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Effects of regional climate model spatial resolution on hydrological modelling of summer-fall floods in southern Quebec

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Castaneda-Gonzalez, Mariana (2018). Effects of regional climate model spatial resolution on hydrological modelling of summer-fall floods in southern Quebec. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This study aims to evaluate the effects of the Canadian Regional Climate Model’s (CRCM) spatial resolution on summer-fall floods simulation. Seven different climate simulations issued from the fourth and the fifth version of the CRCM are employed. Four different climate simulations issued from the fourth version of the CRCM (CRCM4) are compared. They are composed of two simulations driven by the Canadian General Circulation Model (CGCM) and two driven by the ERA-40c reanalysis using grid meshes of 15 km and 45 km resolutions for each driver. Three climate simulations issued from the fifth version of the CRCM (CRCM5) driven by the ERA-Interim at 0.44° (≈ 48 km), 0.22° (≈ 24 km) and 0.11° (≈ 12 km) spatial resolutions are used. All comparisons are evaluated on a daily time-step for the 1961-1990 period (for CRCM4) and for the 1981-2010 period (for CRCM5).

These seven simulations (four from CRCM4 and three from CRCM5) are used as input for two hydrological models of varying complexity (HSAMI and MOHYSE). Each model is calibrated using three different objective functions based on the Kling-Gupta Efficiency criteria (KGE) to target the summer-fall floods. Three seasonal indices are used to evaluate the CRCM outputs: bias (temperature), relative bias (precipitation) and variances ratio (temperature and precipitation). In an attempt to evaluate the effects of the spatial resolution on the hydrological modelling of summer-fall floods, streamflow simulations are generated using the seven climate datasets. The generated climate-driven streamflow simulations are analysed by two performance statistics: the seasonal values of KGE and the seasonal relative biases. Summer-fall floods are evaluated through the use of four flood indicators, the 2-year, 5-year, 10-year and 20-year return periods.

The results revealed an impact of spatial resolution on climate model outputs (temperature and precipitation) and on summer-fall floods simulation by the two hydrological models and the three different calibration approaches, although this can be due to other elements such as domain size and climate model driver. The flood indicators demonstrate an increase on the summer-fall floods return periods with increasing resolution from both hydrological models. On the other hand the hydrological models structure and the calibration approaches did not show significant impacts on the summer-fall floods. The results highlight the need for further research to assess the additional uncertainty due to the impacts of the climate simulations spatial resolution on hydrological studies.

Titre traduit

Effets de la résolution spatiale d'un modèle climatique regional sur la modélisation hydrologique des crues d'été- autonme dans le sud du Québec

Résumé traduit

Cette étude vise à évaluer les effets de la résolution spatiale du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) sur la simulation des crues d'été et d'automne. Sept différentes simulations climatiques issues de la quatrième et de la cinquième version du MRCC sont utilisées. Les quatre simulations climatiques issues de la quatrième version du MRCC sont comparées. Elles consistent de deux simulations pilotées par le Modèle Canadien de Circulation Général (MCCG) et deux par la réanalyse ERA-40c, chacune à des resolutions différentes de 15 km et 45 km. Les trois simulations climatiques issues de la cinquième version du MRCC sont pilotées par la réanalyse ERA-Interim à des résolutions spatiales de 0,44 ° (≈ 48 km), 0,22 ° (≈ 24 km) et 0,11 ° (≈ 12 km). Toutes les comparaisons sont évaluées sur un pas de temps journalier pour les périodes de 1961-1990 (pour le MRCC4) et de 1981-2010 (pour le MRCC5).

Les sept simulations sont utilisées comme données d'entrée pour deux modèles hydrologiques de complexité variable (HSAMI et MOHYSE). Chaque modèle est calibré en utilisant trois fonctions-objectifs basées sur le critère d’efficience Kling-Gupta Efficiency (KGE) pour cibler les crues d’été-automne. Trois indices saisonniers sont utilisés pour évaluer les sorties du MRCC : biais (température), biais relatif (précipitations) et le ratio de variances (température et précipitations). Dans le but d'évaluer les effets de la resolution spatiale sur la modélisation hydrologique des crues d’été-automne, des simulations d'écoulement sont générées à l'aide des sept jeux de données climatiques. Les simulations d'écoulement générées par les sorties climatiques sont analysées par deux statistiques de performance : les KGE saisonniers et les biais relatifs saisonniers. Les crues d’été-automne sont évaluées à l'aide de quatre indicateurs de crue, soient les périodes de retour de 2, 5, 10 et 20 ans.

Les résultats ont révélé un impact de la résolution spatiale sur les sorties du MRCC (température et précipitation) et sur la simulation des crues d’été-automne par les deux modèles hydrologiques et les trois différentes approches de calage, bien que cela puisse être dû à d'autres éléments tels que la taille du domaine et le choix du pilote du modèle climatique. En augmentant la résolution spatiale pour les deux modèles hydrologiques, les indicateurs de crue d’été-automne affichent une augmentation des périodes de retour. D'autre part, la structure des modèles hydrologiques et les approches de calage n'ont pas montré d'impacts significatifs sur les simulations des crues d’été-automne. Les résultats soulignent la nécessité de poursuivre des études pour évaluer l'incertitude supplémentaire due aux impacts de la résolution spatiale des simulations climatiques sur les études hydrologiques.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in environmental engineering" Bibliographie : pages 83-93.
Mots-clés libres: Modèle régional canadien du climat. Inondations Québec (Sud) Simulation par ordinateur. Modèles hydrologiques. Étalonnage. Écoulement (Hydrologie) Simulation par ordinateur. automne, été, période, résolution, retour, spatial, MRCC, crues, HSAMI, MOHYSE
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Arsenault, Richard
Codirecteur:
Codirecteur
Romero-Lopez, Rabindranarth
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de l'environnement
Date de dépôt: 18 mai 2018 18:25
Dernière modification: 18 mai 2018 18:25
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2048

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