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Évaluation hydrologique de jeu de données de précipitations et températures journalières issues du modèle régional de climat "CROQ"

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Azarnia, Soudabeh (2017). Évaluation hydrologique de jeu de données de précipitations et températures journalières issues du modèle régional de climat "CROQ". Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La faible densité du réseau de stations météorologiques dans les régions éloignées et la nécessité d'avoir des données météorologiques fiables pour les études hydrologiques poussent les chercheurs à regarder des jeux de données alternatives pour complémenter ou même remplacer les données traditionnelles provenant des stations.

L'objectif de la présente recherche est d'analyser la capacité du jeu de données du modèle régional de climat CROQ à reproduire l'hydrologie des différents bassins versants du Québec. Le jeu de données du modèle régional CROQ provient d’une simulation à haute résolution du modèle régional de climat Canadien piloté par la réanalyse atmosphérique ERA-Intérim.

En premier lieu, la qualité des données de températures et précipitations issues de CROQ est évaluée par rapport à celle de trois autres jeux de données : la base de données interpolées sur grille "NRCan", la réanalyse "ERA-Intérim", et celles provenant d’une autre simulation provenant du même modèle régional de climat "MRCC5", mais selon une configuration différente. Par la suite, la validation hydrologique du jeu de données CROQ est réalisée. Pour ce faire, les données météorologiques de chacun des jeux de données sont utilisées comme intrants à deux modèles hydrologiques conceptuels globaux de complexité différente (HSAMI et GR4J) afin de simuler les débits en rivières. Le potentiel des deux modèles à représenter les débits en rivières est ensuite comparé.

Afin de découvrir la diversité spatiale et temporelle entre les jeux de données, la validation climatique et hydrologique est effectuée en utilisant diverses métriques aux pas de temps annuel et saisonnier, et en comparant les simulations hydrologiques effectuées sur 117 bassins versants du Québec. Ces résultats ont ensuite été raffinés en comparant 20 bassins versants du sud et du nord du Québec.

En général, les résultats de la comparaison montrent que CROQ surestime systématiquement la précipitation, et que ses températures sont plus froides, et ce notamment durant le printemps sur l'ensemble de Québec. Au Sud du Québec, les données CROQ sont moins biaisées par rapport aux autres jeux de données et présentent une plus faible variabilité interbassin. Le jeu de données CROQ permet une bonne performance en modélisation hydrologique sur les bassins versants du sud, et ce pour les deux modèles hydrologiques. Les résultats en modélisation hydrologique sont comparables, quoique légèrement inférieurs à ceux des autres jeux de données.

Au nord du Québec par contre, les biais associés aux données CROQ donnent de moins bons résultats en modélisation hydrologique, et ce particulièrement avec le modèle GR4J. Ce modèle présente peu de paramètres ajustables lors de sa calibration et il est incapable de s’ajuster aux biais présents dans les données de précipitation et de température provenant de CROQ.

De manière générale, la réanalyse ERA-I, malgré sa résolution plus grossière, donne des résultats supérieurs (et en particulier au Nord) en modélisation hydrologique comparativement à CROQ et même en comparaison avec NRCan pourtant directement issu des données de stations météorologiques. Les données CROQ sont en général plus biaisées que celle de son pilote (ERA-I), indiquant que le modèle régional ajoute ses biais à ceux de son pilote. En modélisation hydrologique, la résolution accrue de CROQ ne semble pas compenser pour ces biais supplémentaires ainsi que pour la liberté accrue du modèle regional à l’intérieur de son domaine de calcul. Cette liberté accrue résulte en des trajectoires de systèmes météorologiques potentiellement légèrement différentes de celles observées ce qui résulte en une baisse de corrélation journalière des variables météorologiques observées et simulées, et une inévitable baisse de performance en modélisation hydrologique.

Titre traduit

Hydrological assessment of daily precipitation and temperatures dataset from "CROQ" regional climate model

Résumé traduit

The low density of the meteorological station network in remote areas and the need of reliable meteorological data for hydrological studies push researchers to seek alternative datasets to complement or even replace traditional data from stations.

The objective of this research is to analyze the capability of CROQ regional climate model dataset to reproduce the hydrology of the different watersheds of Quebec. The CROQ regional model dataset comes from a high-resolution simulation of the Canadian regional climate model driven by the ERA-Interim reanalysis.

First, the quality of CROQ temperature and precipitation data is evaluated in relation to those of different datasets as "NRCan" interpolated database on the grid, "ERA-Interim" reanalysis and those derived from another simulation from the same regional climate model "MRCC5", but in a different configuration. Subsequently, the hydrological validation of CROQ datasets is performed. To do this, the meteorological data of each dataset are used as input data for two global conceptual hydrological models of different complexity (HSAMI and GR4J) in order to simulate river flows. The potential of the two models to represent river flows is then compared.

In order to discover the spatial and temporal diversity between the datasets, climatic and hydrological validation is carried out by various metrics with annual and seasonal time steps and by comparing the hydrological simulations carried out on 117 watersheds in Quebec. These results were then refined by comparing 20 watersheds in southern and northern Quebec.

In general, the results of the comparison show that CROQ systematically overestimates precipitation, and its temperatures are colder, especially in the spring months over whole Québec. In southern Quebec, CROQ data are less biased than other datasets and show a lower inter-basin variability. The CROQ dataset allows good performance in hydrological modeling on southern watersheds for both hydrological models. Hydrological modeling results are comparable, although slightly lower than for other datasets.

However, in Northern Quebec, the biases associated with the CROQ data give less successful result in hydrological modeling, particularly with the GR4J model. This model presents few adjustable parameters during its calibration and is unable to adjust to existing biases in the precipitation and temperature data from CROQ.

In general, ERA-I reanalysis, despite its coarser resolution, gives superior results (especially in the North) in hydrological modeling compared to CROQ. The CROQ data are generally more biased than its driver (ERA-I), indicating that the regional model adds its biases to those of its driver. In hydrological modeling, the increased CROQ resolution does not seem to compensate for these additional biases as well as the increased freedom of the regional model within its computational domain. This increased freedom results in trajectories of meteorological systems potentially slightly different from those observed, which results in a daily correlation of observed and simulated meteorological variables and an inevitable decline in performance in hydrological modeling.

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 maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Bibliographie : pages 91-95.
Mots-clés libres: Modèles hydrologiques Québec (Province) Hydrologie des bassins hydrographiques Québec (Province) Simulation par ordinateur. Modèles climatiques régionaux. Température atmosphérique Québec (Province) Bases de données. Précipitations (Météorologie) Québec (Province) Bases de données. Cours d'eau Débit Québec (Province) Simulation par ordinateur. modèle régional de climat, réanalyse, modélisation hydrologique, bassin versant
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brissette, François
Codirecteur:
Codirecteur
Biner, Sébastien
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 16 avr. 2018 19:43
Dernière modification: 16 avr. 2018 19:43
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2033

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