Les effets météorologiques du changement climatique affecteront la prochaine phase de la vie urbaine. Nous avons juste besoin de savoir comment et quand.
En 2017, le temps calamiteux semblait toujours présent. Trois ouragans ont apporté une pluie record, inondations intenses et dégâts étendus au Texas, Floride, Porto Rico et les îles Vierges américaines. Les inondations en Californie ont conduit à la crise du barrage d'Oroville, où les déversoirs principaux et de secours se sont érodés et ont entraîné d'importantes évacuations. De fortes pluies ont conduit à une crue éclair mortelle qui a ravagé un canyon près de Payson, Arizona, tuer 10.
Conditions météorologiques extrêmes, y compris de fortes précipitations, sécheresse et chaleur excessive, menace désormais les centres urbains à une échelle sans précédent. C'est pourquoi Giuseppe Mascaro, professeur adjoint de génie civil à l'Arizona State University, ont cherché à caractériser les précipitations quotidiennes dans la région métropolitaine de Phoenix et dans tout le centre de l'Arizona à l'aide de modèles statistiques. Ses résultats sont publiés dans le Journal d'hydrologie .
« Pourquoi voulons-nous caractériser les extrêmes ? » demanda Mascaro, membre du corps professoral de l'École d'ingénierie durable et de l'environnement bâti, l'une des six écoles des écoles d'ingénierie Ira A. Fulton. « La récente occurrence de catastrophes naturelles déclenchées par de fortes précipitations et la perception que cela se produit plus fréquemment que d'habitude nécessitent de mener ce type d'analyse quantitative pour comprendre la situation actuelle, comparez-le avec le passé et essayez de modéliser l'avenir."
Les modèles statistiques de précipitations extrêmes sont essentiels pour soutenir l'eau, ingénierie et études climatiques. Les modèles de Mascaro éclaireront les efforts de prévision des crues, la gestion de l'eau et la conception des infrastructures urbaines. En outre, Les modèles de Mascaro évalueront la capacité des modèles climatiques actuels à prévoir de manière fiable des scénarios de fortes précipitations.
La méthodologie réduit l'incertitude
Les extrêmes sont rares par définition. Une tempête centennale se produit théoriquement une fois tous les 100 ans. Cela rend l'observation des événements météorologiques extrêmes difficile, en particulier dans le sud-ouest des États-Unis où les enregistrements d'observations de précipitations peuvent être plus clairsemés et plus courts que dans la partie orientale du pays.
Par exemple, la National Oceanic and Atmospheric Administration a créé Atlas 14, un atlas des précipitations qui caractérise la fréquence et l'intensité des précipitations dans le sud-ouest des États-Unis en Arizona, l'atlas est basé sur les données d'un réseau de seulement 270 pluviomètres dans tout l'état.
Les ingénieurs civils s'appuient sur des modèles statistiques pour concevoir des infrastructures et des systèmes d'eaux pluviales pour les centres urbains, en supposant que la variabilité climatique observée dans le passé restera la même à l'avenir. Cependant, des arguments théoriques suggèrent qu'un climat plus chaud peut entraîner une augmentation de la fréquence et de l'ampleur des événements météorologiques extrêmes, ce qui implique que l'infrastructure existante peut ne pas être en mesure d'atténuer les effets des fortes pluies et des inondations.
"L'inconvénient des enregistrements clairsemés et plus courts pour les analyses statistiques est que les distributions de probabilité ne sont pas assez robustes, " dit Mascaro, qui est également ingénieur de recherche au Julie Ann Wrigley Global Institute of Sustainability de l'ASU et professeur adjoint au Centre de recherche sur le climat urbain. "Il y a de l'incertitude. Je veux réduire l'incertitude dans l'estimation des extrêmes afin que nous puissions mieux planifier l'avenir."
Pour caractériser les précipitations extrêmes quotidiennes dans la région métropolitaine de Phoenix et le centre de l'Arizona, Mascaro a utilisé un ensemble de données inexploité du district de contrôle des inondations du comté de Maricopa. Le réseau comprend les enregistrements de 310 pluviomètres, dont 240 ont plus de 15 ans de données.
Mascaro a analysé ce « trésor » de données en utilisant une approche statistique alternative appelée analyse de crête sur seuil, qui augmente la quantité de données utilisées pour caractériser les événements extrêmes.
"Les gens de mon domaine disent, 'D'ACCORD, cette méthode n'est pas nouvelle, "", a déclaré Mascaro. "Mais ensuite, j'ai appliqué les récentes avancées méthodologiques qui ont été développées à l'aide des enregistrements mondiaux de précipitations à long terme pour aider à corriger les erreurs dans l'analyse de fréquence d'ensembles de données plus courts. Cela améliore la robustesse tout en limitant l'effet des petites tailles d'échantillon."
Des résultats empiriques utiles pour prévoir l'avenir
Mascaro a effectué des analyses des fortes précipitations dans la région métropolitaine de Phoenix et le centre de l'Arizona, annuellement et saisonnièrement. Pour l'analyse saisonnière, Mascaro représentait la mousson d'été de l'Arizona de juillet à septembre et la saison d'hiver de novembre à mars. Il a estimé les paramètres d'une distribution statistique, appelée distribution de Pareto généralisée, reproduire la fréquence des précipitations extrêmes quotidiennes.
A travers cette analyse, Mascaro a constaté que le comportement statistique des précipitations extrêmes en été diffère de celui de l'hiver. En été, les orages sont très localisés et courts, alors qu'ils sont généralement plus longs et répandus en hiver en raison des fronts froids de l'océan Pacifique.
Mascaro a également constaté que l'intensité des précipitations extrêmes quotidiennes en hiver augmente avec l'altitude. Cependant, il n'y a pas de modèles organisés de précipitations extrêmes en fonction de la latitude, longitude ou élévation pour les extrêmes d'été. Ce type d'informations permet d'affiner les modèles statistiques qui estiment la fréquence des précipitations à Phoenix et au centre de l'Arizona.
Les résultats des travaux de Mascaro sur les précipitations extrêmes quotidiennes éclairent la conception des infrastructures civiles et fournissent des outils pour évaluer la capacité des modèles climatiques à prédire les événements extrêmes. Ces méthodologies sont largement applicables à d'autres régions, y compris les zones urbaines où les enregistrements de précipitations sont de plus en plus disponibles en raison de la croissance des réseaux de pluviomètres.
Les modèles de prévision des précipitations de Mascaro seront un élément essentiel pour promouvoir la résilience urbaine et la durabilité de l'eau alors que les centres urbains sont confrontés à des défis météorologiques sans précédent avec un climat en réchauffement.
En plus d'informer les sciences du climat, Les résultats de Mascaro auront des impacts de grande envergure pour les réseaux de recherche actuellement actifs à l'ASU, tels que le Réseau de recherche sur la durabilité de la résilience urbaine aux extrêmes et le Centre de décision pour une ville du désert.
UREx SRN favorise la transition des zones urbaines contemporaines vers les villes du futur. Ces villes auront des adaptable, des infrastructures socialement équitables et écologiques qui restent résilientes même en cas d'occurrence accrue d'événements météorologiques extrêmes. Les chercheurs de l'UREx SRN analysent les extrêmes dans les zones urbaines pour déterminer comment mettre à jour les normes de conception pour l'infrastructure du futur. Les recherches de Mascaro peuvent aider à analyser l'incertitude des modèles statistiques actuels utilisés pour concevoir et exploiter les infrastructures.
Une modification des régimes pluviométriques, y compris les extrêmes, aura également un impact sur les ressources en eau de la région. Ainsi, DCDC peut utiliser les modèles de précipitations de Mascaro pour aider à faire progresser les connaissances sur la prise de décision avec incertitude dans le contexte de la durabilité de l'eau et de l'adaptation urbaine au changement climatique.
« Si nous faisons confiance à la capacité des modèles climatiques à reproduire des modèles météorologiques à grande échelle qui provoquent des précipitations extrêmes, nous pouvons quantifier comment la fréquence de ces modèles changera dans les futurs scénarios d'émissions de gaz à effet de serre, " a déclaré Mascaro. " Nous pouvons combiner ces informations avec les analyses statistiques sur les précipitations extrêmes observées par les jauges pour obtenir une prédiction plus réaliste de la future distribution des précipitations à l'échelle locale. "
