Adaptation des outils PHYSITEL/HYDROTEL au milieu boréal québécois : modélisation des processus hydrologiques et analyses de sensibilité et d’incertitudes. - Rousseau, Alain N.; Rousseau, A.N.; Mailhot, Alain; St-Hilaire, André (2015)
Les bassins versants du Moyen‐Nord quebecois (49e au 55e parallele) se distinguent par leur climatologie et le pourcentage eleve de territoires couverts par des lacs et milieux humides (de l’ordre de 20 a 30 %) et, surtout, par leur importante contribution a la production electrique du Quebec; le complexe de la riviere La Grande generant environ 40% de l’electricite quebecoise. Dans le contexte de la gestion de la production d’electricite, Hydro‐Quebec Production fait la prevision des apports aux reservoirs de ce complexe a l’aide d’un modele hydrologique global. Par ailleurs, depuis les annees 1980, le milieu boreal quebecois a subi des hausses de temperature et de precipitation qui ont modifie le regime des apports aux reservoirs. Compte tenu de ces changements et des caracteristiques physiographiques des bassins boreaux, il a ete propose d’utiliser un modele hydrologique distribue a base physique pour examiner l’impact sur ces apports des projections climatiques produites par Ouranos. En l’occurrence le modele HYDROTEL dont la prise en mains est en train d’etre completee par Hydro‐Quebec Production. Le modele qui est maintenant convenablement cale pour un certain nombre de bassins repond aux attentes dans les bassins du sud du Quebec. Toutefois, pour les grands bassins du Nord comme ceux du Complexe La Grande, l’utilisation du modele requiert des travaux d’adaptations, entre autres, aux niveaux de la modelisation des milieux humides et de la desagregation spatiale des precipitations simulees par les modeles climatiques. Les objectifs generaux de ce projet etaient d’accroitre notre comprehension de l’hydrologie du moyen nord afin qu’elle soit bien representee dans HYDROTEL tout en tenant compte des incertitudes parametriques associees aux differentes equations gouvernant les processus physiques. Ces objectives ont ete declines en trois activites de travail : (AT1) modelisation des processus hydrologiques; (AT2) calage et analyses de sensibilite, d’identifiabilite et d’incertitudes des parametres de calage d’HYDROTEL; et (AT3) amelioration des plateformes informatiques HYDROTEL et PHYSITEL, ce dernier etant un SIG dedie a la construction des bases de donnees de modeles hydrologiques distribues. Pour Ouranos et Hydro‐Quebec les principales realisations issues de ce projet incluent : (i) le developpement d’une methode eprouvee de desagregation sous grille de la precipitation mesoechelle permettant d’evaluer a fine echelle spatiale l’impact des changements climatiques sur les precipitations; (ii) une meilleure comprehension de la dynamique des ecoulements, du stockage de l’eau et de l’evapotranspiration d’un petit bassin versant boreal incluant une grande une tourbiere minerotrophe aqualysee; (iii) l’evaluation du parametrage de la sublimation et la relocalisation de la neige dues au vent et l’identification du besoin d’inclure le rayonnement sous la canopee pour bien reproduire la crue avec un modele complexe de l'evolution du couvert nival; (iv) la detection de la quasi neutralite frequente (~76% du temps, majoritairement le jour) de l’atmosphere au‐dessus d’un milieu humide causee par une turbulence mecanique forte et une grande inertie thermique; conditions ayant permises le developpement d’un modele simple d’evapotranspiration des milieux humides base le transfert massique et la stabilite atmospherique; (v) le developpement d’un modele de rayonnement net base uniquement sur des donnees de temperatures journalieres (min, max) et une estimation des parametres permettant de valider l’utilisation de l’equation de Penman‐Monteith dans le nord quebecois; (vi) la hierarchisation des parametres de calage d’HYDROTEL selon la saison et le developpement d’une methode permettant d’evaluer l’incertitude sur les debits simules et d’identifier son importance durant la fonte et l’etiage estival; (vii) dans un contexte d’analyse frequentielle des debits simules, evaluation de l’incertitude parametrique par rapport a l’incertitude statistique, cette derniere dominant pour les periodes de retour superieures a cinq ans; (viii) a l’aide de PHYSITEL, la premiere discretisation du complexe de la riviere La Grande (136 648 km2) en six sousbassins (LG1, LG2, LG3, LG4, La Forge 1 & 2,et Caniapiscau) leur subdivision en versants permettant le calcul de crues maximales probables a l’aide d’HYDROTEL; et (ix) le developpement d’une version 64 bits d’HYDROTEL incluant de nouveaux modules de de calculs de la temperature du sol et des bilans hydriques des milieux humides et isoles. L'avancement de nos comprehensions de l'hydrologie des milieux humides et du milieu boreal en general a ete a la base du developpement des versions adaptees d'HYDROTEL et de PHYSITEL qui permettront a Hydro‐Quebec d'apprehender, avec une modelisation distribuee, l'impact des changements climatiques sur le complexe de la riviere La Grande. Ces logiciels sont transposables a l’ensemble du milieu boreal canadien. Une entente conclut, depuis 2005, entre l’INRS et Hydro‐Quebec (HQ) permet d’ailleurs une distribution commerciale des differentes versions d’HYDROTEL avec interfaces usagers de meme qu’une distribution communautaire du noyau de calcul. Cette synergie a permis de mettre en commun des ressources et des expertises qui facilitent les echanges scientifiques et techniques entre les concepteurs d’HYDROTEL, le Centre d’expertise hydrique du Quebec (CEHQ), HQ, l’IREQ (Institut de recherche en electricite du Quebec) et d’autres usagers (ex. : l’IMTA, Instituto Mexicano de Technologia del Agua). Au total, plus d’une quarantaine de licences ont ete distribuees tant pour des besoins d’enseignement (Universite de Sherbrooke) et de recherche (Universite Laval, UQTR, UQAC, IREQ, Ecole de Technologie Superieure, INRA de Montpellier, Environnement Canada, Agriculture et Agroalimentaire Canada), que des besoins de prevision hydrologique (IMTA, Ville de Quebec, Centre d’expertise hydrique du Quebec, HQ). La modularite informatique d’HYDROTEL se prete egalement bien a cette synergie car elle offre la possibilite de partager le savoir‐faire et, par l’entremise d’un site internet public (CodePlex), de mettre a la disponibilite de tous les nouvelles versions du noyau de calcul. Ces developpements ont permis a l’equipe de l’INRS‐ETE d’acquerir une reconnaissance internationale en modelisation hydrologique distribuee. En effet, HYDROTEL et PHYSITEL ont dans le passe ete identifie comme les outils a utiliser dans le cadre d’appels de proposition de projets de determination du potentiel hydroelectrique finances par la Banque Mondiale [World Bank, 2009].
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The added value of stochastic spatial disaggregation for short-term rainfall forecasts currently available in Canada - Gagnon, Patrick; Rousseau, Alain N.; Charron, Dominique; Fortin, Vincent; Audet, René (Journal of Hydrology, 2017)
Several businesses and industries rely on rainfall forecasts to support their day-to-day operations. To deal with the uncertainty associated with rainfall forecast, some meteorological organisations have developed products, such as ensemble forecasts. However, due to the intensive computational requirements of ensemble forecasts, the spatial resolution remains coarse. For example, Environment and Climate Change Canada’s (ECCC) Global Ensemble Prediction System (GEPS) data is freely available on a 1-degree grid (about 100 km), while those of the so-called High Resolution Deterministic Prediction System (HRDPS) are available on a 2.5-km grid (about 40 times finer). Potential users are then left with the option of using either a high-resolution rainfall forecast without uncertainty estimation and/or an ensemble with a spectrum of plausible rainfall values, but at a coarser spatial scale. The objective of this study was to evaluate the added value of coupling the Gibbs Sampling Disaggregation Model (GSDM) with ECCC products to provide accurate, precise and consistent rainfall estimates at a fine spatial resolution (10-km) within a forecast framework (6-h). For 30, 6-h, rainfall events occurring within a 40,000-km2 area (Quebec, Canada), results show that, using 100-km aggregated reference rainfall depths as input, statistics of the rainfall fields generated by GSDM were close to those of the 10-km reference field. However, in forecast mode, GSDM outcomes inherit of the ECCC forecast biases, resulting in a poor performance when GEPS data were used as input, mainly due to the inherent rainfall depth distribution of the latter product. Better performance was achieved when the Regional Deterministic Prediction System (RDPS), available on a 10-km grid and aggregated at 100-km, was used as input to GSDM. Nevertheless, most of the analyzed ensemble forecasts were weakly consistent. Some areas of improvement are identified herein.
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Evaluation of probable maximum snow accumulation: Development of a methodology for climate change studies. - Klein, Iris Maria; Rousseau, Alain N.; Frigon, Anne; Freudiger, Daphné; Gagnon, Patrick (Journal of Hydrology, 2016)
Summary Probable maximum snow accumulation (PMSA) is one of the key variables used to estimate the spring probable maximum flood (PMF). A robust methodology for evaluating the PMSA is imperative so the ensuing spring PMF is a reasonable estimation. This is of particular importance in times of climate change (CC) since it is known that solid precipitation in Nordic landscapes will in all likelihood change over the next century. In this paper, a PMSA methodology based on simulated data from regional climate models is developed. Moisture maximization represents the core concept of the proposed methodology; precipitable water being the key variable. Results of stationarity tests indicate that CC will affect the monthly maximum precipitable water and, thus, the ensuing ratio to maximize important snowfall events. Therefore, a non-stationary approach is used to describe the monthly maximum precipitable water. Outputs from three simulations produced by the Canadian Regional Climate Model were used to give first estimates of potential PMSA changes for southern Quebec, Canada. A sensitivity analysis of the computed PMSA was performed with respect to the number of time-steps used (so-called snowstorm duration) and the threshold for a snowstorm to be maximized or not. The developed methodology is robust and a powerful tool to estimate the relative change of the PMSA. Absolute results are in the same order of magnitude as those obtained with the traditional method and observed data; but are also found to depend strongly on the climate projection used and show spatial variability.
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