Modelling Climate Change Impacts on Spring Runoff for the Rocky Mountains of Montana and Alberta I: Model Development, Calibration and Historical Analysis

Abstract

Water supply from mountain snowmelt is a key resource on the Great Plains. Hydrologists recognize that water yields could be significantly reduced in a warmer climate, with negative impacts upon regional water supplies. Weather data availability is usually sparse in alpine watersheds. Consequently, distributed alpine snow hydrology models are generally limited to small instrumented watersheds. Such models are unable to simulate the timing and magnitude of spring streamflow at a sufficient spatial scale for watershed management. In this study, the Simulated Grid microclimate model (SIMGRID) was refined and applied to the simulation of snow water equivalent (SWE) and spring streamflow volume in the headwaters of the St. Mary basin of northern Montana. Relationships between winter precipitation and elevation were derived from snow survey data. The SWE mass balance algorithm was enhanced to include the effect of rain-on-snow conditions, and to differentiate between snowmelt and rainfall runoff. Multiple regression analysis was used to relate predicted SWE and rainfall runoff to observed stream discharge (QS) at Babb, MT, for the 1961–1990 period. The refined SIMGRID model was then applied to the 1991–2004 period, and accurately simulated spring discharge (linear regression, r2 = 0.67). The refined SIMGRID model is capable of simulating spring runoff in poorly-instrumented complex terrain, at a scale of relevance to water resource managers. This paper presents the results of Part I of a two-part study, which assesses the impacts of climate change on spring runoff for the study watershed.

L’approvisionnement en eau provenant de la fonte des neiges en région montagneuse est une ressource importante dans les Grandes Plaines de l’Amérique du Nord. Les hydrologistes reconnaissent que les débits des cours d’eau pourraient être sensiblement réduits dans un climat plus chaud, avec un impact négatif sur l’approvisionnement en eau à l’échelle régionale. En général, il existe peu de données météorologiques disponibles dans les bassins hydrographiques alpins. Par conséquent, les modèles hydrologiques de distribution nivale en milieu alpin se limitent généralement à de petits bassins versants instrumentés. Ces modèles ne permettent pas de simuler les variations temporelles et l’ampleur des débits printaniers à une échelle spatiale suffisante pour la gestion des bassins hydrographiques. Dans cette étude, le modèle de microclimats simulés « SIMGRID » a été raffiné et appliqué à la simulation de l’équivalent en eau de la neige (EEN) et au débit mesuré du printemps dans la partie amont du bassin de la rivière St. Mary au Nord du Montana. Des relations entre l’altitude et les précipitations hivernales ont été dégagées à partir de données de relevés nivométriques. L’algorithme de bilan massique de l’EEN a été amélioré pour inclure l’effet des conditions de pluie sur neige et pour distinguer le ruissellement provenant de la fonte des neiges du ruissellement provenant des pluies. Une analyse de régression multiple a été utilisée pour relier les prévisions d’EEN et de ruissellement provenant des pluies au débit observé au printemps (QS) à Babb, MT, pour la période 1961–1990. Le modèle SIMGRID raffiné a ensuite été appliqué à la période 1991–2004 pour simuler de façon adéquate le débit printanier (régression linéaire, r2 = 0,67). Le modèle SIMGRID raffiné permet de simuler le ruissellement printanier sur des terrains complexes peu instrumentés, à une échelle pertinente pour la gestion des ressources en eau. Cet article présente les résultats de la partie I d’une étude en deux parties, qui évalue les impacts du changement climatique sur le ruissellement printanier pour le bassin d’étude.