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Évaluation du potentiel des réanalyses à représenter le cycle hydrologique de surface et de leur performance en modélisation hydrologique dans la province de Québec au Canada

Sabarly, Florent (2015). Évaluation du potentiel des réanalyses à représenter le cycle hydrologique de surface et de leur performance en modélisation hydrologique dans la province de Québec au Canada. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La province de Québec au Canada possède une importante ressource en eau douce. Cette ressource constitue un intérêt considérable pour la province, notamment vis-à-vis du potentiel de production hydroélectrique qu'elle représente. La production d'une telle énergie nécessite de bien connaître le cycle hydrologique des régions et bassins versants d'intérêt. L'étude du cycle hydrologique s'effectue habituellement à travers l'analyse de données météorologiques et hydrologiques, mesurées grâce à des stations d'observation, et/ou à l’aide de la modélisation hydrologique. Cependant, la densité de stations d'observations est très inégale au Québec. En effet, de nombreuses stations recouvrent le sud de la province, tandis que le nord est fortement délaissé.

Toutefois, il existe des jeux de données alternatives possédant la particularité de recouvrir les régions d'intérêt au complet sous forme de grille, comme par exemple les données d'observations interpolées et les réanalyses. Cependant, les jeux de données interpolées sur grille peuvent présenter un niveau de représentativité météorologique discutable dans les régions où l'interpolation a été réalisée avec un nombre très réduit de stations. Les réanalyses sont générées de la même manière que les sorties d'un modèle de prévisions météorologiques, à la différence près que le modèle météorologique ne fait pas l'objet de mise à jour ni de modification durant le processus de génération des données. De plus, les réanalyses produisent des jeux de données historiques (et jusqu’à ce jour dans certains cas) à partir de l’assimilation de données d’observation issues de satellites, bateaux, ballons sondes, avions, bouées ou stations météo notamment.

Cette étude vise à évaluer le potentiel des réanalyses à représenter le cycle hydrologique de surface au Québec, et à évaluer leur performance en modélisation hydrologique sur des bassins versants du Québec. L'analyse du cycle hydrologique des réanalyses CFSR, NARR, MERRA et ERA-Interim est réalisée selon trois échelles spatiales différentes: (1) sur la totalité du Québec, (2) suivant les cinq régions climatiques de Bukovsky au Québec et (3) à l’échelle des bassins versants dans six régions hydrologiques de la province. Les résultats révèlent que chacune des réanalyses a ses propres forces et faiblesse. Globalement, ERAInterim semble présenter les précipitations les plus fiables, alors que NARR montre les résultats les moins concluants. Contrairement aux trois autres réanalyses, MERRA présente un bilan hydrologique fermé. Cependant, cette réanalyse ne distribue pas, dans les proportions attendues, la précipitation en évaporation et en ruissellement. Cette dernière caractéristique est bien respectée par CFSR, toutefois, cette réanalyse présente des précipitations bien supérieures aux trois autres.

Suite à cette étude, la performance des quatre réanalyses en modélisation hydrologique a été évaluée avec le modèle global conceptuel HSAMI. La performance a été quantifiée par l'intermédiaire du Critère de Nash-Sutcliffe sur 106 bassins versants du Québec, sur les années 1979 à 2008 et selon les six régions hydrologiques québécoises. Un total de 30 calages du modèle a été réalisé, ainsi qu'une validation avec le jeu de paramètres ayant fourni le meilleur coefficient de Nash-Sutcliffe en calage sur chaque bassin versant. Les résultats indiquent globalement une bonne capacité des réanalyses à reproduire les débits observés en rivière, notamment dans les régions nordiques du Québec, avec des coefficients de Nash-Sutcliffe allant de 0.6 à 0.9. Parmi les quatre réanalyses, ERA-Interim présente les distributions de valeurs de Nash-Sutcliffe les plus élevées, bien que sa supériorité ne soit pas statistiquement significative. Par ailleurs, les précipitations peu fiables de NARR sur le Québec influencent les performances de cette réanalyse à la baisse, et révèle donc les performances les plus faibles parmi les quatre réanalyses. MERRA et CFSR font globalement jeu égal sur les six régions hydrologiques.

En conclusion, les réanalyses montrent des résultats prometteurs, tant dans leur capacité à représenter le cycle hydrologique que dans leur performance en modélisation hydrologique. Par ailleurs, en vue de valider leur applicabilité dans le cadre d'études hydrologiques, il serait pertinent d'appuyer ces résultats en comparant les données de réanalyses directement avec des données de stations d'observations, notamment dans le nord du Québec. Finalement, il serait intéressant à l'avenir de compléter l'étude de la performance en modélisation hydrologique des réanalyses par des études similaires faisant appel à d'autre types de modèles (modèles distribués et/ou à base physique) et d'autres critères d'évaluation comme le RMSE ou des critères sur les débits extrêmes.

Résumé traduit

The province of Quebec in Canada has abundant fresh water resources. These resources represent a considerable interest for the province, including regarding the production of hydroelectricity. The production of such energy involves understanding well the hydrological cycle in regions and river basins of interest. The study of the hydrological cycle is usually carried out through the analysis of meteorological and hydrological data, measured with weather stations, and/or with the help of hydrological modelling. However, the density of weather stations is very irregular over the province of Quebec. In fact, several stations cover the south of the province, whereas they are very few in the north.

Nevertheless, there are gridded alternative datasets that cover regions of interest entirely with gridded data, such as gridded observational datasets and reanalyses. However, observational gridded datasets may reveal questionable data in regions where interpolations have been performed with a very few weather stations. Reanalyses are generated similarly as weather forecast model outputs, with the difference that they are not updated during the production data process. Moreover, reanalyses provide datasets covering the recent past (until the present day for some of them) from the assimilation of observation data measured by different devices including satellites, boats, radio soundings, aircrafts, buoys or weather stations.

The objectives of this study are to evaluate the potential of reanalyses to represent the terrestrial hydrological cycle in the province of Quebec, and to assess their performance in hydrological modelling over river basins of the province. The analysis of the hydrological cycle of the four reanalyses CFSR, NARR, MERRA and ERA-Interim is performed according to three different spatial scales: (1) over the entire province, (2) according to the five climatic regions of Bukovsky over the province, and (3) at the watershed scale, according to six hydrological regions defined beforehand. Results show that each reanalysis has its own strengths and weaknesses. Globally, ERA-Interim seems to provide the most reliable precipitation, whereas NARR presents the less conclusive results. Contrary to the three other reanalyses, MERRA shows a closed water budget. However, this reanalysis does not distribute the precipitation into runoff and evaporation according the expected amounts of water. This last aspect is well respected by CFSR, but this reanalysis also reveals the highest precipitation over the province of Quebec, among the four reanalyses.

Following this study, the performance of the four reanalyses in hydrological modelling has been evaluated with the global conceptual HSAMI model. The performance has been assessed using the Nash-Sutcliffe criteria over 106 river basins of the province of Quebec, during the 1979-2008 period, and according to the six hydrological regions. Thirty (30) calibrations have been performed, as well as one validation with the parameters that provided the best Nash-Sutcliffe criteria in calibration for each river basin. Results indicate globally a good capacity of reanalyses to reproduce the observed river discharges, including in northern regions of the province, where the Nash-Sutcliffe criteria varies from 0.6 to 0.9. Among the four reanalyses, ERA-Interim presents the highest Nash-Sutcliffe value distributions, although its superiority is not statistically significant. On the other hand, the questionable precipitation of NARR over the province of Quebec influences the performance of this reanalysis downward, and thus reveals the lowest performance among the four reanalyses. MERRA and CFSR show quite similar results over the six hydrological regions of the province.

In conclusion, reanalyses show promising results both in their potential to represent the hydrological cycle and in their performance in hydrological modelling. Moreover, in order to validate their applicability regarding hydrological studies, it is recommended to strengthen these results with additional comparisons between reanalyses data and weather stations data, especially over the northern regions of the province. Finally, it would be interesting in future studies to assess the hydrological performance of reanalyses using different types of hydrological models (distributed models, and/or physical basis) and other assessment criteria, as the RMSE or criteria based on extreme events.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie: concentration personnalisée". Bibliographie : pages 85-90.
Mots-clés libres: Eaux de surface Québec (Province) Cycle hydrologique Québec (Province) Bassins hydrographiques Québec (Province) Modèles hydrologiques Québec (Province) Bilan hydrologique. réanalyse, modélisation hydrologique, bassin versant
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Poulin, Annie
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 10 nov. 2015 21:57
Dernière modification: 10 nov. 2015 21:57
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1550

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