The Centre d'expertise hydrique du Québec (CEHQ) operates a distributed hydrological model (MOHYSE), which integrates a snow model (SPH-AV), for the management of dams in the south of Québec. It appears that the estimation of the water quantity of snowmelt in spring remains a variable with a large uncertainty. This research aims to evaluate the potential of remote sensing data for the characterization of snow and ultimately to develop methods of integration of satellite data in the snow model for the improvement of the simulations of spring floods. Remote sensing snow cover area (SCA) products (MODIS[subscript SCN] & IMS) are compared with snow depth surveys at Environment Canada stations and initial simulations of the models. Thru these comparisons, an effective method of integration (seuil[subscript ÉEN]) of remote sensing SCA products, based on the hypothesis that satellites can not identify small amount of snow because snow become"dirty" and discontinuous, was developed.The improvement of the Nash coefficient and the root mean square error for spring 2004 to 2007 for the simulations with the approach developed compared with streamflow simulated without remote sensing is 0.11 and 21% on the optimized watershed (du Nord) and 0.13 and 22% on the verification watershed (aux Écorces).The method also relies to improve peaks identification as much as 36% on the du Nord watershed and 19% on the aux Écorces watershed.The study also shows the potential of QSCAT data for the characterization of snow cover. Overall accuracies around 90% are obtained for the detection of melt during the month of April from 2001 to 2007 on both studied watersheds.The relation between the rise of the backscatter coefficient and the snow depth surveys shows good correlation for the 2004 to 2006 years for the Lachute and St-Jérôme stations (0.64 to 0.93), but less interesting results for the St-Hippolyte station (0.29 to 0.73). QSCAT products considering only the descendant orbit give best results.The integration of remote sensing albedo product did not allow improvement in the simulations because of holes in the temporal series caused by cloud cover. Also, the relation between fractional snow cover and snow depth did not show interesting results in an operational context.The study shows the interest to create new remote sensing SCA products more precise on the studied region. Future works should also evaluate the possibility to adapt the seuil[subscript ÉEN] method for a Kalman filter approach. A more spatially extensive study and a better comprehension of the backscatter response in microwaves of the different elements might eventually permit to obtain useful results with QSCAT data.

Snow cover estimation is a principal source of error for spring streamflow simulations in Québec, Canada. Optical and near infrared remote sensing can improve snow cover area (SCA) estimation due to high spatial resolution but is limited by cloud cover and incoming solar radiation. Passive microwave remote sensing is complementary by its near-transparence to cloud cover and independence to incoming solar radiation, but is limited by its coarse spatial resolution. The study aims to create an improved SCA product from blended passive microwave (AMSR-E daily L3 Brightness Temperature) and optical (MODIS Terra and Aqua daily snow cover L3) remote sensing data in order to improve estimation of river streamflow caused by snowmelt with Québec's operational MOHYSE hydrological model through direct-insertion of the blended SCA product in a coupled snowmelt module (SPH-AV). SCA estimated from AMSR-E data is first compared with SCA estimated with MODIS, as well as with in situ snow depth measurements. Results show good agreement (+95%) between AMSR-E-derived and MODIS-derived SCA products in spring but comparisons with Environment Canada ground stations and SCA derived from Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) data show lesser agreements (83 % and 74% respectively). Results also show that AMSR-E generally underestimates SCA. Assimilating the blended snow product in SPH-AV coupled with MOHYSE yields significant improvement of simulated streamflow for the aux Écorces et au Saumon rivers overall when compared with simulations with no update during thaw events. These improvements are similar to results driven by biweekly ground data. Assimilation of remotely-sensed passive microwave data was also found to have little positive impact on springflood forecast due to the difficulty in differentiating melting snow from snow-free surfaces. Considering the direct-insertion and Newtonian nudging assimilation methods, the study also shows the latter method to be superior to the former, notably when assimilating noisy data.

Le potentiel de l’assimilation d’un type d’observation pour la prévision hydrologique a été démontré dans certaines études. Cependant, le potentiel de l’assimilation simultanée de plusieurs types d’observations a été peu validé, particulièrement pour les données comprenant une information sur la neige au sol. De plus, l’amplitude et la durée de l’impact de l’assimilation de données peuvent dépendre du type de données assimilé, ainsi que du contenu du vecteur d’état employé pour mettre à jour les variables ou les paramètres du modèle hydrologique. La présente thèse examine l’impact de l’assimilation de données multivariées en fonction du type de données assimilé et du contenu du vecteur d’état pour la prévision hydrologique à court terme (horizon de prévision jusqu’à 5 jours) et moyen terme (horizon de prévision entre 25 et 50 jours). Le filtre de Kalman d’ensemble est employé pour assimiler les observations de l’équivalent en eau de la neige à trois endroits sur le bassin versant de la rivière Nechako, ainsi que le débit à l’exutoire, dans le modèle hydrologique CEQUEAU. Les scénarios d’assimilation sont premièrement testés dans un cadre synthétique afin d’identifier les variables les plus susceptibles à l’assimilation des données pour la prévision hydrologique. La robustesse des scénarios d’assimilation de données est ensuite testée en introduisant un biais sur les précipitations solides. Finalement, les observations réelles sont assimilées pour vérifier l’impact réel des scénarios pour la prévision hydrologique. Les résultats montrent une amélioration variable des prévisions hydrologiques en fonction des scénarios selon plusieurs critères de performance mesurant l’exactitude, le biais et la représentativité de l’incertitude représentée par les prévisions d’ensemble. L’assimilation du débit pour la mise à jour des variables améliore principalement les prévisions à court terme, tandis que l’impact de la mise à jour de certains paramètres persiste à moyen terme. L’assimilation de l’équivalent en eau de la neige améliore les prévisions à court et moyen terme, principalement pendant la période de fonte de neige. Pour la plupart des scénarios, l’assimilation simultanée du débit et de l’équivalent en eau de la neige surpasse l’assimilation des données individuellement. Ces résultats sont cohérents entre les cadres synthétique et réel.

L'objet de la présente thèse est de caractériser, quantifier et modéliser les flux d'eau au sein de la Réserve Naturelle Nationale de la Tourbière des Dauges, située en Limousin (Massif Central, France) et qui inclue une tourbière acide de fond de vallon et son bassin versant. Un ensemble de techniques, incluant la description de coupes superficielles existantes, la réinterprétation de sondages géologiques profonds, la tomographie de résistivité électrique et une modélisation de la distribution spatiale des formations affleurantes, ont été utilisées pour caractériser la nature et la géométrie des formations d'altération du granite. Les dépôts alluviaux et tourbeux ont été caractérisés et cartographiés par sondage à la tarière et à la tige filetée, et leur conductivité hydraulique estimée par choc hydraulique. Les précipitations, les paramètres météorologiques nécessaires au calcul de l'évapotranspiration potentielle, les débits et niveaux dans les ruisseaux, et les niveaux piézométriques dans la tourbe et les formations minérales sous jacentes ont été mesurés en continu pendant trois ans. Le modèle hydrologique distribué à base physique MIKE SHE / MIKE 11 a été utilisé pour modéliser les écoulements et les niveaux piézométriques au sein de la tourbière et de son bassin versant avec un pas de temps quotidien et une résolution spatiale de IO m. Il est montré que les apports souterrains issus de la zone fissurée du granite et suintant au travers du dépôt tourbeux constituent une part quantitativement importante et fonctionnellement essentielle de la balance hydrique de la zone humide. La présence d'une nappe affleurante entraîne une évacuation rapide vers les cours d'eau des apports par ruissellement ou par précipitation directe du fait de la saturation des histosols. Toutefois, il est montré que le fonctionnement hydrologique à l'échelle locale peut s'éloigner de ce schéma général du fait d'une grande hétérogénéité du taux d'humification et de la conductivité hydraulique de la tourbe, de la présence de dépôts alluviaux très perméables sous ou au sein du dépôt tourbeux et de perturbations anthropiques passées. Une fois calibré, le modèle hydrologique, qui représente la zone fissurée du socle granitique comme un milieu poreux équivalent, donne des résultats satisfaisants à très bons selon les indicateurs de performance utilisés: il est capable de reproduire les débits dans les cours d'eau au niveau des quatre stations de jaugeage disponibles, et le niveau de la nappe dans la plupart des piézomètres installés. A l'échelle du bassin versant étudié, le niveau moyen de la nappe simulé par le modèle montre une très bonne concordance avec la distribution observée des végétations de zone humide, cartographiée de manière indépendante. Les analyses de sensibilité ont montré que la porosité efficace et la conductivité hydraulique horizontale de la zone fissurée du granite sont les paramètres auxquels les débits et les niveaux de nappe (y compris dans la tourbe) simulés par le modèle sont les plus sensibles, ce qui démontre l'importance d'une meilleure caractérisation des formations d'altération du granite dans tout le bassin versant pour la compréhension et la modélisation du fonctionnement hydrologique de ce type de zone humide. Le modèle a été utilisé pour simuler l'impact potentiel d'un changement d'occupation des sols au sein du bassin versant sur la balance hydrique et les niveaux de nappe dans la zone humide, ainsi que sur les débits dans les cours d'eau. Le modèle suggère que le remplacement des végétations conduirait à une réduction substantielle des apports de surface et souterrains à la tourbière et à un abaissement conséquent des niveaux de nappe dans les histosols en période estivale. / This thesis identifies, quantifies and models water fluxes within the Dauges National Nature Reserve, an acidic valley mire in the French Massif Central. A range of techniques were used to investigate the nature and geometry of granite weathering formations and of peat deposits. Rainfall, reference evapotranspiration, stream discharge, stream stage, groundwater table depths and piezometric heads were monitored over a three-year period. The distributed, physics-based hydrological model MIKE SHE / MIKE 11 was used to model water flow within the mire and its catchment. lt was shown that the mire is mostly fed by groundwater flowing within the densely fissured granite zone and upwelling through the peat deposits. Upwelling to the peat layer and see page to overland flow were highest along the mire boundaries. However hydrological functioning differs from this general conceptual model in some locations due to the high variability of the peat hydraulic characteristics, the presence of highly permeable alluvial deposits of past human interference including drainage. The equivalent porous medium approach used to mode groundwater flow within the fissured granite zone gave satisfactory results : the model was able to reproduce discharge at several locations within the high-relief catchment and groundwater table depth in most monitoring points. Sensitivity analyses showed that the specific yield and horizontal hydraulic conductivity of the fissured zone are the parameter to which simulated stream discharge and groundwater table depth, including in peat, are most sensitive. The model was forced with new vegetation pararneters to assess the potential impacts of changes in catchment land use on the mire hydrological conditions. Replacement of the broad leaf woodlands that currently cover most of the catchment with conifer plantations would lead to a substantial reduction in surface and groundwater intlows to the mire and to a substantial drop in summer groundwater table depths, particularly along the mire margins.

La prévision des débits d'étiage est une question importante dans la gestion des bassins versants. Pendant les périodes de basses eaux, l'écoulement de base peut devenir une composante majeure des débits en rivière. Dans les modèles hydrologiques, la composante de l'écoulement souterrain est souvent très simplifiée. Ceci découle le plus souvent d'une caractérisation insuffisante des aquifères et les temps de calculs prohibitifs des modèles intégrant de manière complète l'écoulement souterrain. Cette thèse développe un modèle représentant les écoulements souterrains peu profonds et profonds qui nécessitent peu de paramètres et dont les calculs sont efficaces et fiables. Le modèle proposé peut être utilisé à la place d'un modèle d'écoulement souterrain en différences finies ou en éléments finis, mais il a été conçu dans le but d'être incorporé à un modèle hydrologique de bassin versant. Le modèle d'écoulement transitoire de versant "hillslope-storage Boussinesq" (hsB) (Troch et al., 2003, Paniconi et al., 2003) est sélectionné pour représenter l'écoulement souterrain peu profond à l'échelle locale. Le modèle hsB est couplé avec le modèle GLOW d'écoulement permanent basé sur la méthode des éléments analytiques (EA) (Strack, 1989; Haitjema, 1995) qui représente l'écoulement régional profond 2D horizontal. L'approche de couplage utilisée nécessite d'intégrer un terme de percolation à la base du modèle hsB. Ce terme de percolation est représenté par un flux vertical de Darcy à travers un aquitard hypothétique séparant le versant local de l'aquifère 2D régional. Afin de mieux comprendre les facteurs contrôlant la percolation, les facteurs tels que la géométrie du versant, l'inclinaison de la base, les propriétés des aquifères et les conditions limites sont évalués à l'aide d'un modèle 3D basé sur l'équation de Richards (Paniconi et Putti, 1994 ; Camporese et al., 2010). Les observations principales de cette analyse sont: i) l'eau peut circuler vers le bas ou vers le haut entre les aquifères de peu profonds et profonds et séparer les versants en trois zones distinctes: une zone de flux descendant à l'amont, une zone de flux descendant à l'aval et une zone de transition entre les deux; ii) l'inclinaison des versants et leur géométrie déterminent la partition des flux échangés. Ces résultats sont utilisés dans la mise en œuvre du couplage entre les modèles hsB et EA, où chaque versant et l'aquifère sous-jacent sont subdivisés en trois zones de percolation constante. Le modèle hsB/EA est testé sur différents types de versants et sur un bassin hypothétique formé de deux versants convergeant vers un cours d'eau. La comparaison avec les résultats d'un modèle numérique 3D basé sur l'équation de Richards et utilisé comme référence démontrent: i) que les charges hydrauliques, les taux de percolation et les débits aux exutoires sont généralement bien simulés; ii) de meilleurs résultats ont été obtenus pour les versants peu ou très peu inclinés aux géométries uniformes et divergentes; iii) les débits cumulés sont simulés de manière convenable pour le bassin hypothétique. Les écarts entre le modèle de référence sont attribués au fait que la zone non-saturée n'est pas représentée dans le modèle hsB et à l'hypothèse de Dupuit-Forchheimer du modèle EA qui néglige l'écoulement vertical dans la nappe profonde. Le fait que le modèle EA ne permette pas de simuler l'écoulement en régime transitoire est une autre limitation du modèle hsB/EA (e.g. Kuhlman et Neuman, 2009). Une application du modèle hsB/EA sur un bassin versant de 30 km2 situé dans la région de Covey Hill au sud du Québec a été réalisée. Dans cette application du modèle hsB/EA, les débits de base sont assez bien reproduits à l'exutoire du bassin versant pendant les périodes d'étiage. Toutefois, des écarts importants sont observés au cours des débits de pointe. Les erreurs sur les charges sont également non négligeables dans les zones où un gradient vertical a été observé. Ces erreurs peuvent être attribuées en parties aux limitations du modèle développé. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : hydrologie des versants, percolation, équation de Boussinesq, équation de Richards, éléments analytiques, eaux souterraines stratifié, modèle couplé

La prévisibilité des changements dans la qualité et la quantité des ressources hydriques renouvelables repose sur une étude quantitative des mécanismes qui contrôlent ces paramètres. En lien avec cette problématique, la présente étude privilégie une approche fondée sur le monitoring géochimique des exports fluviaux dissous (δ2H-δ18O, cations majeurs, carbone organique dissous (COD), Nd, Sr, 87Sr/86Sr, U, (234U/238U)). L'élude a pour objectif (i) de tracer le cycle de l'eau et (ii) de documenter les taux d'altération chimique des roches au sein des basins hydrographiques des baies d'Hudson, de James et d'Ungava (HJUB) ainsi que du fleuve Saint-Laurent. La région d'étude couvre plus de 2,8x 106km2 sur 15 degrés de latitude. Les rivières Koksoak, Great Whale, La Grande et des Outaouais et les fleuves Nelson el Saint-Laurent ont fait l'objet d'un suivi temporel alors que dix autres rivières de la région ont été échantillonnées ponctuellement (durant la fonte des neiges et l'étiage estival) afin de fournir des informations complémentaires. Les teneurs en 2H-18O des rivières étudiées présentent des variations saisonnières systématiques dont l'amplitude atteint 1 à 5%o (δ18O). L'appauvrissement en isotopes lourds marquant la fonte des neiges constitue le trait caractéristique des profils isotopiques saisonniers. Lors de la période libre de glace, des enrichissements graduels en isotopes lourds sont observés en réponse à l'évaporation. La rivière La Grande est une exception à cette règle en raison de l'effet tampon causé par les réservoirs hydroélectriques qui la ponctuent. Lorsque rapportées dans un graphique δ2H vs δ18O, les rivières définissent des droites évaporatoires situées sous la droite des eaux météoriques et ayant une pente plus faible que cette dernière. À partir de bilans de masses isotopiques, il a été estimé que 10% de l'eau atteignant le bassin de la rivière des Outaouais est évaporée avant de rejoindre l’exutoire de cette dernière dans le fleuve Saint-Laurent. De façon similaire, on estime à 5-15% les taux d'évaporation dans les bassins hydrographiques du nord-est du Canada. Les rivières drainant les bassins hydrographiques contigus du nord-est du Canada définissent un gradient isotopique latitudinal (δ18O (%o vs VSMOW) = -0.36*Latitude+4.4%o) parallèle à celui rapporté pour les précipitations au niveau de la même région. Cette observation tend à indiquer que le gradient isotopique hérité des précipitations est conservé dans les rivières, malgré les processus subséquents à la recharge des bassins. Au sein des bassins de l'HJUB, les taux d'altération des roches ont été étudiés à partir des exports fluviaux dissous. Les rivières du bouclier présentent des concentrations en cations majeurs variant entre 62 ct 360 μM, des teneurs en néodyme ([Nd]) allant de 0.57 à 4.72 nM et des teneurs en COD variant entre 241 ct 1777 μM. En comparaison, le fleuve Nelson présente des concentrations en cations majeurs plus élevées (1200-2276 μM), des [Nd] plus faibles (0.14-0.45 nM) ct des [COD] intermédiaires (753-928 μM). Au sein des rivières Koksoak, Great Whale et Nelson, les concentrations en cations dissous (Na-K-Mg-Ca-Sr) présentent des variations saisonnières qui transcrivent l'effet des conditions hydro-climatiques. Comme pour les teneurs en 2H-18O, la dilution causée par la fonte des neiges constitue le trait caractéristique des chroniques saisonnières. Les rivières étudiées exportent vers l’HJUB un flux cationique dissout (Na-K-Mg-Ca-Sr) de 8x106 tonnes*an-1. Au sein des bassins hydrographiques, les taux d'altération chimique (cationique) des roches varient entre 1.0 et 5.6 tonnes*km-2*an-1. Le contrôle lithologique est proéminent, tel que suggéré par la relation établie entre l'abondance de roches volcaniques et sédimentaires (V+S%) dans les bassins et les taux d'altération cationiques des roches (ACR): ACR=0.8*(V+S%)+0.9. Les flux de Nd sont découplés des taux d'altération des roches mais corrélés aux taux de COD (r2=0.95). Ces derniers diminuent vers le nord et semblent tributaires des conditions hydro-climatiques. Les exports fluviaux d'uranium ont été étudiés a fin de fournir des précisions sur les processus d'altération des roches. Les rivières drainant le Bouclier canadien et la Plate-Forme Intérieure présentent des signatures [U] vs (234U/238U) distinctes. Dans le fleuve Nelson (Plate-Forme Intérieure) les [U] varient entre 1.05 et 2.45 nM et les déséquilibres (234U/238U) atteignent 1.21 à 1.25. Les [U] sont plus faibles au sein du Bouclier canadien (0.04-1.24 nM) alors que les déséquilibres (234U/238U) sont plus variables (1.11-1.99). Dans l'ensemble, les rivières étudiées exportent 3.4x105 moles*an-1 d’uranium vers l’HJUB, avec un ratio (234U/238U) moyen de 1.27. Les flux d'U sont découplés des taux d’altération des roches et l'accumulation d’uranium au sein de dépôts organiques semble intervenir sur les budgets à l’échelle des bassins. Les signatures (234U/238U) distinctes des rivières étudiées pourraient offrir la possibilité de tracer les exports fluviaux dissous au sein du domaine océanique de l’HJUB. ______________________________________________________________________________

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique du climat : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 257-265.

Le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) fait partie d'une grande variété de modèles climatiques développés à travers le monde. Basé sur les lois fondamentales de la physique et sur les techniques numériques les plus modernes et les plus performantes, il génère des variables avec une bonne résolution spatiale qui sont physiquement cohérentes entre elles. Dans le cadre de cette thèse, le MRCC est utilisé pour étudier une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. Une approche intégrée d'analyse et de validation du cycle hydrologique du modèle a été développée. Cette approche comprend une analyse à l'échelle multi-annuelle pour l'ensemble d'un bassin versant et intègre les deux branches du cycle hydrologique : atmosphérique et terrestre. Cette façon de procéder nous a permis d'évaluer la capacité de trois versions du MRCC à simuler correctement chacune des composantes du bilan hydrologique. Parallèlement, la sensibilité de ces composantes aux différents paramétrages physiques a été examinée. Dans un premier temps, les comosantes du cycles hydrologiques sur le bassin versant du Mississippi simulées par les versions 3.6 et 4.0 du MRCC ont été comparées et évaluées par les observations et quasi-observations (estimations basées sur les observations et sur une analyse du bilan de l'eau). Les changements entre la version 3.6 et 4.0 portent sur plusieurs éléments: le schéma de radiation solaire à deux bandes a été remplacé par un schéma à quatre bandes; le schéma de surface de la première génération a été changé par un schéma beaucoup plus sophistiqué de la deuxième génération ; les traitements de couverture des nuages et du transfert turbulent dans la couche limite ont été également améliorés. L'effet net de tous ces changements dans les paramétrages physiques du MRCC est une réduction importante des biais moyens annuels d'évapotranspiration (de 42% à 10%) et de précipitation (de 17% à -6%) ainsi qu'une meilleure représentation de la distribution spatiale de ces variables. Les cycles annuels de précipitation, d'évapotranspiration, de convergence de flux d'humidité et de tendance dans le stockage de l'eau terrestre ont également montré une amélioration importante. Cependant, le biais annuel du ruissellement a légèrement augmenté (de -41 % a -45%). Dans un deuxième temps, une paire de simulations se distinguant seulement par le paramétrage de processus de surface a été analysée afin de mieux comprendre le rôle de ces processus dans le cycle hydrologique du modèle. Les résultats de l'analyse, effectuée sur trois grands bassins versants (Mississippi, Saint-Laurent et Mackenzie), montrent que le schéma simple de la première génération a d'importantes limitations dans la simulation des processus associés à l'évapotranspiration. Si les biais dans les moyennes annuelles des composantes principales du cycle de l'eau pour les simulations basées sur les deux schémas de surface sont plutôt similaires, les cycles annuels basés sur le schéma de la première génération montrent des biais très grands. L'analyse d'une autre paire de simulations, générées avec la même version du modèle, mais pilotées avec des réanalyses atmosphériques différentes, a mis en évidence la sensibilité du cycle hydrologique aux données utilisées pour piloter le modèle régional à ses frontières. La sensibilité aux données du pilote est en général plus faible que la sensibilité au schéma de surface et s'est montrée plus grande pour les bassins nordiques (Mackenzie et Saint-Laurent). L'analyse d'une troisième paire de simulations avec des conditions initiales différentes a montré que la variabilité interne du modèle à l'échelle multi-annuelle sur l'ensemble d'un bassin versant est négligeable par rapport aux modifications introduites par le changement du schéma de surface et du pilote. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cycle hydrologique, Bassin versant, Modèle climatique, Paramétrages physiques.

Ce projet de recherche a pour but d’identifier une méthode d’assimilation automatique de données qui pourrait être utilisée dans le cadre de la prévision opérationnelle de crues. Le filtre de Kalman d’ensemble (EnKF) et l’assimilation variationnelle ont ainsi été comparés en premier lieu en utilisant le modèle GR4Jneige. Les résultats ont montré que l’EnKF fournit la meilleure performance pour tous les horizons de prévision lorsque comparé à différentes implantations de la méthode variationnelle. La performance de la méthode variationnelle varie toutefois d’un bassin à un autre. Les prévisions hydrologiques déterministes émises à partir de l’EnKF produisent une performance supérieure au scénario sans assimilation, ce qui n’est pas toujours le cas pour la méthode variationnelle. L’assimilation naïve des sorties ne donne pas des bons résultats au-delà du second jour de prévision. L’EnKF a par la suite été mis en œuvre avec un modèle hydrologique semi-distribué (Hydrotel) afin d’améliorer les conditions initiales de la prévision hydrologique d’ensemble (PHE). La vérification de la qualité des PHE sur le bassin versant au Saumon, pour la période exempte de l’influence de la neige, a révélé une amélioration considérable de la performance et de la fiabilité par rapport aux résultats sans assimilation. L’assimilation manuelle fournit une performance similaire à l’EnKF, mais est beaucoup moins fiable que cette dernière. Les 1000 membres de la PHE générée par EnKF peuvent se réduire jusqu’à 50 sans perte de fiabilité ou de performance. De bons résultats ont aussi été obtenus pour la période d’accumulation et de fonte de la neige, notamment par mise à jour de l’équivalent en eau de la neige en plus des variables identifiées précédemment : la teneur en eau du sol et l’écoulement terrestre. Différents produits canadiens de prévision météorologique d’ensemble (PME) ont finalement été comparés pour évaluer l’impact de leur résolution spatiale sur la qualité de la PHE – ils ont aussi été comparés à des produits déterministes. Les résultats ont montré que la PME mène à une meilleure performance que les produits déterministes. Les PME globale et régionale partagent la même performance, par contre le produit régional s’est révélé plus fiable et a une meilleure capacité à caractériser l’incertitude de la prévision. / The aim of this research project is to identify an automatic data assimilation method that could be used in an operational flood forecasting context. The Ensemble Kalman Filter (EnKF) and the variational assimilation method were first compared on the GR4Jsnow model. Results showed that the EnKF provides the best performance for all forecast horizons when compared to various implementations of the variational method. The performance of the variational method varied from one watershed to another. The deterministic hydrological forecasts issued from the EnKF generate better performance than forecasts without assimilation, which is not always the case for the variational method. The naïve output assimilation is not recommended for forecasts beyond a 2-day horizon. The EnKF was next implemented on a semi-distributed hydrological model (Hydrotel) to improve the initial conditions of the hydrological ensemble predictions (HEP), for the snow-free flows on the au Saumon watershed. The verification of the quality of the HEP showed a considerable improvement in both performance and reliabilty in comparison to the results of model without assimilation. Manual assimilation provides performance similar to the EnKF, but with much less reliability. The 1000-member HEP obtained from the EnKF can be reduced up to 50 members without any loss of reliability or performance. Similar results were obtained for snow accumulation and melt periods, especially when updating the snow water equivalent in addition to the state variables previously identified for the snow-free flows, namely the soil water content and the land flow. Different Canadian meteorological ensemble prediction systems (EPS) were also compared to assess the impact of spatial resolution of these systems on the quality of the HEP – they were also compared to deterministic products. The results showed that EPS are superior to the deterministic products. Global and regional EPS share the same performance, in contrast the regional product that turned out more reliable and characterize the uncertainty of the forecast.

Une configuration alternative de la chaîne de modélisation hydroclimatique est proposée contournant la rareté des observations météorologiques nécessaires au post-traitement statistique des simulations climatiques ainsi qu’au calage du modèle hydrologique. Cette configuration propose de calibrer les fonctions de transfert nécessaires au post-traitement statistique conjointement aux paramètres du modèle hydrologique et repose sur l’hypothèse que les variations de débits observées à l’exutoire d’un bassin versant constituent un proxy valable des forçages climatiques correspondant. Cette configuration repose également sur la notion de « fonction-objectif asynchrone », c’est-à-dire un critère d’erreur négligeant volontairement la corrélation entre deux variables. Parce qu’elles sont largement dépendantes des observations disponibles, les configurations conventionnelles de la chaîne de modélisation hydroclimatique sont généralement limitées au déploiement des champs précipitations et températures. Elles sont conséquemment limitées à l’usage de formulations empiriques pour évaluer les processus hydrologiques à l’échelle du bassin versant. Par la mise en place de la configuration alternative, les champs humidité de l’air, rayonnement solaire et vitesse du vent sont intégrés à une chaîne complète de modélisation hydroclimatique, permettant la construction de projections hydrologiques à partir de la formulation physique d’évapotranspiration de référence de Penman-Montheith. Les projections ainsi produites sont comparées à celles issues d’une configuration conventionnelle employant des réanalyses comme substituts aux observations. Les deux configurations sont mises en place sur le bassin versant de la rivière Du Loup, un bassin forestier de taille intermédiaire localisé dans la Vallée du Saint-Laurent, à partir des simulations issues de l’ensemble climatique CRCM5-LE et du modèle hydrologique distribué à base physique WaSiM-ETH. L’analyse des projections hydrologiques produites démontrent la capacité de la configuration alternative à produire une réponse hydrologique cohérente, généralement plus robuste que celle produite par une configuration conventionnelle. Cette dernière s’avère sensible aux biais inscrits à même les réanalyses, affectant le post-traitement des séries simulées et l’identification des paramètres calibrés. Sur la période historique, la formulation de Penman-Montheith offre une représentation plus cohérente des fluctuations d’évapotranspiration comparativement à une formulation empirique basée exclusivement sur la température de l’air. La projection de l’évapotranspiration, des teneurs en eau dans le sol ainsi que des étiages estivaux se sont avérée sensibles aux choix de la formulation d’évapotranspiration. La configuration alternative proposée répond d’abord à une incohérence structurelle inscrite dans les configurations conventionnelles de la chaîne de modélisation hydroclimatique. Elle permet également le déploiement d’une modélisation hydroclimatique à base physique cohérente pour des régions où les observations météorologiques sont rares tel que les régions montagneuses ou septentrionales, ou bien en voie de développement.