Comparison of convection-permitting and coarser-resolution regional climate simulations for evaluating precipitation and streamflow in Southern Québec

Khalili, Maedeh (2026). Comparison of convection-permitting and coarser-resolution regional climate simulations for evaluating precipitation and streamflow in Southern Québec. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Understanding how climate model resolution affects the representation of heavy and intense hydrometeorological events is crucial for enhancing flood risk assessment. Most studies on the impacts of climate change have utilized Regional Climate Model (RCM) simulations with spatial resolutions coarser than 10 km. Deep convection parameterization is necessary to simulate convective events with RCMs, which reflect the averaged effects of convection. This may thus introduce uncertainty and can lead to underestimation of extreme rainfall. Recent work has demonstrated that high-resolution climate models (with grid spacing of 1-4 km) have the capability to improve simulations of sub-daily extreme precipitation compared with coarser-resolution regional climate models.

In this work, we use three simulations of hourly Weather Research and Forecasting (WRF) model configuration (hereafter called CONUS, CORDEX 22 and CORDEX 44), all driven by the ERA-Interim reanalysis, at different spatial resolutions of 4 km, 25 km, and 50 km. We aim to compare precipitation and temperature patterns across simulations for three seasons (April-May, Summer, and Fall) at hourly temporal resolution over southern Québec, Canada. In terms of extreme precipitation analysis, we found that the WRF model with 4 km (CONUS simulation) produced the highest RX1-hour values (Maximum 1-hour Precipitation) during the summer. In contrast, the two CORDEX simulations show precipitation patterns that are comparably less intense.

We further analysed how these differences extend into hydrological modelling. To do so, we simulated streamflow using a lumped hydrological model (GR5dt) at hourly time steps, across twelve southern Quebec watersheds (surface areas of 61–1550 km²). We used Satellite-derived precipitation product (IMERG) precipitation data and ERA5-Land temperature as our reference datasets for calibrating the hydrological model. The results show that during April-May, the higher temperatures from the CONUS simulation lead to earlier snowmelt and lower streamflow. Conversely, the two CORDEX simulations with colder temperatures accumulated larger snowpacks, resulting in delayed and more noticeable spring floods.

The analysis of CONUS generally showed that simulated annual peak flows were underestimated, particularly during the summer, despite the model representing higher hourly precipitation intensities. This can be explained by the higher values of simulated potential evapotranspiration due to CONUS higher temperatures. However, a case study of a small watershed indicates that the CONUS simulation is capable of generating intense, short-duration hydrometeorological events that are not observed in the CORDEX22 and CORDEX44 simulations.

Titre traduit

Comparaison de simulations climatiques régionales avec une résolution de convection et une résolution plus grossière pour l'évaluation des précipitations et du débit des cours d'eau dans le sud du Québec

Résumé traduit

Comprendre comment la résolution des modèles climatiques influence la représentation des événements hydrométéorologiques intenses est crucial pour améliorer l'évaluation des risques d'inondation. La plupart des études sur les impacts du changement climatique ont utilisé des simulations de modèles régionaux climatiques (MRC) avec des résolutions spatiales supérieures à 10 km. La paramétrisation de la convection profonde est nécessaire pour simuler les événements convectifs avec les MRC, qui reflètent les effets moyens de la convection. Ceci peut introduire une incertitude et conduire à une sous-estimation des précipitations extrêmes. Des travaux récents ont démontré que les modèles climatiques à haute résolution (avec résolution spatiale de 1 à 4 km) permettent d'améliorer les simulations des précipitations extrêmes infra journalières par rapport aux modèles climatiques régionaux à plus faible résolution.

Dans cette étude, nous utilisons trois simulations horaires du modèle WRF (Weather Research and Forecasting) (ci-après nommées CONUS, CORDEX 22 et CORDEX 44), toutes alimentées par la réanalyse ERA-Interim, à différentes résolutions spatiales de 4 km, 25 km et 50 km. Notre objectif est de comparer les profils de précipitations et de températures dans des simulations couvrant trois saisons (avril-mai, été et automne) à une résolution temporelle horaire sur le sud du Québec, au Canada. L'analyse des précipitations a permis de constater que le modèle WRF avec une résolution de 4 km (simulation CONUS) a produit les valeurs RX1-heure (précipitations maximales sur 1 heure) les plus élevées durant l'été. En revanche, les deux simulations CORDEX présentent des profils de précipitations comparativement moins intenses.

Nous avons ensuite analysé l'impact de ces différences sur la modélisation hydrologique. Pour ce faire, nous avons simulé le débit des cours d'eau à l'aide d'un modèle hydrologique global (GR5dt) à un pas de temps horaire, sur douze bassins versants du sud du Québec (superficies de 61 à 1 550 km²). Nous avons utilisé les données de précipitations issues du produit de précipitations dérivées de satellites (IMERG) et les données de température ERA5-Land comme jeux de données de référence pour calibrer le modèle hydrologique. Les résultats montrent qu'en avril-mai, les températures plus élevées de la simulation CONUS entraînent une fonte des neiges plus précoce et un débit plus faible. À l'inverse, les deux simulations CORDEX avec des températures plus froides ont accumulé davantage de neige, ce qui a entraîné des crues de fonte plus tardives et plus importantes.

Concernant le biais sur les débits de pointe annuels, l'analyse des données CONUS a généralement montré que ces débits de pointe sous-estimés, en particulier durant l'été, malgré des intensités de précipitations horaires plus élevées. Cela peut être expliqué par les températures plus élevées de la simulation CONUS qui tendent à augmenter l’évapotranspiration potentielle simulée. Cependant, une étude de cas sur un petit bassin versant indique que la simulation CONUS est en mesure de produire des événements hydrométéorologiques intenses et de courte durée qu’on ne retrouve pas avec les simulations CORDEX22 et CORDEX44.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the master's degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 84-96).
Mots-clés libres:	simulations climatiques WRF, simulation à haute résolution permettant la convection, CONUS, précipitations extrêmes, débit de pointe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Poulin, Annie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	03 août 2026 18:51
Dernière modification:	03 août 2026 18:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4049

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