Valeur scientifique et opérationnelle des jeux de données alternatifs en hydrologie

L’hydrologie appliquée dépend largement des données hydrométéorologiques, en particulier les mesures de précipitation et de température. Les séries temporelles des variables hydrométéorologiques pertinentes posent toutefois des problèmes, dont de courts horizons, des données manquantes, des erreurs et des biais. Cela limite la capacité de représenter adéquatement la variabilité spatiale et temporelle des processus hydrologiques à l’échelle du bassin. De nouveaux jeux de données ont été proposés pour pallier l’insuffisance d’observations directes. Les jeux disponibles comprennent les données des stations et trois jeux alternatifs : données sur grille, réanalyses d’observations et données produites par les modèles régionaux de climat (MRC). Les scientifiques et les partenaires industriels du projet se proposent d’explorer la valeur scientifique et opérationnelle des jeux de données alternatifs pour l’hydrologie et d’examiner les changements projetés sur l’hydrologie à l’échelle du bassin.

• Comparer la capacité des jeux de données traditionnels et alternatifs de fournir de l’information utile pour les applications et la recherche en hydrologie.

• Examiner de plus près les avantages/inconvénients des données provenant d’observations.

• Déterminer la valeur ajoutée des données générées dynamiquement par les MRC dans les études hydrologiques.

• Évaluer l’impact du changement climatique sur l’hydrologie du bassin au moyen de projections haute résolution du modèle régional canadien du climat.

Cinq thèmes de recherche serviront à comparer la capacité des jeux de données de fournir de l’information utile pour la modélisation hydrologique et l’analyse des extrêmes, et donneront un aperçu de l’optimisation des réseaux d’observation et de la valeur ajoutée des modèles hydrologiques complexes reposant sur la physique.

• Évaluer la fiabilité des données sur grille, des données observées et des données simulées pour la précipitation (P) et la température de surface (T).

• Examiner la rationalisation du réseau au moyen de la configuration optimale de P et T aux fins de la modélisation hydrologique.

• Évaluer les impacts de l’utilisation de plusieurs jeux de données sur les résultats de la modélisation.

• Évaluer la capacité d’un modèle hydrologique complexe distribué reposant sur la physique d’incorporer des valeurs haute résolution de P et T ainsi que d’autres données météorologiques.

• Évaluer la précipitation extrême des jeux de données pour en retirer une information utile.

Ce projet a évalué des jeux de données sur grille interpolés à partir de données de stations, de réanalyses atmosphériques et de données produites par les modèles climatiques régionaux aux fins d’études hydrologiques. Il a également créé CANOPEX (canopex.etsmtl.net), la première base de données canadienne de bassins versants, qui comprend des données sur 698 bassins du Canada. Voir la figure 1.

Figure 1 : Carte des 698 bassins versants inclus dans la base de données CANOPEX et leur précipitation annuelle moyenne tirée de la base de données de Ressources naturelles Canada (mm).

Voici les principaux résultats de l’étude :

• Tous les jeux de données sur grille interpolés à partir des données de stations diffèrent en fonction du schéma d’interpolation. Les différences sont particulièrement notables dans les régions à faible densité de stations météorologiques. Cependant, aux fins de la modélisation hydrologique générale, ces jeux de données peuvent être considérés comme étant l’équivalent de la simulation des débits à l’exutoire du bassin.

• L’interpolation réalisée à partir des données de stations lisse les valeurs extrêmes. Cela ne pose pas problème pour la modélisation hydrologique effectuée à l’échelle du bassin versant (sur des superficies supérieures à 500 km2 dans cette étude-ci), mais constitue une limite importante pour les études en milieu urbain et sur de petits bassins.

• La combinaison cohérente de tous les jeux de données a permis de mieux modéliser l’hydrologie que ne l’aurait fait un seul jeu de données.

• Pour la modélisation hydrologique sur l’Amérique du Nord, à l’exception de l’est des États-Unis, où le cycle de précipitation annuel a été plus difficile à reproduire, la réanalyse moderne a donné d’aussi bons résultats que les bases de données provenant de stations.

• L’utilisation de la réanalyse comme jeux de données de référence offre un potentiel élevé, surtout pour l’avenir, car les résolutions spatiales et temporelles deviendront de plus en plus fines et les schémas d’assimilation seront plus sophistiqués et intégreront encore plus d’observations.

• Les résultats indiquent que la réanalyse reproduit adéquatement les observations et extrêmes historiques, mais il semble nécessaire de post-traiter ces séries avant de les utiliser pour produire le tableau intensité-durée-fréquence (IDF), par exemple.

• Une analyse du jeu de données de l’Analyse canadienne de précipitations (CaPA) confirme que l’utilisation des sorties de modèles numériques offre un potentiel considérable à titre de jeux de données de référence. Comme les résultats le suggèrent, à l’avenir, les jeux de données de référence les plus fiables combineront des modèles numériques (analyse) et des observations (terrestres et atmosphériques).

• Les sorties de modèles climatiques régionaux à haute résolution sont encore trop biaisées pour être considérées comme des jeux de données de référence fiables, car elles n’assimilent pas les observations comme le font les réanalyses. Toutefois, les sorties de ces modèles sont utiles pour tester des hypothèses concrètes sur des processus hydrologiques clés comme la fonte de neige.

• Le MRCC piloté par des réanalyses de structures de précipitation ont simulé des intensités spatialement plus homogènes que les observations pour le centre et l’est des États-Unis. Malgré des volumes, intensités et superficies de précipitations significativement plus faibles, elles ont assez bien reproduit les cycles annuels de valeurs caractéristiques. Les propriétés de la pluie ont également été analysées au moyen d’une simple mise à l’échelle prenant en compte les séries observées au Canada et aux États-Unis. Les résultats préliminaires indiquent que, dans l’ensemble, les relations entre les distributions de probabilité extrêmes pour différentes durées sont cohérentes sur de larges régions.

Les résultats présentés ci-dessus ont été traités dans 16 articles et 18 conférences ou affiches. Ce projet a permis de former 17 personnes hautement qualifiées.

• Institut national de recherche scientifique (INRS)

• Université du Québec à Chicoutimi (UQAC)