé et dans un monde qui est plus chaud en raison du changement climatique, nous nous attendons à ce que la pluie soit un moteur beaucoup plus important de débit d’hiver. »
Pour la deuxième partie de l’étude, l’équipe a forcé le modèle d’apprentissage automatique avec une projection du climat de 2070 à 2099, pour voir ce qu’il advient de l’écoulement fluvial dans un climat futur.
Les principaux résultats sont les suivants :
« Si le nord-est reçoit des sols plus humides et des précipitations plus abondantes, comme le prédisent les modèles climatiques, le nord-est aura un débit accru et un risque d’inondation plus élevé », a déclaré Winter.
L’hiver dernier, le nord-est avait un manteau neigeux inférieur à la normale en raison de températures supérieures de plus de 4 degrés Fahrenheit à la moyenne.
« L’hiver que nous venons de vivre est ce que nous allons vivre le plus souvent à l’avenir. C’est un aperçu de ce qui nous attend », déclare Winter. « Notre analyse révèle cependant de manière surprenante que dans le nord-est, la neige importe relativement peu par rapport à la sensibilité du débit aux précipitations. »
Winter dit: « Avec le changement climatique, il est important de comprendre comment le débit des cours d’eau peut changer dans un climat plus chaud et plus humide, car ces dynamiques ont des implications pour les inondations, les écosystèmes, les ressources en eau et l’hydroélectricité. »
Plus d’information:
Charlotte Cockburn et al, Facteurs de futurs changements de débit dans les bassins versants du nord-est des États-Unis, JAWRA Journal de l’Association américaine des ressources en eau (2023). DOI : 10.1111/1752-1688.13120