Évaluation de l’utilisation des données des réanalyses ERA5 et ERA5-Land pour la modélisation de l’évapotranspiration

Levesque, Guillaume (2022). Évaluation de l’utilisation des données des réanalyses ERA5 et ERA5-Land pour la modélisation de l’évapotranspiration. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude se penche sur la valeur ajoutée de l’utilisation de données des réanalyses ERA5 et ERA5-Land pour l’estimation de l’évapotranspiration en modélisation hydrologiques. Les outils de modélisation (modèles et formules internes) doivent être ajustés localement et ne permettent souvent pas d’extraire des résultats intermédiaires à la réponse finale par manque de représentativité physique à l’interne même des modèles. Malheureusement, l’utilisation de ces outils se fait aussi par défaut de disponibilité suffisante en données hydrologiques et climatiques. Dans le but d’explorer le chemin vers des outils plus représentatifs, l’étude utilise de nouvelles données qui sont beaucoup plus exhaustives que les observations, permettant l’essai de formules à bases physiques pour caractériser les processus sous-jacents d’un modèle hydrologique. Plus précisément les données de réanalyses de dernière génération ERA5 et ERA5-Land. À ces données est couplé l’essai de 14 différentes estimations de l’évapotranspiration. Cet agencement permet de tester le potentiel de l’utilisation de formulation d’évapotranspiration potentielle (ETP) plus physique sur les résultats en modélisation hydrologique et donc d’ouvrir la porte vers ces changements. Afin d’assurer une généralisation la plus grande de cette étude, 1169 bassins versants sont analysés. Ils sont répartis sur l’ensemble de l’Amérique du Nord, donc au Canada, aux États-Unis et au Mexique. À cela s’ajoute l’utilisation de deux modèles hydrologiques. L’analyse des résultats se fait par l’entremise de la qualité de la modélisation, qui est jugée par la valeur du critère de performance de Kling-Gupta (KGE). Les observations restent le chef de file si l’on ne considère que les valeurs de KGE obtenues en calibration. Il y a toutefois des exceptions pour les régions montagneuses comme les rocheuses au Canada, les régions plus au nord du Canada et pour le Mexique. Dans ces cas, de meilleurs résultats en calibration avec les données de réanalyses (ERA5 et ERA5-Land) sont observables. Somme toute, la supériorité en calibration des observations ne sous-entend pas de mauvais résultats pour les données de réanalyses. Les résultats en modélisation hydrologique pour les combinaisons utilisant l’ETP à base plus physique montrent qu’il est possible d’obtenir des modèles aussi bien calibrés que par l’entremise de formulations d’ETP plus simples et plus empiriques. En général, certaines formulations plus simples génèrent de meilleurs résultats et il y a une difficulté notable en modélisation dans la région centrale des États-Unis. Somme toute, l’étude montre le potentiel en modélisation hydrologique favorable des réanalyses ainsi que le potentiel des données de réanalyses combinées à des méthodes à base plus physiques afin d’estimer l’ETP.

Titre traduit

Evaluation of ERA5 and ERA5-Land reanalysis data utilization for hydrological modeling

Résumé traduit

This study examines the added value of using data from ERA5 and ERA5-Land reanalyses for the estimation of evapotranspiration in hydrological modeling. The modeling tools (models and internal formulas) must be adjusted locally and often do not allow the extraction of intermediate results from the final response due to a lack of physical representativeness within the models themselves. Unfortunately, the use of these tools is also due to the lack of abundant availability of hydrological and climatic data. In an effort to explore the path to more representative tools, the study uses new data that are much more comprehensive than observations, allowing the testing of physically based formulas to characterize the underlying processes of a hydrological model. More precisely the latest generation of ERA5 and ERA5-Land reanalysis data. Coupled with this data is the testing of 14 different estimation formulas of evapotranspiration. This arrangement makes it possible to test the potential of the use of more physical potential evapotranspiration (PET) formulations on the hydrological modeling results and thus to open the door to these changes. In order to ensure the greatest generalization of this study, 1169 watersheds are analyzed. They are spread all over North America, so in Canada, the United States and Mexico. Added to this is the use of two hydrological models. The analysis of the results is done through the quality of the modeling which is judged by the value of the Kling-Gupta efficiency criterion (KGE). Observations remain the leader if only the KGE values obtained in calibration are considered. However, there are exceptions for mountainous regions such as the Rockies in Canada, more northern regions of Canada and for Mexico. In these cases, better calibration results with reanalysis data (ERA5 and ERA5-Land) are observable. All in all, the superiority in calibration of the observations does not imply poor results for the reanalysis data. The results in hydrological modeling for the combinations using the more physically based PET show that it is possible to obtain models as well calibrated as by the through simpler and more empirical PET formulations. In general, some simpler PET formulations generate better results and there is a noticeable difficulty in modeling in the central region of the United States. Overall, the study shows the favorable hydrological modeling potential of reanalyses as well as the potential of reanalysis data combined with more physical-based methods to estimate PET.

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 avec mémoire en génie de la construction". Comprend des références bibliographiques (pages 109-118).
Mots-clés libres:	données, réanalyses, ERA5, ERA5-Land, évapotranspiration, modélisation hydrologique, représentation physique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Poulin, Annie
Codirecteur:	Codirecteur Arsenault, Richard
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	12 oct. 2022 15:07
Dernière modification:	12 oct. 2022 15:07
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3085

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