l’analyse des cycles par la méthode fréquentielle des ondelettes

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1 l’analyse des cycles par la méthode fréquentielle des ondelettes
Etude statistique des chroniques des paramètres climatiques en Europe dans la période instrumentale l’analyse des cycles par la méthode fréquentielle des ondelettes drd. Marcel Mateescu Directeurs des recherches : Prof. dr. Ionel HAIDU (U.B.B.) Prof. dr. Pierre CARREGA (U.N.S.) Mesdames, Mademoiselle, Messieurs, Honorées membres du jury, Chers collègues; Permettez-moi de vous présenter cette thèse de doctorat intitulée ” Etude statistique des chroniques des paramètres climatiques en Europe dans la période instrumentale - l’analyse des cycles par la méthode fréquentielle ondelette » réalisée en cotutelle sous la direction de Professeurs Ionel Haidu de l’Université “Babes Bolyai” de Cluj Napoca et Professeur Pierre Carrega de l’Université de Nice “Sophia Antipolis”. Vous pouvez retrouver ma thèse enligne sur le site indique [ENTER], et aussi cette présentation. Le memoire s’étale sur plus de 300 pages, et la présentation a 57 feuilles, et c’est donc conçue pour durer une heure. Je vous remercie d’avance pour la compréhension. , pres.ppt 17-Déc-11

2 Structure Introduction , Contexte & Motivation 1.
Méthode d’analyse du climat / outils statistiques 2. Approches traditionnelles L’analyse des cycles - méthode des ondelettes Contributions personnelles - améliorations / ondelettes Le travail de la thèse comporte une partie ou le contexte et la motivation de cette recherche sont introduits, [ENTER] Un chapitre qui présente les aspects théoriques de l’analyse des chroniques climatiques par des moyens statistiques, [ENTER] Consacrées comme l’homogénéisation et des tests de ruptures, [ENTER] et des nouvelles approches , comme la méthode ondelette [ENTER], et une partie de mes contribution personnelles. [ENTER] Un troisième chapitre contienne l’application pratique de ces outils pour l’analyse du climat des 16 stations de l’espace Européen , entre 1947 et 2008, [ENTER] Ou c’est présente un exemple détaillé pour la station Salamanca, [ENTER] suivi d’une présentation synthétique des résultats pour tous les stations étudiées. [ENTER] Finalement ce ouvrage se clôture par une section dédiée aux conclusions générales. Application de la méthode aux données climatiques: 16 stations de l’Europe / période récente 3. Résultats détaillés (Salamanca) Résultats synthétiques domaine temporel & fréquentiel Conclusions générales 4. 17-Déc-11

3 1. Introduction le domaine de recherche le contexte le questionnement
l’hypothèse la motivation de ce travail le projet de recherche les techniques utilisées DOMA: climatologie CTX: enjeux globales , discussion rechauffement climatique, en plus debat politique, connexion chg. Clim // facteurs anthropiques 17-Déc-11

4 Le contexte général de la recherche
1. Introduction Le contexte général de la recherche l’analyse statistique des données climatiques exploratoire / inférentielle ses frontières expérimentation répétitive modélisation & simulation Les diverses méthodes statistiques d’analyse sont assez puissantes, adaptées et capables de distinguer des données d’entrée correctes …possibilités d’amélioration… QST: Les diverses méthodes statistiques d’analyse sont-elles assez puissantes, adaptées et capables de distinguer des données d’entrée correctes ??? Hypothese de recherche – repondre a ce QST. Motivation : d’analyser / réanalyser des séries climatiques vise à répondre ou confirmer des questions sur la dynamique du climat 17-Déc-11

5 Le projet de recherche. La méthode
1. Introduction Le projet de recherche. La méthode Appliqué Interdisciplinaire      Appliquer des outils statistiques Consacrés Nouveaux & améliorés (contributions personnelles) aux chroniques des données climatiques (températures & précipitations) Mensuels, annuels Journalières (approche innovante) 17-Déc-11

6 Les techniques utilisées
1. Introduction Les techniques utilisées Acquis statistique et méthodologique existant Ruptures : tests Mann-Kendall, Wilkoxon, Pettitt, SNHT Tendances : Easterling-Peterson Cycles : Fourier Nouvelles approches / contributions personnelles à l’amélioration de la méthode Ruptures : dans les périodicités Tendances : signification / longueur de l’échantillon Cycles : Ondelettes, fine granularité des données 17-Déc-11

7 L’espace et la période couverts
1. Introduction L’espace et la période couverts 16 stations météo de l’Europe température minimale, maximale, précipitations période instrumentale récente : données journalières 17-Déc-11

8 2. Présentation des outils statistiques que l’on utilise dans l’analyse de l’évolution temporelle du climat d’un site la théorie en amont des analyses statistiques état de l’art de la méthode Les Ondelettes – un meilleur outil pour l’analyse des cycles Contributions personnelles à l’amélioration de l’analyse par ondelettes en climatologie : démonstration de l’applicabilité de la méthode sur des données journalières de température recherche des discontinuités fréquentielles dans les données Etat de l’art >>> Biblio: +150 titres, recentes, articles recents 17-Déc-11

9 Les approches traditionnelles d’analyse
2. Présentation des outils statistiques … Les approches traditionnelles d’analyse état de l’art de la méthode la reconstruction des séries  la détection des ruptures l’homogénéisation des séries l’analyse des tendances Contribution personnelle: outil d’analyse comparative des tendances la détection traditionnelle des cycles - l’analyse de Fourier 17-Déc-11

10 Outil d’analyse comparative des tendances
2. Outils statistiques / Tendances / Contributions personnelles Outil d’analyse comparative des tendances Un système climatique contient de la variabilité pour différentes échelles de temps distinction tendances <> variabilité pour quel laps de temps doit-on calculer les tendances? 17-Déc-11

11 Les approches traditionnelles d’analyse
2. Présentation des outils statistiques … Les approches traditionnelles d’analyse un état de l’art de la méthode la reconstruction des séries  la détection des ruptures l’homogénéisation des séries l’analyse des tendances Contribution personnelle: outil d’analyse comparative des tendances la détection traditionnelle des cycles - l’analyse Fourier 17-Déc-11

12 La détection des cycles par l’analyse de Fourier
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Fourier La détection des cycles par l’analyse de Fourier Décomposition d’un signal dans une somme de sinusoïdes = Σ Signal continu 17-Déc-11

13 La détection des cycles par l’analyse de Fourier
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Fourier La détection des cycles par l’analyse de Fourier Décomposition d’un signal dans une somme de sinusoïdes Spectrogramme – fréquences des sinusoïdes f(x) = sin(x) + 2 sin(2x) + 3 sin(x/2) = Σ Signal continu 17-Déc-11

14 La détection des cycles par l’analyse de Fourier
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Fourier La détection des cycles par l’analyse de Fourier Détection des fréquences des signaux Détection des moments d’apparition des signaux Signal transitoire 17-Déc-11

15 Limites de l’analyse de Fourier
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Fourier Limites de l’analyse de Fourier Impossibilité d’avoir en même temps une bonne précision en temps et en fréquence principe d’incertitude de Heisenberg 17-Déc-11

16 Les Ondelettes – un meilleur outil
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Ondelettes Les Ondelettes – un meilleur outil « contourne » le principe d’incertitude de Heisenberg Information apriori rajoutée : forme de l’onde(lette) 17-Déc-11

17 Ondelettes vs. Fourier Temps Fréquence
2. Outils statistiques / Cycles et fréquences / Ondelettes vs. Fourier Ondelettes vs. Fourier Temps Fréquence Signification statistique 17-Déc-11

18 Contributions personnelles
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles Contributions personnelles Valider la méthode d’analyse ondelette sur des données climatiques Chroniques des données journalières de températures Étendre la méthode d’analyse des chroniques climatiques Identification des discontinuités dans les périodicités 17-Déc-11

19 Validation pour des données journalières de température
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Validation pour des données journalières de température Distribution bimodale Domaine original : distribution gaussienne 17-Déc-11

20 Validation « Monte-Carlo » :
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Validation « Monte-Carlo » : Méthode « Monte Carlo »: Détermine la signification statistique de manière empirique Générer de milliers d’enchantions aléatoires vraisemblables Appliquer X() et comparer les résultats Pas de différences? – pas de signification Générateur de « clones » des chroniques de température  Même « structure » que la chronique réelle 17-Déc-11

21 Validation « Monte-Carlo » : propriétés à « cloner »
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Validation « Monte-Carlo » : propriétés à « cloner » Générateur [  Matlab ]: Même moyenne Même écart-type Même autocorellation Même distribution Metropolis-Hastings 17-Déc-11

22 Technique: chaines Markov
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Metropolis-Hastings Technique: chaines Markov Création d’un échantillon avec la distribution  A partir d’une f.d.p.  ”paramétrable” Définir les “justes” fonctions 17-Déc-11

23 Chroniques (échantillons) générées par M.-H.
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Chroniques (échantillons) générées par M.-H. Caractéristiques similaires: Même moyenne Même écart-type Même autocorellation Même distribution Périodicité différente Choisie exprès afin de valider l’analyse des fréquences 17-Déc-11

24 Méthode ondelette: résultats simulées >> Validation
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles / Validation Méthode ondelette: résultats simulées >> Validation Calcul des milliers des spectres Ondelette à partir des échantillons simulées Détermination du niveau de la signification statistique 17-Déc-11

25 Contributions personnelles
2. Outils statistiques / Ondelettes / Contributions personnelles Contributions personnelles Valider la méthode d’analyse ondelette sur des données climatiques Chroniques des données journalières de températures Eteindre la méthode d’analyse des chroniques climatiques Identification des discontinuités dans les périodicités 17-Déc-11

26 Détection des discontinuités fréquentiels
2. Outils statistiques/ Ondelettes/ Contrib. perso./ Discontinuités fréquentiels Détection des discontinuités fréquentiels Sensibilité unique de la transformée Ondelette Détection des discontinuités inaperçues par d’autres approches 17-Déc-11

27 Algorithme de détection des discontinuités fréquentiels
2. Outils statistiques/ Ondelettes/ Contrib. perso./ Discontinuités fréquentiels Algorithme de détection des discontinuités fréquentiels Conception d’un algorithme de détection des discontinuités Implémentation de celui-ci dans un outil informatique Application de celui-ci aux chroniques réelles étudiées Ex: Cluj Napoca, Précipitations, 17-Déc-11

28 Application de la méthode aux données climatiques
3. Application aux données climatiques Application de la méthode aux données climatiques Recherche d’études récentes sur le climat de l’Europe Choix des tests à re-dérouler, des nouvelles analyses à lancer « Choix »  des stations à analyser Chroniques des données journalières Chroniques assez longues Disponibilit€ E.C.A.& D. 17-Déc-11

29 Analyse des chroniques
3. Application aux données climatiques Analyse des chroniques Chroniques des données journalières de: Températures minimales (TN) Températures maximales (TX) Précipitations (R) Indices calculés TNn, TXx, GSL, DTR, CDD, CWD etc. Recherche des: Ruptures : Mann-Kendall, Wilkoxon, Pettitt, SNHT, discontinuités Ondelette Tendances : Easterling-Peterson, approche comparative personnelle Cycles : Fourier, Ondelette 17-Déc-11

30 Exemple détaillé: Salamanca, 1945-2008
3. Application aux données climatiques / Salamanca Exemple détaillé: Salamanca, 40.96N -5.65E 765m Base aérienne de Matacán à l’abri des effets d’urbanisation influences directes des vents de l’Atlantique Matacan: 16 km de la ville de Salamanca, dans une zone rurale, entourée des terrains agricoles dédiées aux cultures irrigables >> à l’abri des effets d’urbanisation 17-Déc-11

31 Températures minimales : Ruptures
3. Application aux données climatiques / Salamanca / Températures Températures minimales : Ruptures Test T: 1950 (1975) Worsley: SNHT: 1950,1967 (1975) M.W.P.: 1967 (1975) 17-Déc-11

32 Températures minimales : Tendances
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures Températures minimales : Tendances Tendance générale faible et insignifiante Deux tendances opposées 1975 année de changement de régime 17-Déc-11

33 Outil d’analyse comparative des tendances
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures Outil d’analyse comparative des tendances 2. Outils statistiques / Tendances / Contributions personnelles Un système climatique contient de la variabilité pour différentes échelles de temps distinction tendances <> variabilité pour quel laps de temps doit-on calculer les tendances? Salamanca Températures Minimes 17-Déc-11

34 Températures maximales : Variance
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures Températures maximales : Variance CUSUM: 1971, 1951, 1982, 1995 Rodionov: 1971,1981,1995,1956 17-Déc-11

35 TX: Changement de régime
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures TX: Changement de régime 17-Déc-11

36 Indices dérivés : SU25 TX>25°C 1974
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures Indices dérivés : SU25 TX>25°C 1974 17-Déc-11

37 Cycles – Temperatures minimes
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Températures Cycles – Temperatures minimes Fourier: 1 & 2 ans Ondelette 1 an, continu 17-Déc-11

38 Précipitations - Ruptures
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Précipitations Précipitations - Ruptures Test T: 1965 Worsley -/- SNHT M.W.P. (1965) MWP a 66% 17-Déc-11

39 Précipitations - Tendances
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Précipitations Précipitations - Tendances MWP a 66% 17-Déc-11

40 Précipitations - Cycles
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Précipitations Précipitations - Cycles Fourier 3 mois 1 an 2 ans MWP a 66% 17-Déc-11

41 Précipitations – Cycles
3. Application aux données climatiques / Salamanca/ Précipitations Précipitations – Cycles Ondelettes cycle biannuel cycle saisonnier résultats différents de ceux des températures MWP a 66% 17-Déc-11

42 Résultats synthétiques
3. Application aux données climatiques / Résultats synthétiques Résultats synthétiques Même analyses appliquées aux 16 stations présentation comparative des comportements présentation synthétique Tendances Cycles Températures Précipitations Indices dérivées MWP a 66% 17-Déc-11

43 Températures: TNn / TNx
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Tendances/ Températures Températures: TNn / TNx Minimales absolues  Maxima des minimales MWP a 66% croissance significative à 95% confiance statistique croissance sig. à 75% décroissance sig. à 75% décroissance sig. à 95% Pas de tendance 17-Déc-11

44 Températures: FD0 FD0: journées de gel De Bilt Prague Cluj Napoca
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Tendances/ Températures Températures: FD0 FD0: journées de gel De Bilt Prague Cluj Napoca MWP a 66% croissance significative à 95% confiance statistique croissance sig. à 75% décroissance sig. à 75% décroissance sig. à 95% Pas de tendance 17-Déc-11

45 Températures: TXn / TXx
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Tendances/ Températures Températures: TXn / TXx Minima des maximales Maximales absolues MWP a 66% croissance significative à 95% confiance statistique croissance sig. à 75% décroissance sig. à 75% décroissance sig. à 95% Pas de tendance 17-Déc-11

46 Températures: WSDI De Bilt Oslo Zurich
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Tendances/ Températures Températures: WSDI WSDI: nombre d’épisodes aux 6 jours ou TX>90ème percentile De Bilt Oslo Zurich MWP a 66% croissance significative à 95% confiance statistique croissance sig. à 75% décroissance sig. à 75% décroissance sig. à 95% Pas de tendance 17-Déc-11

47 Précipitations : R10mm , SDII
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Tendances/ Précipitations Précipitations : R10mm , SDII R10mm – Nombre de journées aux précipitations fortes SDII – Précipitation totale pour les jours au PRCPT > 1.0mm MWP a 66% croissance significative à 95% confiance statistique croissance sig. à 75% décroissance sig. à 75% décroissance sig. à 95% Pas de tendance 17-Déc-11

48 Synthèse des tendances
3. Application …/ Résultats synthétiques / Tendances Synthèse des tendances ascendante , 95% confiance statistique, ascendante, 75% confiance statistique, aucune tendance, descendante, 75% confiance statistique, descendante, 95% confiance statistique. PRECIPITATIONS TEMPERATURES MWP a 66% 17-Déc-11

49 Températures : TN, TX 3. Application …/ Résultats synthétiques/ Cycles
uniquement le cycle saisonnier 1 an - significatif MWP a 66% 17-Déc-11

50 Précipitations 3. Application …/ Résultats synthétiques/ Cycles
Différences prononcées entre les stations Influence continentale / océanique Cycles: 1 an 2 ans 4 ans 7-8 ans MWP a 66% 17-Déc-11

51 Précipitations : cartographie des cycles
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Cycles/ Précipitations Précipitations : cartographie des cycles Cycle annuel « continental » MWP a 66% 17-Déc-11

52 Précipitations : cartographie des cycles
3. Application …/ Résultats synthétiques/ Cycles/ Précipitations Précipitations : cartographie des cycles Cycle 7-8 ans « océanique» MWP a 66% 17-Déc-11

53 Conclusions générales
Les diverses méthodes statistiques d’analyse sont assez puissantes, adaptées et capables de distinguer des données d’entrée correctes? appliquer / améliorer des méthodes pour la détection & quantification des changements du climat Données : techniques d’homogénéisation utilité des données journalières Résultats / signification Nombre réduit des stations + répartition éparse pas de conclusions sur les évolutions climatiques 17-Déc-11

54 Conclusions générales
Résultats confirment ou sont en concordance avec des résultats des autres chercheurs acquis par des méthodes déjà consacrées Réchauffement observable en Europe 1975 année de changement de régime augmentation des précipitations 17-Déc-11

55 Conclusions générales
Nouveaux résultats : plutôt des améliorations méthodologiques  nouvelle approche - ondelettes l’influence d’un cycle non classifié de 7-8 ans pour les stations “océaniques” 17-Déc-11

56 Conclusions générales
Les diverses méthodes statistiques d’analyse sont assez puissantes, adaptées et capables de distinguer des données d’entrée correctes Approches consacrées pour détecter des ruptures, sauts, et tendances: robustes adaptées depuis des années résultats numériques sans « intelligence climatique » Comparaison des divers résultats impérative Approches consacrées pour détecter des cycles bien complémentées par la méthode ondelette  contributions personnelles Possibilité très récente d’application: Données journalières Puissance de calcul 17-Déc-11

57 FIN Je vous remercie fortement pour votre attention et votre soutien
À votre disposition pour répondre à vos questions et toute autre information complémentaire 17-Déc-11