Comparison of wind forecasts and observations at Lake Saint-Charles, Quebec

– By Richard Leduc and Maude Chartrand, Geography Department, Université Laval –

Lake Saint-Charles is the main source of drinking water for nearly 300,000 citizens of Quebec City’s and other municipalities. For several years obvious signs of accelerated aging of the water body were noticed, one of the symptoms of which is the appearance and recurrence (since 2006) of episodes of potentially toxic cyanobacterial water blooms. The “Association for the Protection of the Environment of Lake Saint-Charles and Northern Marshes (APEL)” has the mission to ensure the sustainability and quality of this drinking water. For monitoring purposes and studies, the City of Quebec has installed a meteorological tower whose observations serve, among other things, as inputs to an empirical model developed by the APEL to model the development of cyanobacteria. The tower has been in operation since December 2016.

Predicted meteorological data (particularly wind speed and direction) can also be used as inputs to this model to predict the development of cyanobacteria. Predicted values from Environment and Climate Change Canada’s High Resolution Deterministic Prediction System (HRDPS) are used to drive the CALMET diagnostic model set up in a domain (20 km by 20 km) centered on Lake St. Charles with a resolution of 100 m by 100 m. In this study, observed and predicted wind for 273 days in 2017 are compared. It can be seen that the tower at Lac St-Charles has a lower average speed by about 34% compared to that predicted (i.e. calculated by CALMET with forecasts from HRDPS) – respectively 1.67 m/s and 2.53 m/s. The frequency of CALM (<0.4 m / s) observed is about 16% compared to about 1% for that predicted. There is also a much higher observed frequency for the NNE and NE directions than those obtained by CALMET. There are also significant differences on the east and west side. CALMET significantly adjusts the directions of the last quadrant where the NNW direction, in the direction of the lake, becomes predominant. At the tower the directions NE and NNE are important at night whereas at this moment, CALMET gives a direction NNW, probably associated with a katabatic flow which is channeled in the direction of the lake. The correlation between the measured and predicted speeds is 0.544 (for one year). Depending on the forecast period (00 h to 42 h), the correlations between the measured and predicted speeds vary between 0.45 and 0.66 while the vector correlation is between 0.76 and 1.16. Observations and forecasts for 2018 will be used for further comparisons at Lake St-Charles and elsewhere.

*Note: For all “What’s New” articles, the policy of the CMOS Bulletin is to print the article in the language (English or French) in which it was written, providing a summary in the alternate language.

Introduction

Le lac Saint-Charles constitue le principal réservoir d’alimentation en eau potable pour près de 300 000 citoyens des villes de Québec et de L’Ancienne-Lorette, de la municipalité de Saint-Gabriel-de-Valcartier et de la réserve autochtone de Wendake. Alors que l’urbanisation ne cesse de s’intensifier dans le bassin versant du lac Saint-Charles, on remarque depuis plusieurs années des signes évidents de vieillissement accéléré du plan d’eau. L’un des symptômes révélateurs de cette eutrophisation est l’apparition et la récurrence depuis 2006 d’épisodes de fleurs d’eau de cyanobactéries potentiellement toxiques.

L’Association pour la protection de l’environnement du lac Saint-Charles et des Marais du Nord (APEL) est un organisme à but non lucratif ayant pour mission la protection et la mise en valeur du riche patrimoine écologique du bassin versant de la rivière Saint-Charles, dans le but d’y promouvoir, d’une part, un milieu de vie harmonieux aux humains qui l’habitent et, d’autre part, la pérennité et la qualité de l’eau. À l’aide d’une équipe de spécialistes, l’APEL travaille à:

• assurer la pérennité et la qualité de l’eau ;
• mobiliser la population dans la recherche d’un milieu de vie de qualité tout en assurant la protection de l’environnement ;
• favoriser la mise en valeur du riche patrimoine écologique ;
• maintenir et améliorer la qualité reconnue des travaux de recherches et de suivi du milieu en collaboration avec des nombreux partenaires ;
• maintenir et améliorer en continu la gestion de l’organisation.

L’APEL publie régulièrement les résultats des échantillonnages et des rapports relatifs à la qualité de l’eau dans le bassin versant et disponibles sur le site internet (par exemple, APEL, 2014).

Pour les fins de suivi et des études relatives au lac Saint-Charles, la Ville de Québec a installé une tour météorologique dont les observations servent, entre autres, d’intrants à un modèle empirique de développement des cyanobactéries en collaboration avec AirMet Science Inc., l’Université Laval et l’APEL. La tour météorologique est en opération depuis décembre 2016.

De plus, l’APEL a manifesté l’intérêt d’obtenir des données météorologiques prévues (particulièrement la vitesse et la direction du vent) pouvant aussi servir d’intrants dans son modèle afin de prévoir le développement des cyanobactéries.

L’objectif de ce texte est de présenter des résultats préliminaires comparant les vents mesurés à la tour et ceux prévus par le modèle diagnostique CALMET basé sur le système à haute résolution de prévision déterministe (SHRPD) d’Environnement et Changement climatique Canada (Milbrandt et al., 2016).

Données

La Figure 1 esquisse la topographie locale et le relief de part et d’autre du lac qui fait environ 5 km par environ 700 m dans sa partie la plus large. La topographie montagneuse de cette région pourrait canaliser le vent dans le sens du lac et favoriser le transport de cyanobactéries vers le barrage situé dans la section la plus au sud.

La tour météorologique (10 m) a été installée par une firme spécialisée dans le montage et l’opération d’équipements météorologiques et selon les normes en vigueur; sa localisation est illustrée par le carré noir de la Figure 1 aux coordonnées UTM 19T (319991 m, 5199212 m) et son élévation au-dessus de la mer est de 156 m. Elle comprend, outre un anémomètre et une girouette (de type turbine), les sondes de mesure de la température et de l’humidité, un pluviomètre totalisateur et une mesure du rayonnement ultra-violet. La validation des données a été confiée par la Ville de Québec à une autre firme spécialisée.

En ce qui concerne les données météorologiques prévues, les prévisions du système à haute résolution de prévision déterministe (SHRPD) dont la résolution est de 2.5 km ont été acquises (et le sont encore) à tous les jours depuis le début janvier 2017 pour le sous-domaine EST. On peut consulter le site meteo.gc.ca/grib/grib2_HRDPS_HR_f.html pour une description du système et des sous-domaines. Notons néanmoins, que le sous-domaine est s’étend de l’ouest des Grands-Lacs jusqu’à l’est de la ville Québec et du sud des Grands-Lacs à la baie de James. Les données prévues pour les prochaines 48 heures du SHRPD sont disponibles quatre fois par jour à 00 TUC, 06 TUC, 12 TUC et 18 TUC.; ce sont celles de 06 TUC qui sont acquises.

Afin d’effectuer un ajustement aux conditions locales autour du Lac St-Charles, on utilise le modèle météorologique diagnostique CALMET qui permet de simuler des effets locaux (écoulement catabatique, canalisation, effets côtiers, etc.). Le modèle CALMET est le modèle météorologique qui fournit des données d’entrée au modèle de dispersion CALPUFF, modèle qui fait partie de la suite de modèles recommandées par le US-EPA (www.epa.gov/scram). Une description du modèle CALMET est présentée par Scire et al. (2000); le modèle CALPUFF (et CALMET) est largement utilisé au Canada, au Québec et ailleurs dans le monde pour des études de dispersion. Le modèle CALMET (et CALPUFF) est public et peut être obtenu sur le site de la firme Exponent (www.src.com/ ou via celui cité précédemment) et chez Lakes Environmental. Outre des données d’observations, le modèle CALMET peut aussi recevoir comme intrant des données prévues par des modèles méso-météorologiques tels le MM5 et le WRF (par exemple, Lee et al., 2014) et il est couramment utilisé de cette manière.

Pour l’usage de CALMET, on a défini un domaine de 20 km par 20 km centré sur le Lac St-Charles avec une résolution de 100 m par 100 m, ce qui permet d’avoir plusieurs points de calcul sur le lac et autour. On obtient les prévisions de 48 h de diverses variables aux points de grille du SHRPD inclus dans le domaine de calcul de CALMET; celles-ci comprennent, jusqu’à 500 mb, les hauteurs des niveaux de pression, et à chacun de ceux-ci, la température, l’humidité, la vitesse et la direction du vent, etc. et qui servent d’intrants à CALMET (les valeurs dites prévues sont celles ajustées par CALMET, à moins d’indication contraire). On obtient par la suite la valeur calculée par CALMET au point de grille associée à la tour météorologique et on peut ainsi comparer les mesures aux valeurs prévues pour les diverses échéances des prévisions.

Les données des prévisions ne couvrent pas l’année complète compte tenu de divers problèmes techniques, comme par exemple une coupure de courant, des problèmes de connections ou de gestion des informations, etc. Au total, on dispose de 273 jours de prévisions.

Résultats

Vitesse du vent

Au Tableau 1 on présente les statistiques descriptives pour les heures communes; les données prévues dans ce cas sont les prévisions des échéances 00 h à 23 h de chaque jour. La tour au lac St-Charles a une vitesse moyenne inférieure d’environ 34% par rapport à celle prévue (i.e. calculée par CALMET avec les prévisions), soit respectivement 1.67 m/s et 2.53 m/s. Le régime éolien au Lac St-Charles diffère passablement de celui de l’aéroport Jean-Lesage de Québec (environ 14 km au sud), situé dans un environnement plat et dégagé, avec une moyenne de 2.83 m/s; les directions dominantes y sont WSW et ENE avec une fréquence d’environ 17% et 12% respectivement et 4.75% de CALME.

Les histogrammes des vitesses (m/s) mesurées à la tour et prévues (Figure 2) montrent aussi une différence entre les deux séries de données, les valeurs calculées par le modèle étant distribuées de manière plus continue et une fréquence de CALME mesurée beaucoup plus grande, tel que discuté à la section suivante. La corrélation entre les valeurs mesurées et prévues est de 0.54.

Rose des vents

Les roses des vents sont illustrées à la Figure 3; on y trouve aussi les directions individuelles observées et prévues à la tour. Les données prévues sont également celles des échéances 00 h à 23 h de chaque jour. Des résultats semblables sont aussi disponibles pour diverses échéances des prévisions.

On note une fréquence de CALME (< 0.4 m/s) élevée à la tour à environ 16% comparativement à environ 1% pour celle prévue.

On constate une fréquence observée beaucoup plus élevée pour les directions N, NNE et NE que celles obtenues par CALMET (Figure 3 a et b). Il y a aussi des différences importantes du côté EST et OUEST. CALMET ajuste de manière significative les directions du dernier quadrant où la direction NNW, dans le sens du lac, devient prédominante.

La Figure 3 f illustre la distribution des directions respectives; le tableau de contingence n’est pas présenté mais est disponible. On note que les directions observées du N (349° à 11°) à l’ENE (57° à 78°) sont le plus fréquemment associées à une direction prévue du NNW (327° à 348°). Les directions observées de l’ESE (102° à 123°) au SW (214° à 236°) sont le plus souvent associées à la direction prévue de l’E (79° à 101°); par ailleurs dans le cas de la direction SW observée, la fréquence de 0.48% de la direction prévue de l’E est semblable à celle prévue du SW à 0.43%, deux directions qui ne sont pas voisines. À partir de la direction observée WSW (237° à 258°), les directions prévues les plus fréquentes sont décalées et les prévues peuvent aussi couvrir quelques directions avoisinantes. À la direction CALME observée, s’associe le plus fréquemment la direction NNW prévue (4.15%). D’ailleurs, le test fait avec la variable Wr proposé par Fisher (1995, section 5.3.6) donne une différence significative entre les deux séries de directions.

On note par ailleurs que les vitesses sont faibles pour les directions NNE et NE à la tour; ces directions sont importantes la nuit entre 19 h et 7 h (Figure 3 c). Par contre, on note que la direction prévue la plus fréquente à ce moment est le NNW (Figure 3 d) probablement associée à un écoulement (catabatique) en provenance des sommets au nord et nord-est et qui se canalise dans le sens du lac.

Les données brutes du SHRPD extraites au point de grille le plus près (320005 m, 5198809 m) localisée à environ 400 m au sud de la tour montrent une composante EST de nuit que l’on retrouve aussi dans celles ajustées par CALMET mais pas la dominante du NNW ni celle de l’ENE. CALMET ajuste ainsi les directions prévues dans le sens du lac mais l’écoulement catabatique est probablement moins important que celui observé à cause de cette composante EST initiale du SHRPD.

Corrélations

En ce qui concerne les vitesses, on présente au Tableau 2 les coefficients de corrélation pour diverses échéances de prévision entre les valeurs calculées par CALMET et les observations; on y donne aussi le coefficient de corrélation vectorielle (ρ2). Les faibles valeurs de la corrélation de Pearson ou vectorielle peuvent s’expliquer compte tenu des différences déjà exposées.

Conclusion

Des essais préliminaires de prévisions basées sur le système SHRPD et ajustées localement avec le modèle diagnostique CALMET ont été réalisés pour une période de 273 jours en 2017 dans un domaine centrée sur le Lac St-Charles au nord de la ville de Québec. Les mesures de la vitesse et de la direction du vent obtenues sur une tour météorologique sont disponibles et ont été comparées aux valeurs prévues. On constate que le modèle CALMET ajuste des directions prévues par le SHRPD dans le sens du lac mais que les écoulements catabatiques (de nuit) des directions NNE et NE qui y sont importants ne sont pas bien reproduits.

On procédera à une comparaison sur une période plus longue avec les mêmes données qui sont acquises en 2018; le système SHRPD-CALMET est opérationnel sur d’autres domaines (ville de Québec, La Malbaie et Cap-Chat) et sera aussi comparé à d’autres observations de vent de tours météorologiques locales.

Les données prévues sur le sous-domaine EST du SHRPD depuis janvier 2017 dont nous disposons peuvent être fournies gracieusement à toute personne intéressée.

Remerciements

Nos remerciements s’adressent à Philippe Barnéoud (ECC Canada) pour ses commentaires et suggestions de même qu’à Environnement et Changement climatique Canada qui rend ces données disponibles aux usagers. Nous remercions aussi la Ville de Québec et l’APEL qui ont rendus les données d’observations disponibles.

Références

APEL, 2014: Rapport sur l’état du lac Saint-Charles en 2014, http://apel-maraisdunord.org/apel/assets/Etat_lac_saintcharles_2014_vfinale_web_20161125.pdf.

Breaker, L. C., Gemmill, W. H., & Crosby, D. S. (1994). The application of a technique for vector correlation to problems in meteorology and oceanography. Journal of Applied Meteorology, 33(11), 1354-1365.

Fisher, N.I, 1995: Statistical analysis of circular data. Cambridge University Press, 277 p.

Lee, J.K., J. C. Kim, K. J. Lee, M. Belorid, P.A. Beeley, J. Yun, 2014: Assessment of wind characteristics and atmospheric dispersion modeling of 137cs on the Barakah NPP area in the UAE. Nuclear Engineering and Technology, vol. 46, no, 4 August 2014, p 557.

Milbrandt, J.A., S. Bélair, M. Faucher, M. Vallée, M. L. Carrera, A. Glazer, 2016: The Pan-Canadian High Resolution (2.5km) Deterministic Prediction System. Weather and Forecasting, décembre 2016, vol. 31, p 1791.

Scire, J., F. R. Robe, M. E. Fernau, R. J. Yamartino, 2000: A User’s Guide for the CALMET Meteorological Model. Earth Tech, January 2000, 332 p.

À propos des auteurs

Richard Leduc a débuté sa carrière en 1972 à Downsview. En 1979, il a rejoint En-vironnement-Québec où il a travaillé durant 28 ans en qualité de l’air (modélisation et applications des réseaux de mesures). Il est Professeur-associé (bénévole) à l’Université Laval. Depuis 12 ans, il travaille chez AirMet Science Inc.

Maude Chartrand réalise présentement une maîtrise en Sciences géographiques à l’Université Laval et portant sur les changements climatiques. Ses champs d’intérêt sont variés, allant de la géographique environnementale à la géographie sociale, et elle applique et adapte des méthodes d’analyse spatiale, quantitatives ou qualitatives pour la réalisation de ses travaux de recherche.