Comparison of wind forecasts and observations at Lake Saint-Charles, Quebec: Results from 2018

– By Richard Leduc, AirMet Science Inc –

In a recent CMOS Bulletin (Vol 46, No 4), the results of the comparison between the wind forecasts from the high resolution deterministic prediction system (SHRPD, 2.5 km, EAST sub-domain) which served as inputs to the CALMET diagnostic model and observations of the Lac St-Charles meteorological tower were presented for 273 days in 2017. The main results for 331 days of 2018 are discussed in this short article. There are some differences between the two years but overall, the results of 2018 are similar to those of 2017. A similar comparison will be made in a different environment for a station along the St-Lawrence River (with coastal effect) in Gaspésie with the data acquired in 2019 for the Maritime sub- domain.

*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

Dans un récent Bulletin de la SCMO (vol. 46, no. 4), nous avons présenté les résultats de la comparaison entre les prévisions de vent issues du système à haute résolution de prévision déterministe (SHRPD, 2.5 km) qui ont servies d’intrants au modèle diagnostique CALMET et les observations de la tour météorologique du Lac St-Charles. On trouvera Leduc et Chartrand (2018) les détails concernant la motivation à l’origine des mesures météorologiques, le domaine de calcul et autres informations sur le modèle. Les résultats étaient présentés pour 273 jours de 2017. L’objectif du texte actuel est de présenter les principaux résultats de la comparaison faite avec les données de 2018. Afin de faciliter la lecture, on reprend quelques informations de base à la section suivante puis les résultats sont à la section 3.

DONNÉES

A topographical map of the research study area around Lac Saint-Charles
Figure 1. Localisation de la tour et topographie sur le domaine de calcul

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 localisation de la tour météorologique (10 m) 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.

Les prévisions du système à haute résolution de prévision déterministe (SHRPD) dont la résolution est de 2.5 km ont été acquises et les résultats sont disponibles pour 331 journées en 2018 (sous-domaine EST) basés sur la prévision issue à 06 TUC pour les prochaines 48 heures.

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.). 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 du lac. Les prévisions de 48 heures du SHRPD servent d’intrant au modèle CALMET et avec les valeurs calculée au point de grille (de CALMET) comprenant la tour météorologique, on peut comparer les prévisions et les observations pour les diverses échéances des prévisions (de 0 heures à 48 heures à compter de 06 TUC) . On s’intéresse à la vitesse et la direction du vent.

RÉSULTATS

Tableau 1. Statistiques descriptives des vitesses prévues et mesurées (2018)

Au Tableau 1 on présente les statistiques descriptives pour les 7715 heures communes (il y a des observations manquantes à la tour); les données prévues dans ce cas sont les prévisions des échéances 0 h à 23 h de chaque jour disponible. La vitesse du vent à la tour a une moyenne inférieure d’environ 37% par rapport à celle prévue (i.e. calculée par CALMET avec les prévisions), soit respectivement 1.71 m/s et 2.72 m/s comparativement à 1.67 m/s et 2.53 m/s respectivement en 2017. On constate qu’il n’y a pas de différence majeure entre les deux années.

Les histogrammes des vitesses (m/s) mesurées et prévues (Figure 2) montrent la différence entre les deux séries de données, les valeurs calculées par le modèle étant distribuées de manière plus continue et la fréquence des faibles vitesses observées étant davantage importante. La corrélation entre les valeurs mesurées et prévues est de 0.56 (0.54 en 2017).

Figure 2. Histogramme des vitesses (m/s) prévues (bas) et observées (haut) pour 2018

Deux roses des vents sont illustrées à la Figure 3, soit celle à la tour (à droite, à la position de la tour) et celle obtenue avec les prévisions aux échéances de 0 h à 23 h de chaque jour (à gauche, mais pas à la position de la tour). Des résultats semblables sont aussi disponibles pour diverses échéances des prévisions (par exemple prévision de 6 heures, de 12 heures, etc.).

Figure 3. Rose des vents prévue (gauche) et observée (droite) pour 2018

La fréquence de CALME (< 0.4 m/s) est élevée à la tour à environ 15.3% comparativement à environ 1% pour celle prévue (ce qui ne diffère pas de 2017).

On constate une fréquence observée beaucoup plus élevée pour les directions NNE et NE que celles obtenues par CALMET. 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 N, dans le sens du lac, devient prédominante.

La distribution des directions individuelles (observées vs prévues) ne diffère pas de manière significative de celle de 2017 (Figure 3 f dans Leduc et Chartrand, 2018). On note que les directions observées du NNE et du NE sont le plus fréquemment associées à une direction prévue du N. Les directions observées de l’ESE à S sont le plus souvent associées à la direction prévue de l’EST. À partir de la direction observée SSW, 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 N prévue.

Figure 4. Rose des vents prévue (gauche) et observée (droite) de nuit pour 2018

On note par ailleurs que les vitesses mesurées sont faibles pour les directions NNE (1.55 m/s), NE (0.86 m/s) et ENE (1.17 m/s); les directions NNE (14.2%) et NE (12.5%) sont fréquentes la nuit entre 19 h et 7 h (Figure 4). La direction prévue la plus fréquente à ce moment est le N (15.7%) probablement associée à un écoulement (catabatique) en provenance des sommets au nord et nord-est et qui se canalise dans le sens du lac.

Lorsque le vent est de 2 m/s et plus, les directions observées et prévues se répartissent de manière plus uniforme autour des directions respectives (pairées) mais un bon nombre de directions observées du N et du NNE sont associées à des directions prévues dans les directions NW et NNW.

Tableau 2. Coefficients de corrélation

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. Les valeurs changent quelque peu par rapport à 2017 mais il n’y a pas de différence majeure.

CONCLUSION

On a comparé pour l’année 2018 les observations de vent de la tour météorologique du Lac St-Charles et les résultats des calculs du modèle diagnostique CALMET (résolution de 100 m) dont les intrants proviennent des prévisions de 48 heures basées sur le système SHRPD (résolution de 2.5 km) pour 331 jours. On en arrive à des résultats semblables à ceux de 2017.

On constate aussi pour 2018 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.

RÉFÉRENCES

Leduc, R., M. Chartrand, 2018: Comparaison des prévisions et des observations de vent au lac St-Charles, Québec. Bulletin de la SCMO, vol. 46, no. 4, 10-15.

REMERCIEMENTS

Nos remerciements s’adressent à nouveau à Philippe Barnéoud (ECC Canada) pour ses commentaires et suggestions de même qu’à Environnement et Changement climatique Canada (ECC 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.

About the Author

Photo shows a middle aged caucasian man, Richard Leduc, author of the Wind in Lake Saint Charles Article for the CMOS Bulletin

Richard Leduc a débuté sa carrière en 1972 à Downsview. En 1979, il a rejoint Environnement-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.

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