Potentiel des données de précipitation et température des réanalyses atmosphériques en modélisation hydrologique

Résumé

La faible couverture spatiale des stations météorologiques dans plusieurs régions au monde limite la capacité des modèles hydrologiques à simuler les débits en rivière. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel des réanalyses atmosphériques comme alternative aux stations météorologiques afin de pallier le déficit d’information dans les régions où ces stations sont clairsemées ou inexistantes. Pour ce faire, des données de précipitation et température de trois réanalyses atmosphériques globales récentes (ERAIntérim, CFSR et MERRA) ont été utilisées comme intrants météorologiques d’un modèle hydrologique pour simuler des débits moyens journaliers provenant de plus de 800 bassins versants situés dans différentes régions climatiques aux USA et au Canada. Dans un premier temps, une pré-validation de jeux de données de précipitation et température des réanalyses a été faite en les comparant à des jeux de données d’observation à travers les USA, où la couverture spatiale des stations météorologiques est élevée. Chacun des jeux de données a ensuite été utilisé pour caler un modèle hydrologique et pour simuler des débits moyens journaliers provenant de 370 bassins versants aux USA. Les résultats ont montré que la température des réanalyses était similaire à celle des observations sur la majeure partie des USA. Par contre, la précipitation des trois réanalyses globales était biaisée, surtout durant l’été et l’hiver dans le Sud-Est des USA. En dépit de ces biais, les débits simulés contraints par les données des réanalyses étaient similaires à ceux forcés par les observations, sauf dans les régions climatiques Continentales et Subtropicales humides, où l’inadéquate saisonnalité de la précipitation des réanalyses a dégradé la qualité des débits simulés. Ensuite, au Canada où la couverture spatiale des stations météorologiques est plus faible, la précision des débits simulés pour 316 bassins versants en utilisant des données de réanalyses a été comparée à celle des débits simulés en utilisant des données d’observation, en fonction de la densité de stations météorologiques des bassins versants. Les résultats ont montré que les débits simulés en utilisant les données de précipitation et température de CFSR étaient généralement similaires à ceux simulés en utilisant des données d’observation sur grille, quelle que soit la densité de stations météorologiques. Par contre, ERA-Interim et MERRA ont significativement mieux performé que les données d’observation dans la région de montagne, notamment lorsque la densité de stations météorologiques était inférieure à 1 station pour 1000 km2. Enfin, les impacts de la combinaison des trois réanalyses atmosphériques globales et des données d’observation sur la précision des débits simulés ont été évalués. Deux approches de combinaison des bases de données ont été considérées. L’une consiste à utiliser une moyenne pondérée des intrants météorologiques (précipitation et température) de toutes les bases de données, pour caler le modèle hydrologique et pour simuler les débits. La seconde approche consiste à utiliser séparément les intrants météorologiques et à calculer une moyenne pondérée des différents hydrogrammes simulés. Les résultats ont montré des améliorations significatives sur la précision de débits simulés tant en combinant les intrants météorologiques qu’en combinant les hydrogrammes simulés, pour la plupart des bassins versants au Canada et aux USA. Par ailleurs, dans 100% des cas où la précision des débits simulés en utilisant uniquement des données d'observation est faible (correspondant à une valeurs du Nash-Sutcliffe < 0,5), la prise en compte des données des réanalyses a permis d’améliorer considérablement la précision des débits simulés (valeurs de Nash-Sutcliffe augmentées d’au moins 0,3). Globalement, les résultats de cette thèse suggèrent que les données de précipitation et température provenant des réanalyses atmosphériques globales peuvent être utilisées pour les études de modélisation hydrologique dans les régions où il y a peu de stations météorologiques. Toutefois, puisque le potentiel des données de précipitation et température des réanalyses varie spatialement, elles doivent néanmoins être utilisées avec précaution dans les études hydrologiques.

Date	1 août 2016
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Brissette (Directeur(-trice))