Learning from hydrological models' challenges: A case study from the Nelson basin model intercomparison project
Creators
- Mohamed Ismaiel Ahmed1, 2
- Tricia A. Stadnyk1
- Alain Pietroniro1
- Hervé Awoye1
- A. R. Bajracharya3, 1
- Juliane Mai4
- Bryan A. Tolson4
- Helen C. Shen4
- James R. Craig4
- Melissa Gervais5
- Kevin Sagan5
- Shane Wruth5
- Kristina Koenig5
- Rajtantra Lilhare6
- Stephen J. Déry6
- Scott Pokorny
- Henry David Venema
- Ameer Muhammad3
- Mahkameh Taheri4
- 1. University of Calgary
- 2. Cairo University
- 3. University of Manitoba
- 4. University of Waterloo
- 5. Manitoba Hydro
- 6. University of Northern British Columbia
Description
Intercomparison studies play an important, but limited role in understanding the usefulness and limitations of currently available hydrological models. Comparison studies are often limited to well-behaved hydrological regimes, where rainfall-runoff processes dominate the hydrological response. These efforts have not covered western Canada due to the difficulty in simulating that region's complex cold region hydrology with varying spatiotemporal contributing areas. This intercomparison study is the first of a series of studies under the intercomparison project of the international and interprovincial transboundary Nelson-Churchill River Basin (NCRB) in North America (Nelson-MIP), which encompasses different ecozones with major areas of the non-contributing Prairie potholes, forests, glaciers, mountains, and permafrost. The performance of eight hydrological and land surface models is compared at different unregulated watersheds within the NCRB. This is done to assess the models' streamflow performance and overall fidelity without and with calibration, to capture the underlying physics of the region and to better understand why models struggle to accurately simulate its hydrology. Results show that some of the participating models have difficulties in simulating streamflow and/or internal hydrological variables (e.g., evapotranspiration) over Prairie watersheds but most models performed well elsewhere. This stems from model structural deficiencies, despite the various models being well calibrated to observed streamflow. Some model structural changes are identified for the participating models for future improvement. The outcomes of this study offer guidance for practitioners for the accurate prediction of NCRB streamflow, and for increasing confidence in future projections of water resources supply and management.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تلعب دراسات المقارنة البينية دورًا مهمًا ولكنه محدود في فهم فائدة وقيود النماذج الهيدرولوجية المتاحة حاليًا. غالبًا ما تقتصر دراسات المقارنة على الأنظمة الهيدرولوجية حسنة التصرف، حيث تهيمن عمليات هطول الأمطار على الاستجابة الهيدرولوجية. لم تغطي هذه الجهود غرب كندا بسبب صعوبة محاكاة هيدرولوجيا المنطقة الباردة المعقدة في تلك المنطقة مع اختلاف المناطق المساهمة الزمانية المكانية. هذه الدراسة للمقارنة البينية هي الأولى من سلسلة من الدراسات في إطار مشروع المقارنة البينية لحوض نهر نيلسون تشرشل العابر للحدود الدولي والمشترك بين المقاطعات (NCRB) في أمريكا الشمالية (Nelson - MIP)، والذي يشمل مناطق اقتصادية مختلفة مع مناطق رئيسية من حفر البراري غير المساهمة والغابات والأنهار الجليدية والجبال والصقيع الدائم. تتم مقارنة أداء ثمانية نماذج هيدرولوجية وسطح الأرض في مستجمعات مياه مختلفة غير منظمة داخل NCRB. ويتم ذلك لتقييم أداء تدفق النماذج والإخلاص العام دون المعايرة ومع المعايرة، لالتقاط الفيزياء الأساسية للمنطقة وفهم أفضل لماذا تكافح النماذج لمحاكاة هيدرولوجيتها بدقة. تظهر النتائج أن بعض النماذج المشاركة تواجه صعوبات في محاكاة تدفق التيار و/أو المتغيرات الهيدرولوجية الداخلية (على سبيل المثال، التبخر والنتح) فوق مستجمعات المياه في المرج ولكن معظم النماذج كان أداؤها جيدًا في أماكن أخرى. وينبع هذا من أوجه القصور الهيكلية النموذجية، على الرغم من معايرة النماذج المختلفة بشكل جيد لتدفق التدفق الملحوظ. يتم تحديد بعض التغييرات الهيكلية النموذجية للنماذج المشاركة للتحسين المستقبلي. تقدم نتائج هذه الدراسة إرشادات للممارسين للتنبؤ الدقيق بتدفق NCRB، ولزيادة الثقة في التوقعات المستقبلية لإمدادات الموارد المائية وإدارتها.Translated Description (French)
Les études de comparaison réciproque jouent un rôle important, mais limité, dans la compréhension de l'utilité et des limites des modèles hydrologiques actuellement disponibles. Les études de comparaison se limitent souvent à des régimes hydrologiques bien élevés, où les processus de ruissellement des précipitations dominent la réponse hydrologique. Ces efforts n'ont pas couvert l'Ouest canadien en raison de la difficulté de simuler l'hydrologie complexe des régions froides de cette région avec des zones contributives spatio-temporelles variables. Cette étude d'intercomparaison est la première d'une série d'études dans le cadre du projet d'intercomparaison du bassin transfrontalier international et interprovincial Nelson-Churchill River Basin (NCRB) en Amérique du Nord (Nelson-MIP), qui englobe différentes écozones avec des zones majeures des nids-de-poule, des forêts, des glaciers, des montagnes et du pergélisol des Prairies non contributeurs. La performance de huit modèles hydrologiques et de surface terrestre est comparée à différents bassins hydrographiques non réglementés au sein du NCRB. Ceci est fait pour évaluer les performances de débit des modèles et la fidélité globale sans et avec l'étalonnage, pour capturer la physique sous-jacente de la région et pour mieux comprendre pourquoi les modèles ont du mal à simuler avec précision son hydrologie. Les résultats montrent que certains des modèles participants ont des difficultés à simuler le débit des cours d'eau et/ou des variables hydrologiques internes (par exemple, l'évapotranspiration) sur les bassins versants des Prairies, mais la plupart des modèles se sont bien comportés ailleurs. Cela provient de déficiences structurelles du modèle, bien que les différents modèles soient bien calibrés pour le débit observé. Certains changements structurels du modèle sont identifiés pour les modèles participants en vue d'améliorations futures. Les résultats de cette étude offrent des conseils aux praticiens pour la prédiction précise du débit du NCRB et pour accroître la confiance dans les projections futures de l'approvisionnement et de la gestion des ressources en eau.Translated Description (Spanish)
Los estudios de intercomparación desempeñan un papel importante, pero limitado, en la comprensión de la utilidad y las limitaciones de los modelos hidrológicos disponibles actualmente. Los estudios de comparación a menudo se limitan a regímenes hidrológicos de buen comportamiento, donde los procesos de lluvia y escorrentía dominan la respuesta hidrológica. Estos esfuerzos no han cubierto el oeste de Canadá debido a la dificultad de simular la compleja hidrología de la región fría de esa región con diferentes áreas de contribución espaciotemporal. Este estudio de intercomparación es el primero de una serie de estudios en el marco del proyecto de intercomparación de la cuenca transfronteriza internacional e interprovincial del río Nelson-Churchill (NCRB) en América del Norte (Nelson-MIP), que abarca diferentes ecozonas con áreas principales de los baches de la pradera, bosques, glaciares, montañas y permafrost no contribuyentes. El rendimiento de ocho modelos hidrológicos y de superficie terrestre se compara en diferentes cuencas no reguladas dentro del NCRB. Esto se hace para evaluar el rendimiento del flujo de corriente de los modelos y la fidelidad general sin y con calibración, para capturar la física subyacente de la región y para comprender mejor por qué los modelos tienen dificultades para simular con precisión su hidrología. Los resultados muestran que algunos de los modelos participantes tienen dificultades para simular el flujo del arroyo y/o las variables hidrológicas internas (por ejemplo, la evapotranspiración) en las cuencas hidrográficas de Prairie, pero la mayoría de los modelos tuvieron un buen desempeño en otros lugares. Esto se debe a las deficiencias estructurales del modelo, a pesar de que los diversos modelos están bien calibrados para el flujo de corriente observado. Se identifican algunos cambios estructurales en los modelos participantes para futuras mejoras. Los resultados de este estudio ofrecen orientación a los profesionales para la predicción precisa del caudal del NCRB y para aumentar la confianza en las proyecciones futuras del suministro y la gestión de los recursos hídricos.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التعلم من تحديات النماذج الهيدرولوجية: دراسة حالة من مشروع المقارنة البينية لنموذج حوض نيلسون
- Translated title (French)
- Apprendre des défis des modèles hydrologiques : une étude de cas du projet d'intercomparaison des modèles du bassin de Nelson
- Translated title (Spanish)
- Aprender de los desafíos de los modelos hidrológicos: un estudio de caso del proyecto de intercomparación del modelo de la cuenca de Nelson
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4380852973
- DOI
- 10.1016/j.jhydrol.2023.129820
References
- https://openalex.org/W1537396274
- https://openalex.org/W1581906783
- https://openalex.org/W1668564613
- https://openalex.org/W1882439680
- https://openalex.org/W1964753341
- https://openalex.org/W1971398942
- https://openalex.org/W1974980461
- https://openalex.org/W1980854310
- https://openalex.org/W1984083988
- https://openalex.org/W1990471334
- https://openalex.org/W1990920554
- https://openalex.org/W1990974880
- https://openalex.org/W1991834604
- https://openalex.org/W1999550839
- https://openalex.org/W2031105047
- https://openalex.org/W2039535036
- https://openalex.org/W2059646894
- https://openalex.org/W2064103944
- https://openalex.org/W2082413120
- https://openalex.org/W2082555211
- https://openalex.org/W2084654404
- https://openalex.org/W2088490526
- https://openalex.org/W2097391803
- https://openalex.org/W2104642399
- https://openalex.org/W2122389133
- https://openalex.org/W2132578369
- https://openalex.org/W2138763184
- https://openalex.org/W2145635192
- https://openalex.org/W2150129171
- https://openalex.org/W2151450859
- https://openalex.org/W2301649044
- https://openalex.org/W2412762375
- https://openalex.org/W2485420366
- https://openalex.org/W2501605432
- https://openalex.org/W2515584983
- https://openalex.org/W2526372752
- https://openalex.org/W2542036298
- https://openalex.org/W2559766834
- https://openalex.org/W2563956511
- https://openalex.org/W2605946209
- https://openalex.org/W2624779099
- https://openalex.org/W2742121087
- https://openalex.org/W2752200360
- https://openalex.org/W2883837588
- https://openalex.org/W2901539857
- https://openalex.org/W2904098100
- https://openalex.org/W2946882019
- https://openalex.org/W2954648193
- https://openalex.org/W2980639605
- https://openalex.org/W2988776809
- https://openalex.org/W3000209187
- https://openalex.org/W3003820917
- https://openalex.org/W3005422321
- https://openalex.org/W3015171568
- https://openalex.org/W3016516095
- https://openalex.org/W3037692754
- https://openalex.org/W3046452166
- https://openalex.org/W3050069567
- https://openalex.org/W3082624282
- https://openalex.org/W3092631594
- https://openalex.org/W3096081887
- https://openalex.org/W3141631228
- https://openalex.org/W3166295672
- https://openalex.org/W3168719587
- https://openalex.org/W3175824399
- https://openalex.org/W4248762309
- https://openalex.org/W4284970783
- https://openalex.org/W4308033443
- https://openalex.org/W4308521934
- https://openalex.org/W4367838408
- https://openalex.org/W4380852973