Impact of the spatial density of weather stations on the performance of distributed and lumped hydrological models

Abstract

This study aimed to quantify the ability of distributed and lumped hydrological models to use high-resolution precipitation and temperature data to improve streamflow simulation at watershed outlets. To that end, a 40-year, high-resolution, spatially distributed, meteorological dataset was extracted from a 15-km resolution regional climate model simulation (from the Canadian Regional Climate Model – CRCM v.4.2.4 driven by ERA40 reanalysis). This dataset was used to feed one distributed and four lumped hydrological models. The five models were calibrated on 192 watersheds located in the province of Quebec (Canada) using five different meteorological network densities of pseudo-stations. These densities ranged from one single station (located at the centre of gravity of the watershed) up to the maximum grid density of 1 station per 225 km² (15 km × 15 km which corresponds to the CRCM spatial resolution). No significant decrease in validation performance for both types of hydrological models was observed when using any of the tested station densities. Similar results were also obtained when investigating the subsets of 54 smaller (≤2,500 km²) and 84 medium-sized (2,500 < area <10,000 km²) watersheds. However, for the 54 larger watersheds (≥10,000 km²), the decrease in performance was statistically significant for the distributed model when using one single station. While all lumped models showed a noticeable drop in performance only when using a single station, the distributed model was the only model to show a gradual decrease in performance as the network density decreased. These results indicate that when dealing with large watersheds, distributed models could benefit up to some extent from a larger meteorological network density. These conclusions are likely to be relevant to Canadian watersheds with similar physiographic characteristics and hydroclimatic conditions as the ones included in the Quebec database that was studied.

RÉSUMÉ

Cette étude visait à quantifier la capacité des modèles hydrologiques distribués et globaux à utiliser des données de précipitation et de température à haute résolution afin d’améliorer la prédiction des débits en rivière à l’exutoire des bassins versants. À cette fin, un ensemble 40 années de données météorologiques à haute résolution et spatialement distribuées a été extrait d’une simulation d’un modèle régional du climat (Modèle régional canadien du climat – MRCC v.4.2.4 piloté par la réanalyse ERA40) à une résolution de 15 km. Cette base de données a été utilisée pour alimenter un modèle hydrologique distribué et quatre modèles globaux. La calibration a été effectuée sur 192 bassins versants au Québec (Canada) en utilisant cinq densités spatiales de stations météorologiques différentes. Ces densités variaient d’une seule station (située au centre de gravité du bassin versant), jusqu’à la densité de grille maximale de 1 station par 225 km² (15 km × 15 km, correspondant à la résolution spatiale du MRCC). Les résultats sur l’ensemble des bassins versants n’indiquent aucune diminution significative de la performance en validation pour les deux types de modèles lorsque les différentes densités sont testées. Des résultats similaires ont été obtenus pour les sous-ensembles de 54 petits (≤2,500 km²) et 84 moyens (2,500 < superficie <10,000 km²) bassins versants. Pour les 54 grands (≥10,000 km²) bassins versants, la diminution de performance était significative pour le modèle distribué lorsqu’une seule station était utilisée. Tandis que tous les modèles globaux ont montré une diminution notable de la performance seulement lors de l’utilisation d’une seule station, le modèle distribué était seul modèle à afficher une diminution progressive au fur et à mesure que la densité de stations était réduite. Ces résultats indiquent que pour des grands bassins versants, les modèles distribués pourraient bénéficier dans une certaine mesure d’une plus grande densité de stations météorologiques. Ces conclusions sont susceptibles d’être pertinentes pour les bassins versants canadiens avec des caractéristiques physiographiques et conditions hydoclimatiques similaires à celles des bassins versants québécois.

Keywords:

• Hydrological modelling
• lumped model
• distributed model
• regional climate model

MOTS-CLÉS:

• Modélisation hydrologique
• modèle global
• modèle distribué
• modèle régional du climat

Acknowledgements

The authors would like to thank the Ouranos Consortium on Regional Climatology and Adaptation to Climate Change for allowing the free use of the CRCM4 data over the province of Quebec in Canada. The CRCM4 model used in this study was from version 4.2.4 over the 15-km Quebec horizontal grid domain, code name ‘agy’. The authors would also like to thank the Centre d’expertises hydriques du Québec (CEHQ), Hydro-Québec and Rio Tinto Alcan for the CQ2 Quebec watershed database, Stéphane Savary and Yan Coulombe for their help in setting up the distributed HYDROTEL model in the CRCM virtual world and Lester Ingber, Shinichi Sakata and all the contributors for the ASA source code, which is available at http://www.ingber.com/, and the publicly available MATLAB routines for ASA, also available at http://ssakata.sdf.org/software/.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

Funding for this research was provided by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC).