Spatial and temporal hydrological variability of the Mississippi River watershed: response to climate fluctuations vs. physical environment changes
Analyse spatio-temporelle de la variabilité hydrologique du bassin versant du Mississippi : rôle des fluctuations climatiques et déduction de l'impact des modifications du milieu physique
Résumé
Great River watersheds, as the Mississippi River in North America, integrate climate and environmental changes (climate fluctuations, precipitations, streamflow, sediment loads) at near continent scale, as well as anthropogenic changes in physical environment (land uses, river management...) in their hydrologic response, which makes sometimes difficult the identification of linkages between hydrological and climate variability. The main objectives of this work is to determine and quantify the relationships between hydrological variability and climate fluctuations (regionalized precipitations, climate indices) of the Mississippi River and its main tributaries, using spectral approaches adapted to (the study of non-stationary processes (continuous wavelet transform, wavelet coherence). Hydrological variability of the Mississippi River and its main tributaries is structured by several scales of variability, from annual to inter-annual (2-4y, 3-6y, 5-8y), decadal (8-16y, 12-16y) and multi-decadal scales (22y, 22-26y). These modes of streamflow variability are very similar to those observed in regionalized precipitations (mean coherency is estimated from 77% to 89% according to the sub-watershed), and operates at same time-scales variability of the main climate fluctuations affecting this region (ENSO, PDO, AMO, NAO, NAM et PNA), preliminary identified and synthesized using an similar methodology. Streamflow variability of the Mississippi River watershed appears influenced by several teleconnections (mean coherency of 63% to 66% with all climate indices), which operate at different spatial and temporal scales and change across time. Furthermore and not surprisingly, the hydrological variability of the Mississippi River and its main tributaries appears to be closely linked to a major shift in the climate system - as well as many other hydrosystems around the world - observed at global scale around 1970. This change would result in an increase in both streamflow mean and variance, as highlighted by changes in the spectral content of climate and hydrological parameters. In this way, a so-called "hydroclimatic" index was proposed in order to resume all those characteristics of the climate system that would imprint the typical scales of variability detected in the hydrological processes analyzed according to each sub-watershed. Finally, even if the majority of hydrological parameters appears strongly affected by climate parameters, others factors such as changes in physical environment (land use, river management...) could also significantly influence hydrological parameters (e.g. low and high streamflow). We could detect such human-induced changes in the variability of suspended sediment loads and show that it involved a decrease in suspended sediment loads up to 2,25.108 metric t.y-1 between 1950 and 1975 using a spectral modelling approach. However, the influence of these physical environmental changes in hydrology would be associated to trends or to very localized changes in space and time, rather than associated to the existence of oscillations in hydrological parameters as we could detect them. We then conclude that, despite the potential strong influence of environmental changes, climate fluctuations remain the main factor involved in the observed hydrological changes.
Les grands bassins versants d'échelle continentale, comme le Mississippi, intègrent la réponse hydrologique aux changements climatiques et environnementaux (fluctuations du climat, précipitations, débits, flux sédimentaires) à de larges échelles spatiales et temporelles, mais également les modifications du milieu physique d'origine anthropique (changements d'occupation des sols, aménagements...), ce qui rend parfois difficile l'identification des liens entre la variabilité hydrologique et la variabilité climatique. Les principaux objectifs de ce travail sont de déterminer et de quantifier les relations entre la variabilité hydrologique et les fluctuations du climat (précipitations régionalisées, indices climatiques) à l'échelle du bassin versant du Mississippi et de ses principaux sous-bassins ; via l'utilisation de méthodes d'analyses spectrales adaptées à l'étude des processus instationnaires (analyse en ondelettes continues, analyse de la cohérence par ondelettes). La variabilité hydrologique du Mississippi et de ses principaux affluents est structurée par plusieurs modes de variabilité, s'exprimant de l'échelle annuelle aux échelles inter-annuelle (2-4 ans, 3-6 ans, 5-8 ans), décennale (8-16 ans, 12-16 ans) et à plus long terme (22 ans, 22-26 ans). Ces modes de variabilité sont fortement similaires à ceux observés dans les précipitations (avec une cohérence moyenne de 77% à 89% selon les sous-bassins), et opèrent aux mêmes échelles de temps que la variabilité des principales fluctuations du climat affectant la région (ENSO, PDO, AMO, NAO, NAM et PNA), préalablement identifiés et synthétisés par une méthodologie similaire. La variabilité des débits du bassin versant du Mississippi se trouve influencée par un ensemble de téléconnections (cohérence de 63% à 66% en moyenne avec l'ensemble des indices climatiques), opérant toutefois à différentes échelles spatiales et temporelles, et qui évoluent au cours du temps (relations à divers degrés suivant les différentes échelles de temps, le mode de variabilité du climat mis en jeu et le sous-bassin versant considéré). De plus, la variabilité hydrologique du Mississippi et de ses principaux affluents s'inscrit plus largement dans le cadre d'une rupture majeure du système climatique et des systèmes hydrologiques à l'échelle globale observée vers 1970, qui se traduit notamment par une augmentation et une plus forte variabilité des débits, ainsi que des changements de la composition spectrale des paramètres hydrologiques et climatiques. En ce sens, la construction d'un indice " hydro climatique unifié " à été proposée en reprenant l'ensemble des caractéristiques globales du système climatique et celles plus spécifiques à l'échelle régionale (échelle des sous bassins versants). Enfin, même si la majorité des paramètres hydrologiques se trouve apparemment très fortement liée par les paramètres climatiques, d'autres facteurs, comme les modifications du milieu physique (occupation des sols, aménagements...), peuvent avoir une influence non négligeable sur l'évolution de certains paramètres hydrologiques (hauts et bas débits), mais qui serait beaucoup plus localisée dans le temps et dans l'espace (i.e., elle ne serait pas associée à l'existence d'oscillations dans l'hydrologie). A l'exception des flux hydrosédimentaires, marqués par de profonds changements qui ont pu être reliés aux aménagements du bassin versant et quantifiés par une méthodologie de modélisation spectrale (diminution des flux de sédiments en suspension exportés à l'exutoire d'environ 2,25.10^8 t.an-1 sur la période 1950-1975), ces influences apparaissent spatialement localisées, et restent difficiles à caractériser. Outre leurs faibles contributions, ceci provient également du fait que ces modifications du milieu physique agissent simultanément avec d'autres facteurs pouvant modifier la réponse hydrologique, comme les changements observés dans le climat, qui reste le facteur principal des changements observés.
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