Spatial and temporal variability of the solar radiation heat flux in streams of a forested catchment

Abstract

Solar radiation is generally the largest contributing flux to the heat budget of streams and its estimation is crucial to predict stream water temperature with process-based models. The objective of this research is to quantify the spatial (between-site comparison of different stream sizes, within-site comparison at the reach scale) and temporal (seasonal, daily and hourly scales) variability in the transmission coefficient, which represents the proportion of incoming solar radiation reaching streams. We measured solar radiation at an open site with a meteorological station and at microclimate sites located in three streams of various sizes in the Miramichi River basin (Canada). During the summer, the percentage of incoming daily solar radiation reaching a stream varied from 8% in a small headwater stream (Trib) to 43% in a medium-sized stream (CatBk) and was close to 100% in a wide river (LSWM). We observed the largest variability between transmission coefficients for different stream sizes (range of variation = 92%) due to very different canopy closures, followed by variability at the reach scale between lateral positions (range = 21% between left and right banks) and between longitudinal positions (range = 11% between upstream and downstream sites), as measured at the medium-sized stream. Temporal variability was greatest at the seasonal scale where the transmission coefficient varied by 23% between May and September at the small headwater stream. The hourly variability of the transmission coefficient (i.e. associated with different solar angles) surpassed daily variability (i.e. associated with different cloud cover conditions), with coefficients of variation computed at the hourly time scale three to five times greater than at the daily time scale. Overall, this research offers insight regarding the handling of spatial and temporal variability of solar radiation which should provide further insight to improve process-based stream temperature models.

RÉSUMÉ

Le rayonnement solaire est généralement le plus grand flux contribuant au bilan thermique des cours d'eau et son estimation est cruciale pour prédire la température de l'eau à l’aide de modèles déterministes. L'objectif de cette recherche est de quantifier la variabilité spatiale (comparaison entre des cours d’eau de différentes tailles et à l’échelle du tronçon au sein d’un même cours d’eau) et temporelle (échelles saisonnière, journalière et horaire) du coefficient de transmission, qui représente la proportion de rayonnement solaire entrant atteignant un cours d'eau. Nous avons mesuré le rayonnement solaire à un site ouvert avec une station météorologique et à des sites microclimatiques situés dans trois cours d'eau de différentes tailles dans le bassin de la rivière Miramichi (Canada). Au cours de l'été, le pourcentage de rayonnement solaire entrant journalier atteignant un cours d'eau variait de 8 % dans un petit cours d'eau de tête (Trib) à 43 % dans un ruisseau de taille moyenne (CatBk) et était proche de 100 % dans une large rivière (LSWM). Nous avons observé la plus grande variabilité entre les coefficients de transmission de cours d’eau de différentes tailles (écart de variation = 92 %) en raison de fermetures de canopée très différentes, suivie d'une variabilité à l'échelle du tronçon entre différentes positions latérales (écart = 21 % entre les rives gauche et droite) et entre différentes positions longitudinales (écart = 11 % entre les sites amont et aval), telles que mesurées dans le ruisseau de taille moyenne. La variabilité temporelle était la plus grande à l'échelle saisonnière où le coefficient de transmission variait de 23 % entre mai et septembre dans le cours d’eau de tête. La variabilité horaire du coefficient de transmission (c'est-à-dire associée à différents angles solaires) dépassait la variabilité quotidienne (c'est-à-dire associée à différentes conditions de couverture nuageuse), avec des coefficients de variation calculés au pas de temps horaire trois à cinq fois plus élevés qu’au pas de temps journalier. Dans l'ensemble, cette recherche permet de mieux prendre en compte la variabilité spatiale et temporelle du rayonnement solaire, ce qui devrait guider les efforts de modélisation de la température des cours d’eau.

Keywords:

• Solar radiation
• transmission coefficient
• riparian vegetation
• stream
• water temperature
• heat flux

Acknowledgements

This research was partially supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC). Audrey Maheu received funding through NSERC Canada Graduate Scholarship and the NSERC Collaborative Research and Training Experience programme ‘Watersheds and Aquatics Training in Environmental Research’.

Data availability statement

The data that support the findings of this study are openly available in Zenodo at https://doi.org/10.5281/zenodo.6908916