On the physical processes associated with the water budget and discharge of the Mackenzie basin during the 1994/95 water year

Abstract

The Mackenzie River basin water budget and its discharge are investigated using the Canadian Meteorological Centre's Regional Finite Element/Global Environmental Multiscale (RFE/GEM) model‐based analyses and observations. A comprehensive water budget analysis for the Mackenzie basin illustrates that the annual convergence of moisture flux over the region is positive, and that the moisture available for precipitation originates mainly from moisture transport across the south‐west and north‐west boundaries of the basin. In the summer, however, the basin's moisture supply comes mainly from local evaporation.

It is found that major atmospheric forcings for discharge are predominantly determined by 1) the nature of the circulation systems and the availability of moisture, and 2) the alteration of moisture gradients through horizontal twisting by the wind fields. The second process is dominant over most of the 1994/95 water year. The basin scale discharge in the autumn (spring) is, to a large extent, related to cyclonic (anticyclonic) circulation systems through moisture redistribution. This occurs due to the horizontal twisting of moisture gradients by the wind fields and the corresponding moisture advection with horizontally‐twisted moisture gradients.

Over the southern Beaufort Sea, the overall storm frequency in the 1994/95 water year was very low compared with its climatology (Hudak and Young, this issue). However, this region was subjected to the highest percentage of Pacific‐origin storms on record during the 1994/95 water year. Synoptic scale weather systems associated with major snowfall and critical spring snowmelt events in the 1994/1995 water year are also examined. Results show that one particular storm in the autumn of 1994 produced much of the initial snowfall for the basin and it was associated with a deep low pressure system providing a great deal of moisture flux into the basin through its western boundaries. It is also shown that a rapid spring snowmelt event in April 1995 was associated with a shallow high pressure system. The descending motion associated with this high pressure system and strong horizontal advection induced by a south‐easterly low‐level jet were two major elements that contributed to the rapid heating of the basin surface and the subsequent rapid melting of the snow. This unusual snowmelt event was a contributing factor to the annual discharge peak being earlier than normal.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Le bilan hydrique du bassin du fleuve Mackenzie et son débit sont étudiés en utilisant les observations et les analyses basées sur le modèle régional aux éléments finis / global environnemental multiéchelle (RFE/GEM) du Centre météorologique canadien. Une analyse approfondie du bilan hydrique pour le bassin du Mackenzie montre que la convergence annuelle du flux d'humidité au‐dessus de la région est positive et que l'humidité disponible pour les précipitations provient principalement du transport d'humidité à travers les frontières sud‐ouest et nord‐ouest du bassin. En été, cependant, l'approvisionnement en humidité du bassin provient principalement de l'évaporation locale.

On constate que les principaux forçages atmosphériques pour le débit sont déterminés de façon prépondérante par 1) la nature des systèmes de circulation et la disponibilité de l'humidité et 2) la modification des gradients d'humidité par la déformation horizontale due aux champs de vent. Le deuxième processus a dominé au cours de l'ensemble de l'année hydrologique 1994–1995. Le débit à l'échelle du bassin en automne (printemps) dépend, en grande partie, des systèmes de circulation cycloniques (anticycloniques) par la redistribution d'humidité. Ceci se produit à cause de la déformation horizontale des gradients d'humidité due aux champs de vent et de l'advection correspondante d'humidité avec les gradients d'humidité déformés horizontalement.

Au‐dessus de la partie sud de la mer de Beaufort, la fréquence globale des tempêtes durant l'année hydrologique 1994–1995 a été très basse comparativement à sa climatologie (Hudak et Young, dans ce numéro). Toutefois, cette région a été soumise au plus fort pourcentage jamais observé de tempêtes d'origine du Pacifique au cours de l'année hydrologique 1994–1995. Les systèmes météorologiques d'échelle synoptique associés aux principales chutes de neige et aux événements critiques de fonte printanière de la neige durant l'année hydrologique 1994–1995 ont également été examinés. Les résultats démontrent qu'une tempête spécifique à l'automne 1994 a produit la majeure partie des chutes de neige initiales dans le bassin et qu'elle était associée à un système de basse pression prononcé, ce qui a occasionné un important flux d'humidité sur le bassin à travers ses frontières ouest. Il est également démontré qu'un événement de fonte printanière rapide en avril 1995 était associé à un système superficiel de haute pression. L'écoulement descendant associé avec ce système de haute pression et la forte advection horizontale induite par un courant‐jet à basse altitude du sud‐est ont été les deux éléments majeurs qui ont contribué au réchauffement rapide de la surface du bassin et à la fonte rapide subséquente de la neige. Cet événement inhabituel de fonte de neige a grandement contribué à ce que le debit annuel maximal se produise plus hâtivement que normalement.

Notes

Corresponding author's e‐mail: [email protected]; current affiliation – Meteorological Service of Canada, Burlington ON.