Evaluating seasonal and regional calibration of temperature-based methods for estimating potential evaporation in Ontario

Abstract

Development of appropriate water management strategies in the context of projected air temperature increases under a changing climate necessitates assessing how increases in atmospheric demand for water might constrain future water availability. This is most easily assessed using estimates of potential evaporation (PE). Most temperature-based methods for estimating PE have been calibrated in different landscapes in more southern locations using a singular calibration coefficient. This study assessed whether regionally calibrated temperature-based models improve estimates of PE in Ontario and whether further improvements could be made by adjusting coefficients monthly to address a marked seasonality in Ontario or spatially to address the province’s size and varied landscape. Monthly calibration coefficients were calculated for four temperature-based methods (Thornthwaite, Blaney–Criddle, Hamon and Hargreaves–Samani) using climate data and evaporation estimates from 18 pan evaporation stations in Ontario. Calibrated models were then evaluated against an additional 19 pan evaporation stations by comparing estimates of PE calculated using the adjusted and literature-derived coefficients with pan evaporation estimates. Finally, PE estimated using adjusted coefficients was compared to evaporation (E) estimated using a water balance approach for 64 watersheds across Ontario. As anticipated, the regional calibration process increased the accuracy of the PE estimates relative to those calculated using published model coefficients. Use of monthly model coefficients addressed the marked seasonality of evaporation in Ontario and resulted in improved PE estimates. Adjusted model coefficients varied spatially but the paucity of measurement stations precluded further regionalization. PE estimates improved using adjusted coefficients, varied less between models, and were highly correlated with water balance estimates of E. The Hargreaves–Samani model produced the best estimates of PE using unadjusted and adjusted coefficients and was most highly correlated with long-term water balance estimates of E.

ABSTRAIT

Pour élaborer des stratégies de gestion de l’eau appropriées en tenant compte des changements climatiques actuels qui laissent présager de nouvelles hausses de la température de l’air, il faut déterminer comment l’augmentation de la demande atmosphérique en eau pourrait un jour restreindre la disponibilité de cette ressource. La méthode d’évaluation la plus efficace repose sur l’estimation de l’évaporation potentielle (ÉP). La plupart des méthodes d’estimation de l’ÉP en fonction de la température ont été étalonnées dans un milieu différent, plus au sud, avec un seul coefficient d’étalonnage. La présente étude consistait à déterminer si l’emploi de modèles étalonnés régionalement améliorait l’estimation de l’ÉP en Ontario et s’il était possible de l’affiner encore davantage en utilisant différents coefficients chaque mois afin de refléter la saisonnalité marquée de l’évaporation en Ontario ou encore pour chaque région étant donné la superficie et la diversité géographique de la province. Ainsi, on a calculé des coefficients d’étalonnage mensuels pour quatre méthodes fondées sur la température (Thornthwaite, Blaney–Criddle, Hamon et Hargreaves–Samani) au moyen de données climatiques et des estimations faites à 18 bacs d’évaporation situés dans différentes régions de l’Ontario. On a ensuite évalué les modèles étalonnés selon les données de 19 autres bacs d’évaporation en comparant les estimations de l’ÉP calculées au moyen des coefficients ajustés ou tirés de la documentation avec les estimations faites aux bacs d’évaporation. Enfin, on a comparé l’ÉP estimée au moyen des coefficients ajustés avec l’évaporation (É) estimée à partir du bilan hydrique de 66 bassins versants de partout en Ontario. Comme prévu, le processus d’étalonnage régional s’est révélé plus précis que les coefficients modèles, entre autres parce que les coefficients mensuels tenaient compte de la saisonnalité marquée de l’évaporation en Ontario. Les coefficients ajustés variaient d’une région à l’autre, mais la paucité des lieux de mesure empêchait un ajustement plus précis selon la région. Avec les coefficients ajustés, les estimations de l’ÉP étaient plus précises, variaient moins d’un modèle à l’autre et étaient en étroite corrélation avec les estimations de l’É en fonction du bilan hydrique. La méthode Hargreaves–Samani a donné les meilleures estimations de l’ÉP au moyen des coefficients ajustés et non ajustés, et permis la meilleure corrélation entre les estimations de l’ÉP et les estimations de l’É à long terme en fonction du bilan hydrique.

Acknowledgements

The authors wish to thank Dr. Dan McKenney, Canadian Forest Service (CFS), for the historical climate grids and the Atmospheric Monitoring and Data Services Division, Meteorological Services of Canada, for the pan evaporation data. We thank three anonymous reviewers for their comments that helped improve the paper.

Additional information

Funding

This research was partially funded through the Canada–Ontario Agreement Fund.