RESUME / ABSTRACT  


Les rapports neige/eau liquide au Québec


par


Ivan Dubé




La densité de la neige (ou le rapport neige/eau liquide) est un paramètre auquel relativement peu d'importance a été accordée au niveau de la météorologie opérationnelle. L'application automatique d'un facteur de conversion « 10 :1 » (autant par les prévisionnistes du SMC que dans l'interface SCRIBE) pour passer du QPF (en mm) à une accumulation de neige (en cm) en constitue une preuve flagrante. Pourtant, la densité de la neige est bel et bien un paramètre essentiel dans plusieurs champs d'activités. On n'a qu'à penser aux impacts de la densité sur le déneigement, le transport, la construction, les avalanches et l'hydrologie (prévisions de crues, gestion des réservoirs, érosion, etc.). Les besoins en termes de prévisions météorologiques spécialisées sont grandissants dans ces domaines, où les impacts socio-économiques sont importants. Il nous faut donc reconnaître dès maintenant la nécessité de développer des méthodes fiables et efficaces afin que l'on puisse diagnostiquer et prévoir la densité de la neige dans un avenir rapproché.

Les principaux objectifs de cette étude consistent à sensibiliser les météorologistes à cette problématique ainsi qu'à leur fournir des outils opérationnels de diagnostic/pronostic appropriés et efficaces.

Pour ce faire, une étude climatologique des rapports neige/eau liquide basée sur près de 500 chutes de neige réparties sur 8 sites d'observations couvrant une bonne partie du territoire québécois a été effectuée. Puis, l'ensemble des informations théoriques associées à la densité de la neige ont été recueillies, incluant la microphysique des nuages et des précipitations, afin d'identifier les processus physiques qui déterminent la densité. Les principaux sont : la forme et la dimension des cristaux, l'accrétion, l'agrégation, la fragmentation et les changements de phase (fonte/sublimation/congélation). Ces processus dépendent fortement de divers paramètres météorologiques tels que les profils de température et d'humidité ainsi que les vents et le mouvement vertical. De plus, les impacts respectifs de ces processus sur la densité de la neige dépendent fortement du type de cristaux de neige (étoiles, plaquettes, colonnes, aiguilles, etc.).

Les résultats de l'étude climatologique ont ensuite été interprétés en fonction de la théorie. D'autres études climatologiques ont aussi été examinées pour fins de validation. Il en résulte une très bonne concordance entre la théorie et la climatologie, ce qui nous confirme leur utilité dans le développement de nouveaux outils de prévision de la densité.

Après énumération des conditions favorables et défavorables aux densités faibles/élevées, diverses techniques de diagnostic/pronostic existantes ont été évaluées et de nouveaux outils sont proposés. Un algorithme de prévision incorporant tous les paramètres et phénomènes en cause et tenant compte de leurs impacts respectifs selon le type cristallin a été développé. Cet algorithme permet de diagnostiquer la neige en 5 catégories (très lourde, lourde, ordinaire, légère et très légère), auxquelles on associe un rapport neige/eau (ou facteur de conversion) moyen (4, 7, 10, 15, 20 respectivement).

Puis, un lien est établi entre la densité de la neige et la probabilité d'observer de la poudrerie généralisée. Cela a pu être démontré à l'aide de plusieurs cas. Suivent une série de recommandations ayant pour but l'amélioration de nos prévisions d'accumulation de neige, de poudrerie et à caractère hydrologique.

Finalement, le futur de ce projet est discuté : vérification, utilisation opérationnelle et automatisation de l'algorithme, intégration d^Òun champ de densité dans les modèles numériques et dans SCRIBE, étude détaillée sur la poudrerie, adaptation de nos prévisions spécialisées et création de nouveaux produits.


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STUDY ON SNOW/LIQUID RATIOS OVER QUÉBEC



Snowfall density (or the snow/liquid ratio) is a parameter which has been somewhat neglected by the meteorological community. The systematic use of the «10 to 1» rule (by MSC forecasters as well as within the SCRIBE interface) to convert the QPF (in mm) into snow accumulations (in cm) is a good proof of that fact. However, snow density is important or even essential in many sectors or applications (e.g.: snow removal, transportation, construction, avalanche & hydrological forecasting, ...). The need for specialized precipitation forecasts is increasing so we should recognize the necessity to develop efficient ways of forecasting snowfall density in the near future.

The main objectives of this study were to develop awareness of this problem among forecasters and also prepare them (through training and by providing new and adequate forecast tools) to face existing and upcoming challenges with respect to precipitation forecasting.

To do so, a climatological study of snow/liquid ratios based on near 500 events over 8 observing sites has been performed. Then, all the theoritical information available on the subject (including cloud and precipitation microphysics) was used to identify the various physical processes which determine snow density : ice-crystal growth (shape and size), accretion, aggregation, fragmentation and change of phase (melting, sublimation, freezing). These processes are strongly dependent on several meteorological parameters such as : temperature profile, relative humidity profile, vertical motion, low-level winds and ground temperature. They also depend on the crystal type (dendrites, plates, columns, needles etc.).

Existing diagnosis/forecast techniques were evaluated and found incomplete and inadequate. Several new tools have been proposed, leading to the development of a snow/liquid ratio forecast algorithm. This algorithm includes all processes and parameters involved and considers their specific impact with respect to each crystal type. It gives us the ability to diagnose snowfalls among 5 snow categories (very heavy, heavy, average, light, very light), to which are associated a mean snow/liquid ratio, or conversion factor (4, 7, 10, 15, 20).

Beyond snow accumulations, other aspects of weather forecasting related to snow density were studied. For example, it was found that the potential for severe blowing snow events increases significantly after low-density snowfalls (high snow/liquid ratios). Some « rules of thumb » involving the blowing snow occurrence as a function of wind speed and snow density were developed. Suggestions were also made in order to improve snow accumulation, hydrological and blowing snow forecasts.

Future developments include: verification, operational use and automation of the forecast algorithm, completion of the climatology (northern Québec and the rest of Canada ?), follow-up on blowing snow (including wind direction and site-specific statistical information), integration of snow density (and therefore adequate water equivalent-snow conversion) into numerical models and finally, adaptation of existing specialized forecasts and creation of new ones.

Results from our climatological study and several others were then analysed and compared with theory. A good agreement was found between theory and observations, which confirms their usefulness in the development of new forecast tools.