Reconstructing sixty year (1950-2009) daily soil moisture over the Canadian Prairies using the Variable Infiltration Capacity model

Abstract

The Variable Infiltration Capacity (VIC) land surface macroscale hydrology model was used to reconstruct 60 years (1950-2009) of daily soil moisture values for three soil layers (0–20 cm, 20–100 cm, and 0–100 cm) over the three Canadian Prairie Provinces with a total area of 1,964,000 km2. VIC was applied over a grid of 4,393 points with a resolution of 0.25° × 0.25°, and was driven by observed daily maximum and minimum air temperature and precipitation from 1,167 meteorological stations. The model was first calibrated using observed hydrographs from seven catchments with drainage areas varying from 3,750 to 7,870 km2. Special attention was given to modelling of rainfall-runoff processes over the non-contributing drainage area of the Prairies. VIC was then validated over these seven catchments at different periods and over an additional five catchments with drainage areas ranging from 36,500 to 131,000 km2. An estimation procedure to determine model parameters was developed and applied to catchments where hydrographs are not available for the standard calibration process. In situ soil moisture measurements from six Alberta sites were also used for model validation. VIC performed well over both calibration and validation catchments. The results clearly demonstrate that incorporating non-contributing drainage areas into runoff calculations could substantially improve the ability of VIC to simulate surface and sub-surface runoff in regions where poor drainage network development is a dominant feature of drainage basins. The VIC reconstructed 60–year average of the soil moisture in the top 1 m shows some expected climatological features of the Prairies. For example, the reconstructed soil moisture climatology portrays the dry Palliser Triangle region and the Prairie Dry Belt in the southern Prairies. The VIC simulated soil moisture was used to calculate the daily Soil Moisture Anomaly Percentage Index (SMAPI) for the three soil layers; SMAPI can be used as an index of agricultural drought severity taking into account climatology. The value of the calculated SMAPI in quantifying and documenting prairie drought events is demonstrated through an intensive examination of the April 2002 drought case.

Le modèle hydrologique macroscopique de surface à capacité d’infiltration variable (VIC) a été utilisé pour reconstituer 60 ans (de 1950 à 2009) de valeurs quotidiennes d’humidité du sol pour trois couches de sol (de 0 à 20 cm, de 20 à 100 cm et de 0 à 100 cm) dans les trois provinces des Prairies, avec une superficie totale de 1 964 000 km2. Le modèle VIC a été appliqué à une grille de 4 393 points avec une résolution de 0,25° × 0,25° et employé pour l’analyse de données de précipitations et de températures de l’air maximales et minimales quotidiennes observées, provenant de 1 167 stations météorologiques. Le modèle a d’abord été étalonné à l’aide d’hydrogrammes observés de sept bassins hydrographiques dont la superficie varie entre 3 750 et 7 870 km2. Une attention toute particulière a été accordée à la modélisation des processus de précipitations/d’écoulement se rapportant aux bassins à contribution nulle des Prairies. Le modèle VIC a ensuite été validé pour ces sept bassins hydrographiques à différentes périodes et pour cinq autres bassins versants d’une superficie allant de 36 500 à 131 000 km2. Une méthode d’estimation visant à déterminer les paramètres de modèle a été élaborée puis appliquée aux bassins hydrographiques où des hydrogrammes ne sont pas disponibles pour le processus d’étalonnage standard. Des mesures d’humidité du sol in situ tirées de six sites de l’Alberta ont également été employées pour la validation du modèle. Le modèle VIC a donné de bons résultats tant pour l’étalonnage que pour la validation des bassins hydrographiques. Les résultats démontrent clairement que l’intégration de bassins hydrographiques à contribution nulle dans les calculs du ruissellement pouvait améliorer considérablement la capacité du modèle VIC à simuler l’écoulement de surface et l’écoulement hypodermique dans les régions où un piètre aménagement du réseau hydrographique constitue une caractéristique dominante des bassins versants. La moyenne sur 60 ans de l’humidité du sol pour la couche supérieure de 1 m, reconstituée grâce au modèle VIC, révèle certaines caractéristiques climatologiques prévues des Prairies. Par exemple, les données climatologiques reconstituées de l’humidité du sol dépeignent bien la région sèche du triangle de Palliser et la zone aride des Prairies dans le sud des Prairies. L’humidité du sol simulée grâce au modèle VIC a servi au calcul de l’indice SMAPI1 quotidien pour les trois couches du sol; l’indice SMAPI peut être utilisé en tant qu’indice de la gravité de la sécheresse agricole, en tenant compte de la climatologie. La valeur de l’indice SMAPI calculé dans la quantification et la documentation des événements de sécheresse dans les Prairies est démontrée au moyen d’un examen approfondi de la sécheresse qui a sévi en avril 2002.