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Potentiel des données de précipitation et température des réanalyses atmosphériques en modélisation hydrologique

Essou, Gilles René Comlan (2016). Potentiel des données de précipitation et température des réanalyses atmosphériques en modélisation hydrologique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La faible couverture spatiale des stations météorologiques dans plusieurs régions au monde limite la capacité des modèles hydrologiques à simuler les débits en rivière.

L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel des réanalyses atmosphériques comme alternative aux stations météorologiques afin de pallier le déficit d’information dans les régions où ces stations sont clairsemées ou inexistantes. Pour ce faire, des données de précipitation et température de trois réanalyses atmosphériques globales récentes (ERAIntérim, CFSR et MERRA) ont été utilisées comme intrants météorologiques d’un modèle hydrologique pour simuler des débits moyens journaliers provenant de plus de 800 bassins versants situés dans différentes régions climatiques aux USA et au Canada.

Dans un premier temps, une pré-validation de jeux de données de précipitation et température des réanalyses a été faite en les comparant à des jeux de données d’observation à travers les USA, où la couverture spatiale des stations météorologiques est élevée. Chacun des jeux de données a ensuite été utilisé pour caler un modèle hydrologique et pour simuler des débits moyens journaliers provenant de 370 bassins versants aux USA. Les résultats ont montré que la température des réanalyses était similaire à celle des observations sur la majeure partie des USA. Par contre, la précipitation des trois réanalyses globales était biaisée, surtout durant l’été et l’hiver dans le Sud-Est des USA. En dépit de ces biais, les débits simulés contraints par les données des réanalyses étaient similaires à ceux forcés par les observations, sauf dans les régions climatiques Continentales et Subtropicales humides, où l’inadéquate saisonnalité de la précipitation des réanalyses a dégradé la qualité des débits simulés.

Ensuite, au Canada où la couverture spatiale des stations météorologiques est plus faible, la précision des débits simulés pour 316 bassins versants en utilisant des données de réanalyses a été comparée à celle des débits simulés en utilisant des données d’observation, en fonction de la densité de stations météorologiques des bassins versants. Les résultats ont montré que les débits simulés en utilisant les données de précipitation et température de CFSR étaient généralement similaires à ceux simulés en utilisant des données d’observation sur grille, quelle que soit la densité de stations météorologiques. Par contre, ERA-Interim et MERRA ont significativement mieux performé que les données d’observation dans la région de montagne, notamment lorsque la densité de stations météorologiques était inférieure à 1 station pour 1000 km2.

Enfin, les impacts de la combinaison des trois réanalyses atmosphériques globales et des données d’observation sur la précision des débits simulés ont été évalués. Deux approches de combinaison des bases de données ont été considérées. L’une consiste à utiliser une moyenne pondérée des intrants météorologiques (précipitation et température) de toutes les bases de données, pour caler le modèle hydrologique et pour simuler les débits. La seconde approche consiste à utiliser séparément les intrants météorologiques et à calculer une moyenne pondérée des différents hydrogrammes simulés. Les résultats ont montré des améliorations significatives sur la précision de débits simulés tant en combinant les intrants météorologiques qu’en combinant les hydrogrammes simulés, pour la plupart des bassins versants au Canada et aux USA. Par ailleurs, dans 100% des cas où la précision des débits simulés en utilisant uniquement des données d'observation est faible (correspondant à une valeurs du Nash-Sutcliffe < 0,5), la prise en compte des données des réanalyses a permis d’améliorer considérablement la précision des débits simulés (valeurs de Nash-Sutcliffe augmentées d’au moins 0,3).

Globalement, les résultats de cette thèse suggèrent que les données de précipitation et température provenant des réanalyses atmosphériques globales peuvent être utilisées pour les études de modélisation hydrologique dans les régions où il y a peu de stations météorologiques. Toutefois, puisque le potentiel des données de précipitation et température des réanalyses varie spatialement, elles doivent néanmoins être utilisées avec précaution dans les études hydrologiques.

Titre traduit

Potential of precipitation and temperature data from atmospheric reanalyses for hydrological modeling

Résumé traduit

The sparse coverage of weather stations over several regions of the world limits the ability of hydrological models to adequately simulate river flows.

The objective of this thesis is to evaluate the potential of atmospheric reanalyses as an alternative to weather stations to overcome the lack of information in areas where these stations are sparse or nonexistent. To do this, precipitation and temperature data from three recent global atmospheric reanalyses (ERA-Interim, CFSR and MERRA) were used as meteorological inputs to a hydrological model to simulate daily discharges on 800 watersheds located in different climatic regions of the USA and Canada.

First, a pre-validation of precipitation and temperature datasets from the global reanalyses was performed by comparing them to observational datasets over the USA where the spatial coverage of weather stations is high. Each dataset was then used to calibrate a hydrological model and to simulate daily river flows of 370 US watersheds. Results showed that temperatures from reanalyses were similar to that of observational data over most of the USA. On the other hand, precipitation from all three global reanalyses was biased, especially in summer and winter in south-eastern USA. Despite these biases, the simulated flows forced by the reanalysis datasets were similar to those forced by observations, except in the humid continental and subtropical climatic regions, where the poor precipitation seasonality of reanalyses degraded river flow simulations.

In Canada where the spatial coverage of weather stations is lower, the accuracy of the simulated streamflows of 316 watersheds using reanalysis data was compared to that of the flows simulated using observational data, according to the density of weather stations. Results showed that the simulated streamflows using precipitation and temperature data from CFSR were generally similar to those simulated using gridded observations, regardless of the weather station density. On the other hand, ERA-Interim and MERRA performed significantly better than the gridded observations in the Mountain region, especially when the density of weather stations is less than 1 station per 1000 km2.

Finally, the impacts of the combination of the three global atmospheric reanalyses and observational data on the accuracy of the simulated streamflows was evaluated. Two combination approaches were considered. The first consists of using a weighted average of meteorological inputs (precipitation and temperature) from all the databases, to calibrate the hydrological model and to simulate streamflow. The second approach consists of using all meteorological inputs separately to simulate hydrographs and to compute a weighted average of the simulated hydrographs. Results showed significant improvements of the accuracy of simulated streamflows in both combination cases over most watersheds. Moreover, in 100% of the cases where the accuracy of the simulated streamflows using only observational data was low (corresponding to a Nash-Sutcliffe value < 0.5), taking into account reanalyses data greatly improved the accuracy of the simulated streamflows (Nash-Sutcliffe values increased by at least 0.3).

Overall, the results of this thesis suggest that precipitation and temperature from global atmospheric reanalyses can be used for hydrological modeling studies in regions where there are few weather stations. However, since the potential for precipitation and temperature data from reanalyses varies spatially, they should be used with caution in hydrological studies.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 219-245.
Mots-clés libres: Modèles hydrologiques Modèles mathématiques. Hydrologie Méthodes de simulation. Précipitations (Météorologie) Mesure. Température atmosphérique Mesure. Hydrologie des bassins hydrographiques Canada. Hydrologie des bassins hydrographiques États-Unis. réanalyse, données d’observation, modélisation hydrologique, calage, densité de stations météorologiques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brissette, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 21 mars 2017 14:00
Dernière modification: 21 mars 2017 14:00
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1841

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