Le réseau de recherche se concentre sur ces grandes questions : Où et quand la fonte du pergélisol se produit-elle au Canada et quels sont les risques découlant de ce changement?
La recherche est organisée en cinq thèmes interreliés nécessitant une masse critique et une expertise diversifiée qu’aucun groupe de recherche ou organisme gouvernemental ne possède à lui seul.
Contexte et objectifs
Les cartes du pergélisol, même celles qui représentent les conditions actuelles, sont basées sur des prédictions, car le pergélisol ne peut pas être facilement observé à distance. Par exemple, la carte du pergélisol du Canada de 1995 est basée sur la délimitation de combinaisons de régions physiographiques et de climat connues pour prédire l’étendue du pergélisol et la teneur en glace de sol. Ce réseau vise à informer l’adaptation au changement climatique par le prototypage de nouveaux produits de connaissance et la simulation en est un élément clé.
L’objectif du thème 3 est d’améliorer la précision et la fourniture de la simulation transitoire du pergélisol afin que ses résultats puissent répondre aux besoins des parties prenantes à l’échelle locale et nationale.
L’objectif de prédire les changements dans un avenir dépassant l’expérience humaine et l’observation scientifique, combiné au manque de données sur le pergélisol, rend les modèles basés sur les processus plus appropriés pour les prédictions futures que les modèles statistiques. En outre, pour comprendre et soutenir les adaptations au changement climatique, il est nécessaire de simuler les variables liées aux répercussions, par exemple les taux d’affaissement ou les caractéristiques mécaniques du sol, et de les simuler à une échelle permettant de les comparer aux observations et de les interpréter à des endroits précis. Il existe une grande variété d’échelles et de stratégies de simulation, notamment les colonnes unidimensionnelles, les colonnes unidimensionnelles avec interaction latérale paramétrée, et la tridimensionnalité partielle et totale. De même, les modèles diffèrent quant à leur sophistication dans la représentation du continuum sol-végétation-atmosphère. Ces aspects sont importants pour le progrès scientifique. Cependant, nous avons l’intention de faire des prévisions précises pour l’ensemble du Canada et, pour cela, nous nous concentrons sur l’utilisation d’une série de modèles unidimensionnels ayant des forces complémentaires dans la représentation de la végétation, de la neige et de l’eau; les facteurs les plus importants des caractéristiques et des changements du pergélisol. Avec ces modèles, nous construisons un cadre d’entrées appropriées (variables météorologiques, couverture de surface, matériaux de subsurface) et pour permettre l’évaluation des résultats de simulation avec des observations au sol et à distance. Ceci est important, car la précision des prévisions et la quantification des incertitudes dans les zones reculées d’une grande masse continentale dépendent de la capacité à fournir des données appropriées autant, voire plus, que de la sophistication du modèle utilisé. L’affectation de ressources considérables à l’évaluation des résultats des modèles nous permettra de mieux comprendre les limites de nos systèmes de modélisation et d’établir des priorités dans le perfectionnement des modèles.
Claude Duguay
Le thème 3 est dirigé conjointement par Claude Duguay (Université de Waterloo) et Joe Melton (Université de Victoria). Joe coordonne les activités de modélisation, y compris la quantification de la confiance dans les résultats des modèles. Claude soutient l’application et l’évaluation de la sortie du modèle en utilisant des produits dérivés de la télédétection. À la fin du réseau, sept chercheurs seront formés dans le cadre du thème 3, soit 2 MSc, 3 Ph.D.
Joe Melton
Stephan Gruber est spécialisé dans la mesure et la simulation du pergélisol et contribue à l’évaluation des modèles de pergélisol et à leur utilisation par les parties prenantes.
Trevor Lantz étudie les répercussions écologiques du thermokarst par l’intermédiaire de la télédétection et du savoir traditionnel et apporte des perspectives de savoir traditionnel sur les changements passés de la couverture terrestre.
Bernhard Rabus est spécialisé dans la télédétection de l’affaissement de la surface et aide à évaluer la perte de glace au sol simulée.
Pascale Roy-Léveillée est experte dans la mesure et la simulation des processus thermokarstiques et contribue à l’amélioration de la simulation des phénomènes et des rétroactions liés aux eaux stagnantes.
Oliver Sonnentag étudie les interactions entre la surface terrestre et l’atmosphère dans les hautes latitudes et soutient l’évaluation des flux de carbone simulés à l’aide de produits de données basés sur le terrain et de produits de données ABoVE.
Recherche sur les sous-thèmes
La plupart des modèles (sous-)climatiques de pergélisol sont d’une grande complexité, ce qui limite le perfectionnement des modèles à des avancées progressives dans le cadre de projets individuels. L’approche du thème 3 consiste à se concentrer sur l’amélioration d’un seul modèle climatique, le Modèle de schéma canadien de surface terrestre incluant les cycles biogéochimiques (CLASSIC), qui comprend des processus liés à la dynamique du pergélisol. Il est raisonnablement bien évalué dans les régions froides et constitue la composante terrestre du modèle du système terrestre canadien (CanESM) qui est exploité par Environnement et Changement climatique Canada (ECCC). Par conséquent, les améliorations de la représentation des processus générées par PermafrostNet CRSNG amélioreront les simulations des interactions pergélisol-climat dans le CanESM et, par conséquent, les scénarios climatiques futurs pour le Canada et le monde. Ce travail avec CLASSIC crée également un lien important entre la communauté de modélisation du climat, les géocryologistes de terrain, les ingénieurs et les parties prenantes.
Deux sous-thèmes structurent la recherche dans le thème 3.
Ce sous-thème améliore la représentation des processus clés liés à la dynamique du pergélisol dans CLASSIC afin de mieux relier les changements climatiques à long terme non seulement avec les changements de température du sol, mais aussi avec des variables telles que l’affaissement ou l’humidification du terrain.
L’absence de représentation de l’excès de glace souterraine et de sa fonte constitue une lacune importante dans de nombreux modèles de pergélisol. Bien que l’excès de glace de sol ait été incorporé dans des modèles au niveau des sites, régionaux et mondiaux, la représentation reste grossière. De plus, il n’existe actuellement aucun ensemble de données sur l’excès de glace de sol pouvant servir d’entrée au modèle, et les résultats de la simulation ont été difficiles à tester parce que les données sur la subsidence sont rares.
Le sous-thème 3.1 s’interface avec le thème 1 pour utiliser les données au niveau du site provenant de PINGO afin d’exécuter des simulations basées sur GRIP (sous-thème 3.2) et travaille avec le thème 4 pour déterminer les sorties de modèle les plus utiles des scénarios futurs pour l’évaluation des risques. Un de nos projets actuels introduit dans CLASSIC des types fonctionnels de plantes qui sont propres aux régions de pergélisol boréal et arctique. CLASSIC simule explicitement les flux de dioxyde de carbone et de méthane entre la surface terrestre et l’atmosphère. Il est bien adapté pour déterminer les futurs flux de carbone de la région du pergélisol canadien, qu’ils soient dominés par une productivité végétale accrue (absorption par la surface terrestre) ou dominés par la respiration aérobie (dioxyde de carbone) et anaérobie (méthane) par la surface terrestre en cours de dégel. Cela est pertinent pour informer les politiques, car on estime que les rétroactions climatiques des zones humides naturelles et du pergélisol réduisent de 9 à 15 % les budgets d’émission autorisés de dioxyde de carbone provenant des combustibles fossiles.
Rose Lefebvre (T3-MSc1)
Titre: Simulation du changement de la couverture terrestre et de son influence sur le pergélisol avec CLASSIC.
Superviseurs: Joe Melton et Oliver Sonnentag avec Elyn Humphreys, et Gesa Meyer.
Les principales influences sur les variations de la chaleur du sol dans les régions froides sont la végétation, l’hydrologie, la couverture neigeuse et la topographie. La végétation des régions touchées par le pergélisol varie des biomes boréaux aux biomes arctiques. Pour simuler l’influence des changements de la couverture terrestre, ce projet incorporera dans CLASSIC de nouveaux types fonctionnels de plantes (TFP) propres aux régions froides, en utilisant les valeurs de la littérature et des ensembles de données télédétectées sur les changements de la couverture terrestre. Il s’agit d’une condition préalable importante pour produire des simulations de scénarios de l’évolution future du pergélisol au sein du réseau. Des TFP propres aux régions froides, tels que les arbustes, ont été paramétrés à l’aide d’observations sur site et d’analyses documentaires. Rose va incorporer l’influence des bryophytes (mousses) dans CLASSIC afin d’améliorer la performance thermique du modèle et de tenir compte de leurs répercussions sur le cycle du carbone. D’autres processus seront inclus si nécessaire pour s’assurer que le modèle est capable de capturer de manière adéquate le comportement observé avec la représentation la plus simple possible.
Maria Shaposhnikova (T3-MSc2)
Superviseurs: Claude Duguay et Pascale Roy-Léveillée.
De nombreux lacs et étangs arctiques peu profonds d’origine thermokarstique gèlent en hiver, maintenant le pergélisol sous-jacent dans son état gelé. Le radar à synthèse d’ouverture (SAR) offre une occasion unique de surveiller à distance le régime des glaces des lacs. Profitant de la résolution temporelle croissante de la télédétection par micro-ondes, Maria a appliqué une approche d’apprentissage profond temporel à la cartographie du régime des glaces de lac. Son projet combine l’imagerie de la plaine d’Old Crow (OCF), au Yukon, au Canada, pour créer un vaste ensemble de données annotées de séries temporelles SAR étiquetées comme étant de la glace fixe, de la glace flottante ou de la terre, afin d’entraîner un réseau neuronal convolutif temporel (TempCNN). Le TempCNN entraîné, à son tour, a permis de cartographier automatiquement les régimes de glace des lacs sur une période de 29 ans (1993 à 2021). Les cartes classées s’alignent bien avec les mesures de terrain disponibles et l’épaisseur de la glace simulée par le modèle canadien des glaces de lac (CLIMo).
Ce sous-thème se concentre sur l’amélioration de l’application des connaissances et des modèles existants pour produire des résultats utiles aux parties prenantes. Plutôt que de créer de nouvelles méthodes de modélisation, nous utilisons en combinaison des modèles, des connaissances et des données existants et les évaluons par rapport à des données d’observation dans PINGO.
Les caractéristiques de la subsurface, telles que la quantité et la distribution stratigraphique de l’excès de glace et de matière organique, sont les déterminants les plus importants des répercussions climatiques sur les systèmes de pergélisol et peuvent être partiellement prédits sur la base des phénomènes observables en surface. Nous utilisons les données et les connaissances générées dans le cadre du thème 1, ainsi que des modèles heuristiques et statistiques, pour étendre les cartes spatiales et les modèles conceptuels actuels du contenu de la glace de sol à des ensembles de données quantitatives pouvant être utilisés comme données d’entrée dans des simulations numériques. En plus du GRIP, ce sous-thème travaille à la production de la carte des caractéristiques de surface du pergélisol (PESC). Ensemble, le GRIP et le PESC permettront de distinguer les principaux types de terrain.
Au fur et à mesure que davantage de données d’observation seront disponibles dans PINGO, la qualité de GRIP s’améliorera, et davantage de processus et de phénomènes seront représentés dans CLASSIC. Nous utilisons ces avancées pour quantifier la confiance dans les produits de simulation et pour réaliser les produits de simulation les mieux adaptés pour éclairer les décisions des parties prenantes. Les modèles sont pilotés par la météorologie dérivée des réanalyses atmosphériques et des scénarios climatiques CMIP6 débiaisés. Compte tenu de la taille du Canada et de la variabilité attendue à l’échelle de dizaines de mètres, nous utilisons la simulation de sous-grilles (ou « tuilage ») pour représenter efficacement les types de terrain. La simulation sous-maille permet une comparaison significative des résultats de la simulation avec les observations (PINGO, thème 1) et, de ce fait, soutient des produits régionaux ou nationaux plus informés ainsi que l’extraction de résultats de simulation qui représentent des emplacements particuliers, par exemple une tourbière juste au nord de Yellowknife. Le concept des types de terrain est étendu pour inclure les infrastructures et pour dériver les conditions limites afin d’imposer efficacement les effets du changement climatique, y compris les changements dans la neige et la végétation, sur les simulations d’ingénierie.
Charles Gauthier (T3-MSc3)
Titre: Le devenir du carbone dans les sols canadiens touchés par le pergélisol.
Superviseurs: Oliver Sonnentag et Joe Melton
On estime que les régions de pergélisol contiennent plus de 1 000 Pg de carbone (1 015 g) dans les trois mètres supérieurs, soit environ le double du carbone contenu dans la végétation terrestre ou dans l’atmosphère. À l’heure actuelle, on ne sait pas si ces régions seront une source nette de carbone pour l’atmosphère, en raison de la respiration du carbone du sol, ou un puits net de carbone, en raison d’une activité photosynthétique accrue. Une meilleure compréhension des émissions de carbone est pertinente pour la réduction des risques à long terme. Il est important de relier la façon dont les environnements de pergélisol sont modélisés (T3-MSc1 et T3-PhD1) et les données d’entrée disponibles (PINGO, T3-PhD3) aux efforts nationaux et internationaux visant à comprendre la dynamique du carbone dans les régions de pergélisol. Ce projet utilise les ensembles de données disponibles sur les stocks de carbone du sol et les flux respiratoires dans un cadre d’optimisation bayésienne afin de produire des valeurs de paramètres affinés pour le schéma de carbone du sol de CLASSIC. Le projet de Charles permettra d’effectuer des simulations plus précises des stocks et des flux de carbone à l’échelle mondiale et de leur réaction aux changements climatiques futurs. Les améliorations apportées par CLASSIC à ce travail informeront les principaux organismes internationaux tels que le GIEC et le Global Carbon Project.
Gabriel Karam (T3-MSc4)
Titre: L'effet des contrôles environnementaux sur le processus de contraction thermique et de fissuration des coins de glace.
Superviseurs: Stephan Gruber
Les coins de glace sont une forme de relief très répandue dans la région du pergélisol continu. Ils se développent sur des décennies ou des siècles en raison de la fissuration par contraction thermique en hiver. Au printemps, l'eau de fonte s'infiltre dans les fissures et gèle pour former des veines de glace. Avec des cycles répétés, ces veines s'élargissent et peuvent atteindre des largeurs de plusieurs mètres. Ce projet développe un modèle numérique pour simuler le processus de contraction-fissuration dans le pergélisol en utilisant la mécanique des sols gelés. Les contrôles environnementaux tels que les caractéristiques du sol et le climat ont été étudiés pour déterminer leurs effets sur la largeur, la profondeur et l'espacement des fissures.
Le projet Gabriel se concentre sur la modélisation mécanique de la formation des coins de glace en utilisant la méthode des éléments finis étendue (XFEM) dans ABAQUS. Le modèle se concentre sur les événements initiaux de fissuration dans le pergélisol existant qui forment de nouveaux coins épigénétiques. Il utilise une simulation thermo-mécanique, les données de température pilotant un modèle thermique qui est ensuite appliqué à un modèle mécanique pour provoquer la fissuration. Le modèle incorpore des propriétés dépendant de la température pour quatre types de sol : sable grossier, sable fin, limon et argile.
Former student Bingqian Zhang (T3-PhD3)
Titre: Cartographie et paramétrage des types de terrains de pergélisol.
Superviseurs: Bernhard Rabus avec Trevor Lantz, Duane Froese, Joe Melton et Stephan Gruber.
La simulation transitoire pilotée par des données climatiques est bien adaptée pour comprendre l’évolution de la température du sol et de la perte de glace de sol au fil du temps. En même temps, cela nécessite des données d’entrée sur les caractéristiques de surface (par exemple, la végétation) et de subsurface (par exemple, la glace de sol) afin de produire des résultats significatifs. Les conditions de subsurface doivent être déduites et soigneusement spatialisées sur la base d’observations éparses et de connaissances sur l’histoire du Quaternaire. Pour produire des données de sortie et des cartes suffisamment détaillées sur le plan spatial pour être pertinentes pour les applications locales et pour être testées avec les observations au sol, les données sur les caractéristiques de surface et de subsurface doivent avoir une résolution beaucoup plus élevée (~ 10 à 100 m) que les grilles généralement plus grossières pour les variables climatiques (~ 10 à 200 km). Ces cartes de base peuvent être livrées sous forme explicite dans l’espace (grille) ou suivre une approche de sous-grille où, pour les grilles plus grossières, une liste des types de terrain typiques avec leurs caractéristiques et leur abondance est fournie.
Les deux cartes de base produites par le réseau sont la carte de base du potentiel de glace de sol et du pergélisol géotechnique du Canada (GRIP) et la carte de base des caractéristiques de surface du pergélisol (PESC). Le GRIP contiendra des informations sur des variables telles que l’excès de glace, le type de sol, la salinité ou la teneur en matières organiques en fonction de la profondeur. Le PESC sera basé, et contiendra des informations, sur la couverture de surface telle que la végétation, ainsi que des dérivés de la topographie relatifs aux tendances à l’accumulation de neige et d’eau ou à la réception du rayonnement solaire. Les cartes de base sont dérivées de données spatiales primaires capturant des moments généralement différents dans le temps autour d’un « référentiel de carte de base » choisi. Ces données primaires comprennent des couches de télédétection optique et radar dans leur forme originale ou sous forme de produits dérivés (par exemple, modèles d’élévation, couverture du sol), des données polygonales telles que des cartes de la géologie de surface et de l’histoire quaternaire reconstituée et enfin des preuves ponctuelles (par exemple, trous de forage, affleurements). Le projet de Bingqian conçoit des méthodes d’analyse spatiale pour dériver le GRIP et le PESC afin de rendre ces cartes disponibles dans des versions de plus en plus sophistiquées. Ce projet fournit un lien clé dans le flux d’informations et de connaissances entre les thèmes et Bingqian travaille en étroite collaboration avec le thème 1, dont les idées sont transformées en produits spatiaux ici, et avec les autres thèmes en tant qu’utilisateurs potentiels de GRIP et PESC.
Des améliorations successives du GRIP sont en cours d’étude. Ces versions sont des produits précieux pour les membres du réseau et les parties prenantes et permettent de définir la stratégie et le calendrier de production d’une version améliorée pour de grandes zones ou à l’échelle nationale. En utilisant des méthodes d’apprentissage profond et des données de télédétection (primaires) à plus haute résolution, des approches statistiques, y compris des réseaux neuronaux, des produits incrémentiels sont générés pour que les participants au réseau puissent les utiliser et les évaluer dans les zones de test choisies.
Former student
Hannah Macdonell (T3-PhD4, a commencé comme projet de MSc)
Titre: Quantifier la confiance dans les simulations de changement dans le pergélisol.
Superviseurs: Stephan Gruber avec Joe Melton, Trevor Lantz et Steve Kokelj.
Le projet d’Hannah vise à déterminer dans quelle mesure les modèles de température du sol sont validés en développant des méthodes et des outils pour évaluer les modèles existants avec les données existantes. Les approches statistiques de l’erreur et de l’incertitude seront utilisées pour informer le développement du modèle (où et quand le modèle est-il le moins performant? Quel modèle est le plus performant?) et l’utilisation des résultats du modèle (Quelle est la performance des simulations du pergélisol à un endroit particulier?). Dans le cadre d’un projet de suivi de la maîtrise, cette évaluation quantitative sera complétée par une étude de la validité apparente, un concept développé pour saisir la confiance que divers experts, tels que les développeurs de modèles, les scientifiques de terrain spécialisés dans le pergélisol et les habitants du Nord, accordent aux résultats des simulations sur la base d’une évaluation subjective. L’étude de la validité apparente fera appel à l’expertise diversifiée du réseau pour déterminer et évaluer les inconnues des simulations et pour développer des moyens de les communiquer à la fois aux développeurs de modèles et aux utilisateurs finaux. La combinaison de l’évaluation statistique et de la validité apparente améliorera le dialogue entre les développeurs de modèles et les utilisateurs des résultats de simulation, et réduira ainsi les obstacles à l’acceptation et à l’utilisation des produits de simulation. Hannah travaille en étroite collaboration avec les projets des thèmes 3 et thèmes 4 dont elle soutient les recherches.
Galina Jonat (T3-PhD5)
Titre: Services climatiques basés sur la simulation pour les environnements de pergélisol.
Superviseurs: Stephan Gruber avec Alex Cannon, Fabrice Calmels et Shawn Kenny.
Le projet de Galina produira et évaluera des produits de données sur le pergélisol basés sur la simulation, tels que la température du sol ou la subsidence, qui seront utiles à un large éventail de parties prenantes. Les simulations seront conduites par des données climatiques débiaisées/réduites d’échelle et utiliseront GRIP produit dans T3- PhD3 et soutenu par le travail dans le thème 1. Le projet de Galina distingue trois types d’intérêt pour les utilisateurs : (1) Des informations détaillées pouvant être liées à des sites individuels seront fournies en simulant le pergélisol sous des types de terrains typiques d’une région, tels que les tourbières ou la toundra à arbustes bas sur le till. Les utilisateurs pourront sélectionner des types de terrain et des variables de sortie, comme la température du sol ou la subsidence, en fonction de leurs besoins et étudier leur évolution temporelle et leur incertitude. Un ou plusieurs projets des thèmes 4 et 5 seront sélectionnés comme cas d’essai pour la simulation au niveau du site et permettront une interaction avec les projets d’application et les besoins des partenaires. (2) Les cartes régionales ou nationales montreront les meilleures estimations et les intervalles de confiance pour les variables clés et les tranches de temps (par exemple, les années 2030 à 2050) avec une résolution de plusieurs kilomètres, seulement. Ceci sera basé sur la simulation de sous-réseaux de différents types de terrains. (3) Conditions limites pouvant être utilisées pour imposer les effets combinés des changements climatiques et de surface aux modèles géotechniques et hydrologiques. Les conditions aux limites doivent fournir une représentation simple et suffisamment véridique de l’interaction sol-atmosphère. Ce projet permet d’obtenir des résultats et des informations inédits grâce à la confiance accordée au modèle, à la simulation à une échelle suffisamment fine pour prévoir les phénomènes locaux et à l’intégration d’un ensemble de données améliorées sur le potentiel de glace de sol et les caractéristiques géotechniques. Les produits développés ici peuvent servir de prototypes pour informer les futurs services climatiques fournis au Canada.
Collaborateurs et partenaires
- C. Spence
- E. Humphreys
- P. Lipovsky
- C. Stevens
- M. Packalen
- J. McLaughlin
- S. Wolfe
- S.L. Smith
- P. Morse
- A. Bevington
- Y. Zhang
- L. Arenson
- A. Cannon
- G. Meyer
Les résultats de la recherche sont répertoriés sur notre page Publications.