3.1.5 Vitesse et direction du vent de surface

Les vents de surface sont fournis sous forme de composantes zonales (est-ouest) et méridiennes (nord-sud), ou vitesse et direction du vent, afin de caractériser l’ampleur et l’orientation du mouvement de l’air. Les vents transportent la chaleur, l’humidité et les polluants dans l’atmosphère à l’échelle locale et régionale sur des échelles de temps allant de quelques minutes à plusieurs heures, voire plus, et peuvent également être considérés comme transportant leur propre quantité de mouvement et leur propre énergie cinétique par le biais du processus physique appelé « advection » Les vents sont générés par les forces de gradient de pression, des différences de pression atmosphérique (souvent dues à des différences de température horizontales) qui sont dirigées des hautes vers les basses pressions. Ces forces peuvent donner naissance à des vents sur des échelles de longueur allant de la taille des bâtiments à celle des grands systèmes de tempête. Parmi les autres forces qui influent sur l’ampleur et la direction du vent, citons le ralentissement par friction lorsque le vent passe sur les terrains accidentés, la force de Coriolis due à la rotation de la Terre et les forces centrifuges associées à l’écoulement autour des courbes. Ces différentes forces créent un champ physique pour le vent qui varie fortement dans l’espace et dans le temps. En raison de sa nature très variable, le vent représente un défi important pour la prévision météorologique et la réalisation de projections climatiques à long terme pour la planification future.

La terminologie météorologique et nautique traditionnelle identifie les vents en fonction de leur direction d’origine, par exemple, le vent de l’ouest signifie de l’ouest et vers l’est. La couche limite atmosphérique ou planétaire désigne la partie inférieure (jusqu’à environ 2 km au-dessus de la surface) de la troposphère où les effets de friction et le relief influencent fortement les vents de surface. Les vents proches de la surface sont mesurés à une hauteur standard de 10 m à l’aide d’anémomètres et de girouettes ou de manches à air situés à une distance d’au moins 10 fois la hauteur des structures adjacentes les plus hautes, afin d’éviter l’influence de fortes variations des vents (tourbillons). Il convient également de noter que des hauteurs de mesure de 100 m sont préférables pour les applications de l’industrie de l’énergie éolienne (Marcos et al., 2019). Les rafales de vent, selon Environnement et Changement climatique Canada, sont définies comme la vitesse maximale instantanée quotidienne du vent lorsque cette vitesse dépasse 30 km/h; d’autres définitions des rafales sont définies pour différentes juridictions et applications scientifiques (par exemple, Cheng et al., 2014).

Les vents ont un impact important sur les environnements naturels et artificiels :

• Aux hautes latitudes, les vents peuvent façonner le paysage de glace et de neige, créant des formes de relief distinctives par l’érosion et le dépôt éoliens, avec des implications pour la navigation et l’inondation et le déplacement des côtes. Les données sur les vents sont importantes pour la prévision et l’analyse des mouvements observés et simulés de la glace de mer, de la hauteur des vagues océaniques, (Vavrus et Alkama, 2021), et pour la caractérisation des vents de surface extrêmes associés à des phénomènes tels que les rivières atmosphériques qui touchent terre (Pagano et al., 2021; Li et al., 2022) leurs impacts sur les écosystèmes terrestres et marins.
• Le vent est un danger important pour l’aviation; les données relatives au vent sont donc également importantes pour l’exploitation et la sécurité des aéroports. (Leung et al., 2020). Une description complète des vents locaux et régionaux et de leurs implications pour l’aviation dans l’Arctique canadien se trouve dans le manuel sur les connaissances météorologiques pour l’aviation dans les zones locales du Nunavut et de l’Arctique (Hudson et al., 2003).
• Les vents représentent un facteur de conception important pour les infrastructures construites, qui sont conçues pour résister aux vitesses maximales du vent et aux charges associées. Les considérations relatives à la charge du vent pour les exigences de conception des bâtiments canadiens sont décrites dans Hong et al. (2014), y compris les ajustements de la hauteur de l’anémomètre, l’ajustement approprié de la distribution et l’influence locale de la topographie.
• Les vents, à travers la production d’énergie éolienne, représentent également un facteur économique potentiellement important dans la production d’énergie durable. Les applications spécifiques dans les régions de haute latitude comprennent : l’évaluation des sites optimaux pour les projets d’énergie éolienne, tels qu’ils sont décrits dans l’inventaire panterritorial canadien axé sur les énergies renouvelables pour le Nunavut, le Yukon, et les Territoires du Nord-Ouest et, au Groenland, en tenant compte du potentiel éolien et de la mise en œuvre comme à Qaanaaq (Kreier, 2022).
• Les vents affectent la dispersion des graines associée à l’expansion des arbustes arctiques (Liu et al., 2022) et les risques liés au transport atmosphérique associés à la dégradation du pergélisol en réponse au réchauffement climatique mondial et à l’amplification de l’Arctique (Miner et al., 2021).

Les données sur les vents pour le Nord canadien existent sous plusieurs formes, notamment sous forme de données de station (SMC/ECCC, DCCAH, Hydro Québec), de données maillées (PNUE-WCMC, PCIC et RNCan) et de produits de réanalyse (globale (ECMWF ERA5, NCEP CFSR, NASA MERRA2, JMA 20CRv3); régionaux (ASRv2, NARR, RDRSv2, ERA5-land); corrigés ou interpolés (AgERA, AgCFSR, AgMERAA, GMFD, CRU JRAv2. 1, S14FD); opérationnels (ECOA, vents historiques simulés du CCCE).

Un produit historique canadien unique, l’Atlas canadien du Vent, a été créé en 2004 pour des applications dans l’industrie de l’énergie éolienne, et consiste en des outils dérivés de vents simulés à haute résolution générés à l’aide d’une méthode de réduction d’échelle statistique-dynamique appliquée aux données de réanalyse NCEP/NCAR pour la période 2008-2010. Plus récemment, l’Atlas mondial des ressources éoliennes, initialement lancé en 2015, présente des outils similaires, utilisant la réduction d’échelle du climat de réanalyse à grande échelle avec une modélisation à méso-échelle et à micro-échelle appliquée aux vents de réanalyse ERA5 pour la période 2008-2018.

Les applications de visualisation des vents telles que windy.com et nullschool.net complètent les connaissances traditionnelles des conditions météorologiques et climatiques locales (Simonee et al., 2021) et constituent une ressource éducative pour la compréhension des événements météorologiques et climatiques locaux. L’importance de combiner les connaissances et l’expérience locales et communautaires avec les observations de vent en station dans l’Arctique canadien est soulignée dans Gearheard et al. (2009), qui documente les divergences entre les observations de vents enregistrées par les données de la station et celles vécues par les résidents de Clyde River.

Le tableau 3.8 présente un résumé des ensembles de données disponibles.

Ce qui suit résume les points à considérer lors de la sélection d’un ensemble de données pour les analyses climatiques historiques du vent dans le Nord du Canada:

a) Données de station et données sur grille

Les données de station révèlent que les vents de surface dans l’Arctique représentent de 30 à 60 % des vitesses du gradient de pression régional en hiver et de 60 à 70 % en été, en raison des différences saisonnières dans le frottement près de la surface et dans la stabilité statique atmosphérique plus faible (Bilello, 1973). Les effets topographiques locaux, avec des implications pour les reanalyses et les simulations, sont également présentes. Des comparaisons de mesures de vent entre la côte et le large dans le sud-est de la baie d’Hudson à l’aide de données provenant de stations côtières et terrestres (Larouche, 1990) ont montré des vents plus forts au large en hiver (jusqu’à 29 % plus élevés qu’à la côte), dont l’ampleur était régie par l’orientation du vent en raison des caractéristiques orographiques. Il a également été noté que ces valeurs sont inférieures à celles de l’été (~65 % plus élevées que sur la côte) en raison de la réduction du frottement sur l’eau libre en été par rapport à la glace de mer en hiver. En revanche, une étude récente des vents dans le détroit de Nares montre que les données de la station de l’île Hans captent les vents dans tout le détroit de Nares en raison de la nature abrupte et étroite du chenal qui favorise un flux bidirectionnel (Moore, 2021), et donc qu’en raison de la nature de la topographie dans cette région, la station de l’île Hans offre des capacités de surveillance suffisantes pour les conditions de vent locales et régionales.

Il a été démontré que l’homogénéisation des données des stations permet d’améliorer les estimations des tendances régionales (de 1953 à 2006) des vitesses du vent de surface (Wan et al., 2010). Dans cette étude, les données de 117 sites ont été ajustées/normalisées et homogénéisées afin de tenir compte des divergences/discontinuités dues aux différences de hauteur des anémomètres (par rapport à la norme de 10 m), aux changements d’emplacement de la station et du type d’instrument, et au mauvais fonctionnement des instruments dans l’Arctique canadien. Cependant, les évaluations climatologiques (1971 - 2010) de la vitesse du vent à partir des données des stations aéroportuaires (non homogénéisées) dans six communautés de la région du Labrador et de la baie d’Hudson dans le contexte de l’aviation (Leung et al., 2022) ont trouvé des valeurs moyennes saisonnières de la vitesse du vent légèrement plus élevées que celles trouvées à partir des données mensuelles homogénéisées dans Wan et al. (2010) dans cinq des six communautés, avec des différences supplémentaires dans les tendances calculées à partir des deux ensembles de données. L’augmentation observée du nombre de jours où les vents moyens ont dépassé le seuil de 18,5 km/h, au-delà duquel les avions doivent voler dans les vents contraires que l’on trouve dans les communautés côtières, a souligné la nécessité de mieux comprendre les changements de direction des vents dominants dans un climat changeant, en tenant compte de l’alignement des pistes d’aéroport et de la rencontre des avions avec les vents de travers. Des études récentes documentant le développement d’ensembles homogénéisés de données quotidiennes de rafales de vent de pointe provenant de 127 stations météorologiques en Scandinavie, classées selon les processus physiques côtiers, internes ou montagneux, soulignent la nécessité d’une modélisation à haute résolution (réduction d’échelle dynamique) pour saisir ces événements. Par exemple, des modèles climatiques régionaux à plus haute résolution (aussi fins que plusieurs km pour les modèles capables de capturer la convection et les nuages) sont nécessaires pour capturer avec précision les rafales de vent pour les régions internes et montagneuses (Minola et al., 2021).

La comparaison des mesures météorologiques effectuées au cours de la campagne de terrain d’août-septembre 2018 sur le brise-glace suédois Oden avec des campagnes antérieures couvrant plusieurs décennies dans le centre de l’océan Arctique (Vullers et al., 2021) a démontré des conditions de vent de surface comparables, à l’exception de vitesses de vent accrues lors du passage de tempêtes ou de centres de basse pression, et des différences de stabilité atmosphérique et de structure verticale, également liées à une augmentation des tempêtes en 2018. Cette étude souligne l’importance de la combinaison des données de vent des navires, des stations et des réanalyses pour les études de processus et l’amélioration de la compréhension du couplage glace-océan pertinent pour la prévision et la prédiction, ainsi que les exigences futures en matière d’observation dans un Arctique de plus en plus imprévisible et un climat changeant.

Figure xx. Carte de la moyenne climatologique saisonnière (1953 - 2006) pour les vitesses de vent aux emplacements des stations canadiennes. Les petits, moyens et grands points indiquent les vitesses moyennes du vent inférieures à 10 km/h, de 10 à 20 km/h et supérieures à 20 km/h, respectivement. Tiré de Wan et al. (2010).

Les différences saisonnières dans les données des stations météorologiques côtières et extracôtières, en particulier dans les régions à topographie variable (Larouche, 1990), et les études d’observation et de modélisation soulignant la nécessité d’une résolution plus élevée des modèles pour saisir avec précision les vents locaux (Moore, 2021), mettent en évidence la nécessité de disposer d’un plus grand nombre de stations de surveillance météorologique dans le nord du Canada, pour des études fondées sur des applications et des études communautaires. Les analyses climatologiques et de tendances nécessitent l’utilisation de données homogénéisées pour tenir compte des différences de hauteur des anémomètres et des changements de localisation des stations et des instruments; il faut toutefois faire preuve de prudence lors de l’évaluation des tendances climatologiques régionales. Wan et al. (2010) soulignent la nécessité de disposer de données locales de haute qualité sur les vents, comme celles requises pour les applications agricoles et les codes de construction, plutôt que de géo-ventes à moyenne spatiale caractéristiques des forces de gradient de pression régionales.

a) Données opérationnelles et réanalyses

Les réanalyses fournissent un ensemble de données spatialement et temporellement continu dérivé de l’incorporation d’observations faiblement distribuées dans les systèmes de prévision et de modélisation (Bromwich et al., 2015). Des comparaisons récentes de données sur les vents de surface démontrent les avantages et les limites de certains ensembles de données de réanalyse dans les régions arctiques (Decker et al., 2012; Bromwich et al., 2016; Moore et al., 2016; Bromwich et al., 2018; Oh et al., 2020; Deng et al., 2021; Moore, 2021). Des comparaisons antérieures de produits de réanalyse avec des observations de tours de flux dans l’Arctique ont démontré qu’ERA-Interim et le système Global Land Data Assimilation se classaient au premier rang parmi les produits de réanalyse pour ce qui est de la saisie des vitesses du vent près de la surface et de leur variabilité (Decker et al., 2012). Bromwich et al. (2016) ont en outre montré que l’ensemble de données de réanalyse du système arctique (ASR) saisit avec plus de précision les processus de méso-échelle de l’Arctique et les caractéristiques d’échelle locale telles que les vents de surface et le courant catabatique (en aval) dans le sud-est du Groenland, en raison des améliorations apportées à l’assimilation des observations de l’Arctique dans un cadre de modélisation d’observation à plus haute résolution, par rapport aux autres produits de réanalyse (Moore, 2016). En outre, l’examen de la distribution spatiale du biais du vent de surface montre des valeurs plus faibles dans ASRv2 par rapport à ASRv1, le biais le plus important pour les deux dans les régions montagneuses étant attribué aux variations du terrain à des échelles inférieures à 15 km.

Figure xx. Carte de biais du vent de surface pour ASRv2 (à gauche) et ERA-Interim (à droite) aux emplacements des stations pour la période 2000 à 2010, montrant un biais principalement plus faible dans le premier cas avec des limitations régionales liées à la topographie. Tiré de Bromwich et al. (2018).

Dans le bassin de l’océan Arctique, l’examen des forces et des faiblesses de six produits de réanalyse sur la glace de mer arctique a montré qu’ERA5 était le produit préféré pour les vitesses de vent à 10 m en hiver et au printemps, et MERRA2 en été, selon un score dérivé du biais, des corrélations et de l’erreur quadratique moyenne combinés sur la base de comparaisons avec des observations recueillies le long des trajectoires de dérive de janvier à juin 2015 au nord du Svalbard pendant la campagne norvégienne sur la glace de mer jeune (N-ICE2015) (Graham et al., 2019). Les analyses régionales des vents de surface basées sur des stations de surveillance à long terme dans la région de la mer de Beaufort/Chukchi de 1979 à 2009 documentent des différences saisonnières dans les tendances de la vitesse des vents côtiers et internes, en plus de l’augmentation des vitesses des vents côtiers et de la diminution des vitesses des vents internes (Baule et Shulsky, 2014). Cette étude a également montré que les vents NARR sous-estiment (surestiment) les vitesses des vents côtiers (intérieurs) et ne rendent pas compte des tendances à long terme évidentes dans les mesures des stations de surveillance. Des études récentes démontrent que les vitesses maximales du vent près de la surface liées aux cyclones dans la réanalyse ERA-Interim sont inférieures à celles de la réanalyse NCEP en raison d’une représentation plus réaliste des processus de friction associés à un produit à plus haute résolution (Oh et al., 2020).

Ces résultats sont cohérents avec l’étude globale de Ramon et al. (2019) montrant qu’ERA5 fournit la représentation la plus précise des vents de surface et de la variabilité interannuelle sur des échelles de temps quotidiennes, avec une gamme significative parmi les valeurs de vitesse de vent de surface de la réanalyse aux latitudes plus élevées et aucun classement ou préférence particulière dans la représentativité sur des échelles de temps saisonnières. Moore (2021) a en outre montré que dans un système d’assimilation de données de réanalyse commun/partagé, une résolution de modèle d’environ 9 km est nécessaire pour saisir avec précision les vents dans le détroit de Nares, une région où l’exportation de la glace de mer est importante sur plusieurs années et qui est régie par la canalisation topographique, l’analyse opérationnelle du CEPMMT (ECOA) satisfaisant à cette exigence. Dans ce cas, il a été démontré que les produits de réanalyse d’ensemble ERA5 (60 km) et ERA5 (30 km) sous-estimaient les mesures des stations météorologiques de vent de surface (vitesse et direction du vent) à l’île Hans, contrairement à ECOA (9 km) pour la période considérée de septembre 2014 à 2020. Il a toutefois également été relevé que les vents ECOA sous-estimaient les vitesses maximales et différaient quelque peu de l’orientation observée. Étant donné que les produits de réanalyse tels que ERA5 fournissent une mauvaise estimation des vitesses du vent le long de la côte et dans les régions présentant des variations importantes dans l’utilisation des terres et la topographie, cela suggère l’intérêt des produits de réanalyse régionaux à plus haute résolution ou des modèles de prévision numérique du temps (Gualtieri, 2021) dans ces régions.

Bien que des études aient comparé les vents extrêmes de l’Arctique provenant de simulations avec des réanalyses comme « vérité », il n’est pas clair si l’un des produits de réanalyse disponibles capture les rafales de vent observées dans l’Arctique et/ou les événements de vent extrême pour les échelles de temps considérées. L’analyse statistique des distributions des vitesses de vent extrêmes des réanalyses et du modèle de recherche et des prévisions météorologiques (WRF) dans l’Arctique a mis en évidence le rôle des données de vent sur grille à haute résolution dans la capture des vents extrêmes associés à/régis par les dépressions polaires et le terrain, avec des implications pour les caractérisations des flux près de la limite de la glace de mer (Hughes et Cassano, 2015). Cependant, en l’absence d’observations, la performance relative des produits sur grille n’a pas pu être évaluée. Sharp et al. (2015) notent que le CFSR, sur la base d’une comparaison avec des mesures in situ, fournit une estimation raisonnable des vents onshore/offshore au Royaume-Uni, précisant également que MERRA et CFSR capturent les vents extrêmes en raison de leur résolution temporelle horaire, bien qu’il puisse ne pas en être de même à des latitudes plus élevées. Il a également été relevé que, bien que le CFSR reflète les vitesses du vent de surface sur une diversité de surfaces, la précision se détériore avec l’augmentation de l’altitude, ce qui est pertinent pour les régions à haut relief du Nord canadien.

Kislov et Platonov (2019) ont étudié les vents extrêmes observés et simulés dans le domaine subarctique du Pacifique Nord-Est à l’aide d’ensembles de données indépendants et ont constaté, sur la base d’une évaluation statistique des distributions de vent, que les modèles de circulation atmosphérique responsables des événements de vent extrême sont capturés par une résolution de modèle de ~13,2 km, contrairement aux produits de réanalyse de plus faible résolution. L’analyse des extrêmes climatiques en Amérique du Nord dans les produits de réanalyse (Avila-Diaz et al., 2021) démontre également que les modèles ASRv2 et ERA5 saisissent et fournissent une représentation plus réaliste des événements extrêmes caractérisés par des indices liés à la température et aux précipitations sur une période de 40 ans; les vents et la dynamique n’ont toutefois pas été inclus dans cette étude.

L’importance des vents pour caractériser et prévoir avec précision la perte de glace de mer dans l’Arctique, et l’étendue minimale de la glace de mer en particulier, est encore soulignée dans une étude récente qui documente les biais des modèles qui empêchent une prévision précise de l’étendue saisonnière de la glace de mer. Cela vient appuyer la reconnaissance continue du fait que les vents observés sont essentiels pour comprendre et prévoir les changements dans l’Arctique à l’échelle régionale et locale (Stroeve et al., 2007; Stroeve et al., 2012; Roach et Blanchard-Wigglesworth, 2022).

Comme indiqué dans Bromwich et al. (2018), les limites des produits de réanalyse comprennent la sensibilité aux changements du système d’observation, les tendances artificielles dues à l’introduction de nouveaux ensembles de données d’observation, l’hétérogénéité spatiale et temporelle des ensembles de données d’observation incorporés dans le système d’assimilation des données, et les biais des modèles de prévision utilisés pour élaborer les produits de réanalyse. Sur la base de comparaisons limitées par le domaine spatial et l’intervalle de temps considérés pour des campagnes de terrain sélectionnées/disponibles de manière opportuniste, les produits de réanalyse à plus haute résolution tels que ECOA (~9 km) fournissent une estimation raisonnable des vents de surface dans les régions régies par la topographie et les variations de terrain, bien que pour une période relativement restreinte à partir de 2016. D’autre part, les produits de réanalyse basés sur le CEPMMT (ERA5) fournissent l’estimation la plus réaliste des vents de surface en hiver et en été, et MERRA2 en été au-dessus de la glace de mer arctique, depuis 1980.

Comme il est souligné tout au long de ce rapport, pour toutes les études sur le Nord canadien, une suite de produits (données de station, réanalyse et ensembles de données hybrides) devrait être utilisée, en particulier pour évaluer les vents régis par les conditions locales, pour des applications spécifiques.

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