Développement d’un modèle de neige multicouche dans un contexte de simulation hydrologique distribuée.

Augas, Julien (2023). Développement d’un modèle de neige multicouche dans un contexte de simulation hydrologique distribuée. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 278 p.

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Résumé

Les précipitations neigeuses forment un couvert constitué de différentes couches. Pour simuler ce couvert de neige, le modèle hydrologique HYDROTEL utilise un modèle monocouche de type bilan énergétique/degré-jour. Afin de doter HYDROTEL d’un modèle multicouche pour être plus proche de la réalité physique, il est envisagé de le remplacer par le modèle de neige MASiN, fonctionnant au pas de temps horaire. Afin de limiter les temps de calcul, le nombre maximal de couches de neige de MASiN est réduit pour étudier ses performances de modélisation d’équivalent en eau journalier. Ainsi, ce modèle présente de meilleures performances que celui d’HYDROTEL dans sa configuration multicouche par défaut, et au pas de temps journalier. Mais la réduction du nombre de couches de neige modélisées dans MASiN diminue ses performances. Considérant que les besoins de MASiN en données météorologiques sont substantiels, il est privilégié de modifier le modèle monocouche d’HYDROTEL. Dans ce contexte, le modèle de neige d’HYDROTEL a été modifié en intégrant une structure multicouche qui considère l’estimation de certaines variables d’état sur la base des proportions de glace et d’air au sein du couvert nival, l’intégration de la pluie verglaçante et la modification de la gestion de la compression et de la pluie. Le modèle multicouche montre une meilleure capacité de prédiction, alors que certaines caractéristiques du couvert nival deviennent plus précises, incluant la date de fonte totale et l’équivalent en eau maximal. Le principal défaut du modèle multicouche est la simulation de couches excessivement denses, notamment en période de fonte. Ce défaut est compensé par une meilleure modélisation globale des hauteurs de neige, bien qu’elles demeurent sous-estimées. Face aux évènements météorologiques extrêmes de type redoux, le modèle multicouche s’avère plus réactif, permettant une reproduction de la fonte plus adéquate sur un court lapse de temps. Enfin, les calages sur les débits améliorent la robustesse de la représentation de la crue printanière en période de validation. Finalement, les gains de performances sur la fonte du couvert nival et sur les débits de crues printanières permettent de considérer les modifications suggérées comme une avancée dans le développement du modèle de neige d’HYDROTEL pour la modélisation hydrologique.

Snowpacks are made of different layers. To simulate this snowpack, the semi-distributed hydrological model HYDROTEL includes a monolayer, snow model, using a hybrid approach based on energy balance and degree-day equations. To improve the representation of the snowpack structure, it is suggested to replace this hybrid modelling approach by the hourly, multilayer, snow model MASiN. To reduce the computational time, the effect of reducing the maximum number of snow layers on daily snow water equivalent (SWE) was assessed. The results show that this model provides better performances than the energy balance/degree-day HYDROTEL model. However, decreasing the maximum number of snow layers reduces the performance accordingly. Considering that MASiN requires substantial meteorological data, the choice is made to develop a new version of the snow model in HYDROTEL. In this context, the snow model of HYDROTEL was modified; integrating a multilayer structure while estimating some variables by accounting for the proportions of ice and air within the snowpack, integrating freezing rainfall and modifying the management of snow compression and rainfall. The multilayer model improves the modelling of some snowpack characteristics, including total snowpack melt date and maximum SWE. The main shortcoming of the multilayer model is the simulation of excessively dense layers, especially during the melt period. This shortcoming is compensated by an improved modelling of snow height, but they remained underestimated. Faced with extreme meteorological events like a sudden warming of the weather conditions, the multilayer model becomes more reactive, allowing for a more adequate melt rate over a short period of time. Finally, calibrations with respect to flows improved the representation of the spring freshet during the validation period. Finally, the gains in performance with respect to snowpack melt rate and spring freshet, coupled with a multilayer representation of the snowpack accounting for a greater energetic influence at the atmosphere-snowpack interface, represent definite development advances of the HYDROTEL snow model, leading to improved hydrological modelling in the future.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Baraër, Michel
Mots-clés libres:	couche de neige; débit; equivalent en eau; glace; hauteur; hydrologie; modèle; neige; pluie verglaçante; freezing rainfall; height; hydrology; ice; model; runoff; snow; snow layer; snow water equivalent
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	05 oct. 2023 13:35
Dernière modification:	05 oct. 2023 13:35
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13679

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