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Edouard, Simon. Prévision d'ensemble des crues rapides méditerranéennes

Edouard, Simon (2016). Prévision d'ensemble des crues rapides méditerranéennes.

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Résumé en francais

Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises au risque de crues rapides. Ces crues sont provoquées par des pluies intenses pouvant être stationnaires et qui affectent des bassins versants à la topographie marquée et aux temps de réponses courts. Ces crues peuvent être très violentes, dévastatrices voire meurtrières. Il est donc important de disposer de systèmes de prévision adaptés pour l'anticipation des pluies et des débits des cours d'eau méditerranéens. Le système couplé ISBA-TOP a été particulièrement conçu pour simuler la réponse hydrologique de bassins versants à dynamique rapide. Il s'agit d'un couplage entre le modèle de surface ISBA et une version du modèle hydrologique TOPMODEL adaptée aux crues rapides. Une première étape du travail de thèse a été d'évaluer l'apport d'une meilleure représentation des processus hydrologiques dans le sol pour la simulation des débits avec ISBA-TOP. Une version d'ISBA-TOP basée sur la version diffusive d'ISBA (ISBA-DF qui découpe verticalement les colonnes de sol en de multiples couches) a donc été comparée à la version originale d'ISBA-TOP qui utilisait l'approche ISBA-3L où 3 couches de sol sont représentées. Sur un échantillon d'une vingtaine de cas d'étude, on montre une légère amélioration des simulations de débits avec la nouvelle version d'ISBA-TOP. Cette nouvelle version permet de s'affranchir du calage de deux paramètres gérant la répartition verticale de l'eau dans les colonnes de sol qu'il était nécessaire de réaliser pour chacun des bassins étudiés. La simulation de petits bassins versants non jaugés, pour lesquels on ne dispose pas d'observations pour réaliser le calage des paramètres, peut donc être envisagée. Il n'en reste pas moins que la modélisation hydrologique avec ISBA-TOP (comme avec tout autre modèle) reste entachée d'incertitude. La seconde partie de cette thèse vise à identifier ces incertitudes et à les quantifier. Dans le cas des crues rapides, les données de précipitation utilisées en entrée du modèle hydrologique constituent la source majeure d'incertitude mais elle n'est pas la seule. La connaissance des conditions initiales d'humidité des sols est également incertaine et le modèle hydrologique, lui-même, est entaché d'incertitude de par la `` paramétrisation '' des processus physiques et de par sa structure. Afin d'explorer ces deux sources d'incertitude et de les hiérarchiser, une étude de sensibilité du modèle ISBA-TOP à ses paramètres et à ses conditions initiales d'humidité des sols a été menée. Cette étude de sensibilité a d'abord été conduite pour un cas idéalisé, d'interprétation plus facile, avant de confirmer et d'approfondir les résultats sur des cas réels. Les simulations de débit avec ISBA-TOP se sont avérées particulièrement sensibles à trois des paramètres hydrodynamiques : le contenu en eau à saturation, la conductivité hydraulique à saturation et le taux de décroissance de la transmissivité avec la profondeur. Cette sensibilité, toutefois, est très dépendante des conditions initiales d'humidité des sols. Sur la base des résultats de l'étude de sensibilité, une méthode de perturbation des paramètres du modèle hydrologique a été conçue afin de tenir compte des erreurs de modélisation. Elle est complétée par une méthode de perturbations des conditions initiales en humidité des sols afin de constituer un système de simulation hydrologique d'ensemble. Evalué sur six cas réels, il a été montré que cet ensemble a un apport pour la simulation des débits par rapport à la version déterministe du modèle. Le nombre optimal de membre se situe autour 30 ou 50. Dans cette configuration, la performance de l'ensemble est proche de celle d'un ensemble de 100 membres mais nettement meilleure qu'avec seulement 10 membres. Le dernier volet de cette thèse porte sur la conception d'une prévision d'ensemble hydrométéorologique complète. L'incertitude sur les prévisions de précipitation en entrée, est échantillonnée en utilisant des précipitations prévues par les membres de la prévision d'ensemble AROME (PEARO). Les performances de ce système de prévision d'ensemble sont meilleures que si les membres de la PEARO sont utilisés en entrée de la version déterministe d'ISBA-TOP. Ces deux systèmes de prévision d'ensemble des débits ont montré un biais bas sur l'échantillon d'étude (constitué de quatre évènements). Ce biais peut être expliqué en partie par un biais bas de la PEARO pour les quantités de pluies prévues sur les bassins versants. Une méthode de correction simple de ce biais sur les pluies prévues permet de corriger partiellement le biais sur les débits prévus.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Ducrocq, Véronique
Vincendon, Béatrice
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM-GAME), UMR 3589
Mots-clés libres :Prévision d'ensemble - Crues Méditerranéennes - Sensibilité - Modélisation hydrologique - Conditions initiales d'humidité des sols
Sujets :Sciences de la terre
Déposé le :06 Jun 2017 12:47