Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Enneigement – Québec (Province) – Tasiujaq“

Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige.
In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.

En raison de l'interception de la neige par la canopée, l'accumulation et la fonte de neige est bien différente en forêt qu’en milieu ouvert. La neige interceptée peut se sublimer, se décharger ou fondre, causant beaucoup de variabilité dans la distribution de l'épaisseur de la neige au sol. La présence d’une canopée modifie également les échanges d'énergie entre la neige, le sol et l'atmosphère. Compte tenu de l'importance de la fonte de neige sur les secteurs dépendants de l’eau tels que la production hydroélectrique, l'approvisionnement en eau agricole et urbaine, il est donc essentiel de surveiller / modéliser les propriétés et les processus du manteau neigeux en forêt. Le suivi de la neige sur le terrain est une tâche fastidieuse. Ainsi, au fil des ans, plusieurs études ont utilisé des produits satellitaires ou tenté de modéliser les propriétés du manteau neigeux, s’affranchissant ainsi de mesures exhaustives sur le terrain. En général, il existe trois types de modèle de fonte de neige (statistique, à indice de température et par modélisation du bilan énergétique) qui sont utilisés dans une variété de couverts comme les forêts, les glaciers, les milieux ouverts, etc. Ils partagent l’objectif commun de modéliser l'évolution de l'équivalent en eau de la neige. Dans cette étude, nous avons combiné des observations sur le terrain avec des modèles de fonte des neiges dans le but d’atteindre l’objectif global de la thèse, soit de mieux comprendre le comportement de la neige dans un petit bassin versant de la forêt boréale humide. La thèse présente trois objectifs spécifiques : (i) quantifier et modéliser la variabilité spatiotemporelle de la distribution d’équivalent en eau de la neige; (ii) explorer la performance de modèles de fonte de neige à indice de température et (iii) documenter la variabilité spatiale du déficit calorifique du couvert de neige. Chaque objectif spécifique est associé à un chapitre de la présente thèse. Pour les besoins de cette recherche, nous avons recueilli 1810 échantillons de carottiers à neige, de même que 70 puits de neige, dans 9 sites forestiers distincts d’un bassin expérimental de la forêt boréale humide (Forêt Montmorency; 47°N, 71°O) de l’Est du Canada lors des hivers de 2016-17 et 2017-18. À proximité de ces sites, nous avons fabriqué et déployé des stations mesurant le profil vertical de température de la neige, la température de l'air, l'épaisseur de la neige et le profil de température du sol. Sur ces sites, des données détaillées sur la végétation telles que l'indice de surface foliaire (LAI), la densité du couvert, la hauteur des arbres, la densité des arbres et le diamètre des arbres ont été recueillies à l'aide de mesures sur le terrain et d'un produit LiDAR. Notre analyse a été de plus supportée par les observations de deux tours de flux, nous fournissant ainsi les flux de chaleur sensible et latente entre la surface terrestre et à l’atmosphère à chaque 30 minutes. Dans le premier chapitre, nous avons mis au jour une relation entre l'épaisseur de neige et le diamètre des arbres environnants. Le site avec une forêt juvénile est celui où la plus grande variabilité spatiotemporelle a été observée. Nous avons utilisé trois modèles statistiques soit la régression linéaire multiple, les arbres de régression et les réseaux de neurones (NN) pour identifier les variables pertinentes affectant la variabilités patio temporelle de l’équivalent en eau de la neige. Avec un coefficient de Nash de 0,77 en calage et de 0,72en validation, le modèle NN a présenté les meilleures performances, identifiant ainsi la hauteur de la neige, le diamètre des arbres, l'âge du manteau neigeux et la densité des arbres comme des facteurs clés contrôlant la variabilité spatiotemporelle de la neige en forêt. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploré différents modèles de fonte à indice de température (TI) en s’intéressant à leur performance dans un contexte de données d’entrée rarement disponibles, comme la température de surface de la neige, le rayonnement intrant sous-couvert et la sublimation. Nous nous sommes aussi intéressés à la pertinence de tenir compte de l'interception de précipitation par la canopée et du déficit calorifique du couvert de neige. Sur la base de notre évaluation, à l’exception de la sublimation et de la température de surface qui ont permis de faibles gains de performance, aucun des processus additionnels ou données d’entrée testés n’a généré de gain appréciable de performance. Enfin, au troisième chapitre, nous avons documenté la variabilité du déficit calorifique de la neige dans quatre sites forestiers à l’aide d’observations récoltées dans des puits à neige. Nous nous sommes également intéressés à la variabilité spatiotemporelle à court terme du déficit calorifique en générant des séries à l’aide d’un approche hybride, basée notamment sur le modèle de surface CLASS (Canadian Land Surface Scheme).Nous avons ainsi pu documenter l'effet de la forêt, de la topographie locale et du régime thermique propre à chaque site sur la variabilité du contenu en froid sur nos sites d'étude. Nous avons entre autres constaté que le contenu en froid était maximal au début février, indépendamment du site, comme c’est là que les températures de l’air étaient les plus froides. Nous avons aussi pu constater qu’en moyenne, 61% du déficit calorifique de la neige était contenu dans les premiers 50 cm. En résumé, cette recherche s'est concentrée sur l’étude des propriétés du manteau neigeux dans un petit bassin versant de la forêt boréale, à l’aide de mesures exhaustives sur le terrain et en utilisant différents modèles de fonte des neiges. En documentant les processus, nous avons pu mettre en lumière que malgré la présence de couvert forestier aux propriétés contrastées, le couvert de neige présentait de nombreuses similitudes d’un site à l’autre, ce qui est porteur d’espoir pour la modélisation de la neige en forêt.
Because of the interception of snow by the canopy, the accumulation and melting of snow in the forest is different than in the open environment. The intercepted snow can sublimate, discharge or melt, causing a great deal of variability in the distribution of snow depth on the ground. The presence of a canopy also modifies the energy exchanges between the snow, the soil and the atmosphere. Given the importance of snowmelt on waterdependent sectors such as hydroelectric production, agricultural and urban water supply, it is therefore essential to monitor/model the properties and processes of snow cover in the forest. Monitoring snow in the field is a tedious task. Thus, over the years, several studies have used satellite products or attempted to model snowpack properties, thus avoiding exhaustive field measurements. In general, there are three types of snowmelt models (statistical, temperature index and energy balance model) that are used in a variety of cover types such as forests, glaciers, open environments, etc. They share the common objective of modelling the evolution of snow water equivalent. In this study, we combined field observations with snowmelt models in order to achieve the overall goal of the thesis, which is to better understand the behaviour of snow in a small watershed of the humid boreal forest. This main objective is declined into the three following specific objectives: (i) to quantify and model the spatial and temporal variability of snow water equivalent distribution; (ii) to explore the performance of temperature index snowmelt models; and (iii) to document the spatial variability of the cold content of the snow cover. Each specific objective is associated with a chapter of this thesis. For the purpose of this research, we collected 1810 snow core samples, as well as 70 snow pits, from 9 distinct forest sites in an experimental catchment of the humid boreal forest (Montmorency Forest; 47°N, 71°W) during the winters of 2016-17 and 2017-18. In the vicinity of these sites, stations measuring the vertical snow temperature profile, air temperature, snow depth and soil temperature profile were deployed. At these sites, detailed vegetation data such as Leaf Area Index (LAI), canopy density, tree height, tree density and tree diameter were collected using field measurements and a LiDAR product. Our analysis was further supported by observations from two flux towers, providing us with sensible and latent heat fluxes between the Earth’s surface and the atmosphere every 30 minutes. In the first chapter, we have highlighted a relationship between snow depth and the diameter of the surrounding trees. The site with a juvenile forest was the one where the greatest spatiotemporal variability was observed. We used three statistical models: multiple linear regression, binary regression trees and neural networks (NN) to identify the relevant variables affecting the spatial and temporal variability of the snow water equivalent. With a Nash coefficient of 0.77 in calibration and 0.72 in validation, the NN model showed the best performance, identifying snow depth, tree diameter, snowpack age and tree density as key factors controlling the spatialtemporal variability of forest snow. v In the second chapter, we explored different temperature-index (TI) melting models by looking at their performance in the context of rarely available input data such as snow surface temperature, incoming shortwave radiation and sublimation. We also investigated the relevance of taking into account canopy interception and cold content. On the basis of our evaluation, with the exception of sublimation and surface temperature, which resulted in small performance gains, none of the additional processes or inputs tested generated appreciable performance gains. Finally, in the third chapter, we documented the variability of the snowpack cold content at four forest sites using observations collected from snow pits. We also investigated the short-term spatial and temporal variability of the snowpack cold content by generating series using a hybrid approach, based in part on the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) surface model. We were thus able to document the effect of the forest, the local topography and the thermal regime specific to each site on the variability of the cold content at our study sites. Among other things, we found that the cold content was highest in early February, regardless of site, as this is when air temperatures were the coldest. We were also able to observe that, on average, 61% of the snow's heat deficit was contained in the first 50 cm. In summary, this research focused on studying the properties of the snowpack in a small watershed of the boreal forest, using extensive field measurements and different snowmelt models. By documenting the processes, we were able to highlight that despite the presence of forest cover with contrasting properties, the snow cover showed many similarities from one site to another, which is hopeful for snow modeling in the forest.

Ce travail est la fusion de deux projets de recherche complémentaires et contribue à l'approfondissement des connaissances dans les domaines des mesures de précipitation solide et dans la stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. Toutes les données utilisées pour ces travaux proviennent de la forêt Montmorency, qui est la forêt d’enseignement et de recherche de l’Université Laval située à Québec. Les incertitudes liées aux simulations des débits des bassins versants par les outils de modélisation hydrologiques dépendent du choix du modèle considéré, mais sont aussi liées à la qualité des données météorologiques entrantes. Il est question ici de tout d’abord quantifier les incertitudes reliées aux mesures de précipitation solide, ensuite proposer une méthode d’ajustement novatrice, et enfin une stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. L’élaboration d’une base de données météorologique regroupant 15 types de précipitomètres, dont deux référents mondiaux, a été réalisée grâce notamment à la mise en place du site météorologique Neige, déployé depuis 2014. Concernant les incertitudes des mesures liées au phénomène de sous-captation de précipitation solide, des approches déterministes historiques de débiaisage des données sont tout d’abord évaluées. Les résultats démontrent un biais initial moyen d’environ 30%, et une surestimation rémanente des quantités de précipitation après ajustement. Une approche probabiliste est ensuite proposée, et les résultats montrent un biais moyen divisé par 5 après application de la méthode. Enfin, des analyses de sensibilités des paramètres des modèles hydrologiques ainsi que de leurs performances face aux variations des données de précipitation solide sont réalisées sur un ensemble de 20 modèles conceptuels à partir de la base de données hydrologique du bassin versant appelé le Haut Montmorency. Cette étude permet finalement de mettre en évidence que le biais de mesure d’équivalent en eau du manteau nival pourrait influencer la qualité des bilans hydriques des bassins versants dans certaines conditions. Ainsi, une analyse de sensibilité des modèles hydrologiques rigoureuse a permis de mettre en évidence qu’un ajustement des données de précipitation solide est nécessaire en amont de la calibration conjointement à l’utilisation des modèles. L’originalité de ces travaux dépend principalement de l’exceptionnalité des sites d’études mais aussi de la qualité du travail des techniciens en observation météorologique et la coopération d’un grand nombre de partenaires privés et publics.
This work joins two complementary research projects and contributes to improve the knowledge on solid precipitation measurements and hydrological modelling strategy in the boreal forest environment. All the data used in this work comes from the Montmorency Forest, which is the teaching and research forest of Université Laval located in Quebec. The uncertainty related to flows forecast by hydrological models depends on the choice of the model, but are also linked to the quality of incoming meteorological data. This work aims first to quantify uncertainties related to solid precipitation measurements, then to propose an innovative method of adjustment and finally to establish a hydrological modelling strategy for the boreal forest environment. The development of a large meteorological database, including data from two world reference instruments, was done thanks to the Neige site deployed since 2014. Regarding uncertainties related to the solid precipitation undercatch phenomenon, five deterministic approaches from the literature are first evaluated. Results show that the initial bias is 30% on average and there is still an overestimation of the solid precipitation quantity after a deterministic adjustment. A probabilistic approach is developed and results show that the bias is divided by 5 on average. Finally, sensitivity analysis of hydrological models’ parameters, and their performance facing different solid precipitation quantities, is done on a set of 20 conceptual models based on the hydrological database of the catchment area called the HautMontmorency. This study highlights that the snow water equivalent measurement bias of the snowpack could influence the quality of water balances in the catchment under certain conditions. A deep sensitivity analysis of hydrological models showed that an adjustment of the solid precipitation was required prior to their calibration. The originality of this thesis depends on the exceptional studied sites, the quality of technicians work and the collaboration of numerous public and private partners.