Modeling of the thermal regime of rivers subject to seasonal ice cover using data from different sources and temporal resolutions

Abstract

A comprehensive picture of the spatial and temporal patterns of river thermal regimes requires temperature recorded over continuous long time series and across various environments. Unfortunately, these data are generally scarce in extended areas. In Canada, the first attempt to a general large-scale characterization of river thermal regimes was done using a standardized three-parameter Gaussian function and continuous temperature records collected in 158 Québec rivers. This model provided estimates of the river temperature annual maximum, the date of the annual maximum occurrence and the duration of the warm season, with confidence intervals linked to the duration of the available time series. This resulting thermal map was however limited spatially by the geographical location of the monitoring stations, restricted to the eastern portion of the province. It was also based on relatively short and recent temperature series, with most records shorter than five years and starting after 2010. In this work, we expanded both the space and time spans of the Québec rivers thermal map by adding new temperature data sources, namely satellite thermal data and spot measurements. Satellite data provided thermal information in remote northern regions where in situ data acquisition is difficult, from early 1980s until today. Spot measurements from the Banque de données sur la qualité des milieux aquatiques allowed to add nearly 250 rivers to the Québec thermal regimes characterization, with several stations operating since 1979. These three data sources were combined to characterize Québec rivers thermal regimes in more than 400 rivers and streams, over an extended geographical distribution. Uncertainty brought by the coarser temporal resolution of the spot and combined time series was assessed and found to result in substantially larger confidence intervals on the estimated model parameters, as compared with the confidence intervals obtained when using continuous time series of similar length.

RÉSUMÉ

Pour être en mesure de brosser un portrait complet des régimes thermiques des rivières d’une région donnée et de leur variabilité spatio-temporelle, il est nécessaire de disposer de chroniques de température longues et acquises sur un large éventail de milieux. Malheureusement, de telles chroniques sont rares, surtout si on considère des régions étendues. La première caractérisation à grande échelle des régimes thermiques de rivières canadiennes à avoir été proposée faisait usage d’un modèle commun à trois paramètres basé sur la fonction gaussienne, ajusté sur séries continues de températures acquises dans 158 rivières québécoises. Ce modèle estime la température annuelle maximale, la date d’occurrence de ce maximum et la durée de la saison chaude, avec des intervalles de confiance liés à la longueur des séries temporelles disponibles. Le portrait thermique en résultant était toutefois limité par la distribution spatiale des stations de mesure, circonscrite à l’est de la province. Il était aussi basé sur des chroniques relativement courtes et récentes, les séries couvrant pour la plupart des durées de moins de cinq ans et débutant après 2010. Le présent article propose un portrait thermique des rivières québécoises plus étendu spatialement et temporellement, grâce à l’ajout de deux nouvelles sources de données de température, à savoir des mesures ponctuelles et des mesures thermiques satellitaires. Les données satellitaires ont permis de recueillir de l’information thermique pour des rivières éloignées où les mesures in situ sont difficiles, du début des années 1980 à aujourd’hui. Quant à elles, les données ponctuelles de la Banque de données sur la qualité des milieux aquatiques ont permis d’ajouter près de 250 rivières au portait thermique, avec plusieurs d’entre elles bénéficiant d’un suivi depuis 1979. Ces trois sources de données ont été combinées pour caractériser plus de 400 régimes thermiques de rivières distribuées dans tout le Québec. La moindre résolution temporelle des séries de données ponctuelles ou combinées résulte toutefois en des intervalles de confiance plus grands pour chacun des trois paramètres du modèle, comparativement aux intervalles de confiance obtenus lorsque le modèle est ajusté sur des chroniques continues de durées équivalentes.

Keywords:

• River thermal regime
• sparse data
• remote sensing

Acknowledgements

Dr S. Ermida kindly provided details and help for the use of her GEE code for the retrieval of Landsat data. Comments from two reviewers helped improve this article significantly. Authors also wish to thank A. St-Hilaire for his comments on the manuscript, as well as the following RivTemp contributors for sharing their data and/or for their active participation in collecting river temperature data: Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, Direction de l’expertise sur la faune aquatique, Système d’information sur la faune aquatique (IFA), Suivi de la température de l’eau and Directions régionales de la gestion de la faune of Bas-St-Laurent, Saguenay-Lac-St-Jean, Capitale-Nationale, Côte-Nord, Gaspésie and Nord-du-Québec; Institut national de la recherche scientifique; Fisheries and Oceans Canada (Restigouche and Miramichi Water Temperature Database); Hydro-Québec; Corporation du bassin de la Jacques-Cartier; Société Cascapédia; Organisme des bassins versants de la Haute-Côte-Nord; Corporation de gestion de la pêche sportive de la rivière Mitis (Zec Rivière Mitis); Parc national de la Jacques-Cartier (Société des établissements de plein air du Québec (Sépaq)); Parc national de la Gaspésie (Société des établissements de plein air du Québec (Sépaq)); Ministère de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques. Thermal data collected since 2014 within the Restigouche River watershed is managed by the Gespe’gewaq Mi’gmaq Resource Council in close collaboration with the Matapedia-Restigouche Watershed Organization (OBVMR). Contains information licensed under the Open Government Licence – Canada (Richelieu River temperature data).

Data availability statement

No new data were generated in this study. Most RivTemp data can be accessed under certain conditions (rivtemp.ca). BQMA data can be accessed online (https://www.donneesquebec.ca/recherche/fr/dataset/suivi-physicochimique-des-rivieres-et-du-fleuve) or upon request to the MELCC ([email protected]). Landsat data are publicly available via the USGS website (https://www.usgs.gov/landsat-missions/landsat-data-access).

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

This work was supported by the Fonds de recherche du Québec – Nature et technologie (Grants #198580 and #283726), the Plan d’action 2013- 2020 sur les changements climatiques (PACC 2013-2020), the Fonds d’électrification et de changements climatiques of the Ministère de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques, and the Cégep Garneau.