Amélioration d'une chaîne de prévision hydro-météorologique. Application en temps réel simulé au bassin du Gardon d'Anduze Renaud MARTY Encadrant : Charles OBLED Co-encadrants : Isabella ZIN Abdelatif DJERBOUA Bonjour, Je vais donc vous parler de l'objet de mon stage M2R/PFE effectué au LTHE, à savoir l'AMÉLIORATION D'UNE CHAÎNE DE PREVISION HYDRO-METEOROLOGIQUE et son APPLICATION EN TEMPS REEL SIMULE AU BASSIN DU GARDON D'ANDUZE…

hydro-météorologique Prévision des crues éclairs Echéances requises crue temps Précipitations 3h Mise en alerte 12h - 24h vigilance 2j - 3j Vidange préventive 4j - 6j Bassin Besoin de prendre en compte ses caractéristiques l'évolution des contenus en eau du sol  Besoin d'une modélisation hydrologique pour émettre des prévisions de débit Précipitations déjà tombées Influence hydrologique: sur 3 à 9h – bassins à réponse rapide insuffisant dans l’optique de bulletins d'alerte "crue"  Besoin d'une projection plus longue de l'information "pluie" vers le futur, Prévisions de précipitations Sorties de modèles météorologiques brutes ou adaptées, déterministes ou probabilistes, avec des cumuls 12, 24, 48h ? Découpage des précipitations (ex. journalières) en précipitations horaires, respectant la climatologie des épisodes du bassin Modélisation hydrologique Traitement et assimilation des prévisions de précip. Chaîne de prévision hydro-météorologique --- Bassins à réponse rapide Prévisions de débit zones inondées Etat du bassin précip. débit L'objectif est la prévision des crues éclairs sur des bassins de l'ordre de 500-1000 km². ECHEANCES Les précipitations génératrices précèdent le pic de crue de qq. heures. Or, afin d ’assurer une mise en sécurité des biens et des personnes, une mise en alerte doit disposer d ’un délai de 12 à 24 heures. En outre, pour être sûr que tout les moyens nécessaires soient mobilisables au moment de la crise, une mise en vigilance doit intervenir 2 à 3 jours avant l ’événement. Enfin, si l ’on dispose d ’ouvrages hydrauliques, on peut vouloir diminuer l ’impact de la crue. Mais une éventuelle vidange préventive doit s ’étaler sur plusieurs jours si l ’on ne veut pas que cette vidange produise elle-même une crue. PRECIP. … Or c'est insuffisant pour émettre des bulletins de vigilance/alerte orientés crue. Il nous faut voir plus loin et donc utiliser des prévis. de pluie. Celles-ci peuvent provenir des sorties météo brutes, ou être adaptées, déterministes ou probabilistes et donnent des cumuls journalier. Ceci nous amène à découper ce cumul journalier en scénarios horaires respectant la climatologie locale. BASSIN Pour prendre en compte les caractéristiques du bassin et l'évolution de l'humidité, nous émettons des prévisions de débit via un modèle hydrologique. CHAÎNE La chaîne comprend une phase de traitement des sorties météo, une de modélisation hydrologique et émet les prévisions de débit. Où ? Comment ?

PLAN La chaîne de prévision hydro-météorologique 1.1 Organisation générale de la chaîne 1.2 Prévisions de précipitations 1.3 Adaptation des prévisions Générateur de scénarios de pluie Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODEL Utilisation en temps réel simulé: Gardon d’Anduze – 09/2005 Conclusions et Perspectives Lors de cette présentation, je vais d'abord présenter la chaîne, les prévis de PP et leur adaptation. Puis j'aborderai le désagrégateur temporel des précip. Journalières en précip. Horaires. Je présenterai la transformation de ces scénarios de pluie en scénarios de débit via TOPMODEL. Je montrerai ensuite quelques résultats sur l'épisode de l'automne dernier sur le bassin du Gardon d'Anduze. Enfin, après la conclusion, j'évoquerai les perspectives sur la chaîne développée au LTHE.

1.1 Organisation générale de la chaîne La chaîne comprend 4 modules… Le premier concerne le recueil des données pluviométriques et débitmétriques provenant de l'OHMCV. Le second collecte les prévis de pluie et traite ces informations sur les précip. futures en les désagrégeant au pas de temps hydrologique tout en étant adapté au cycle de rafraîchissement des émission de prévis. Le troisième transforme les scénarios désagrégés en scénarios de pluie pour donner le débit prévu avec une fourchette de proba. Le dernier module gère la propagation des débits via un modèle hydraulique et donne les zones inondées. Dans le cadre de ce stage, je n'aborde que les second et troisième modules.

1.2 Prévisions de précipitations (1) Prévisions Quantitatives de Précipitations Prévisions potentiellement disponibles: immédiates t+1, 2 voire 3h imagerie radar à court terme t+24, 48 voire 72h sorties brutes des modèles météorologiques ou adaptation des sorties des modèles météo (Analogues) mais rafraîchies toutes les 24, 12 voire 6h déterministes, ou plutôt probabilistes Caractéristiques des sorties brutes Maille peu adaptée aux bassins maille couvrant plusieurs bassins, bassin couvert par plusieurs mailles… Pas de temps de fourniture météo Cumuls sur 6, 12 voire 24h + Informations Qualitatives expertise des prévisionnistes, des radaristes… début des précipitations intenses, arrêt des précipitations, intermittence attendue au cours de l’épisode,...

1.2 Prévisions de précipitations (2) Ex. Prévisions adaptées par la méthode des analogues Bontron, Thévenot 2004 Caractéristiques Distributions statistiques de la lame d’eau sur le bassin Cumul journalier (6h TU  6h TU) Rafraîchies toutes les 24h (à 6h TU) Actuellement Respect des distributions des 2 premiers jours Activation de la chaîne directement à partir des prévisions de pluie

1.3 Adaptation des prévisions Besoins hydrologiques Modélisation pluie-débit Dynamique rapide de la crue  pas de temps hydrologique  pas d’espace hydrologique surface maximale d’utilisation d’une lame d’eau spatiale (Lebel 1984) Surface du bassin étudié  modélisation globale ou semi-distribuée Bassins à réponse rapide – Crues éclairs Pas de temps hydrologique ~ horaire Surface ~ 500 km²: modélisation globale (acceptable) Or nos prévisions de pluie (QPF) Pas de temps météorologique journalier : inadapté Lame d’eau sur le bassin : adaptée Nécessité de désagréger temporellement les prévisions météorologiques (précip.) tout en respectant le cycle de rafraîchissement pour les rentrer dans le modèle hydrologique

PLAN La chaîne de prévision hydro-météorologique Générateur de scénarios de pluie 2.1 Principe du générateur 2.2 Conditionnement des scénarios par le passé 2.3 Conditionnement des scénarios par le futur 2.4 Sélection des scénarios de pluie Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODEL Utilisation en temps réel simulé Gardon d’Anduze – 09/2005 Conclusions et Perspectives => Réponse LTHE = générateur stochastique de pluie que je vais maintenant présenter

2.1 Principe du générateur (1) Objectifs : être capable de générer des épisodes pluvieux intenses « plausibles » proposer un prolongement pour un épisode en cours respecter une prévision de pluie future respecter une distribution de pluie future SI prévision probabiliste intégrer des informations qualitatives supplémentaires

2.1 Principe du générateur (2) Pour chaque épisode : on considère d’abord NA : Nombre d’Averses Puis pour chaque averse : DA : durée de l’averse ITEA : durée de la période sèche entre averses HPA : hauteur de pluie de l’averse HPMX : maximum de pluie horaire HEMA : position du max de pluie horaire au minimum : ~ 20 épisodes  lois statistiques des différentes variables

2.1 Principe du générateur (3) Construction des hyétogrammes Position du max. horaire dans l’averse : HEMA Tirage de l’intensité max. horaires : HPMX RPON = RPA/DAn  RPA = HPMX/HPA = G(DA) Tirage des durées d’averse : DA Tirage des durées Inter-averse : ITEA Répartition du volume d’averse HPA autour de HPMX Tirage des hauteurs d’averse : HPA = f(DA) Tirage du nombre d’averse : NA

Génération de scénarios prolongeant l'épisode en cours 2.2 Conditionnement par le passé Génération de scénarios prolongeant l'épisode en cours

2.3 Conditionnement par le futur (1) Prévision Déterministe  Censure selon le volume à respecter Génération contrainte par le passé  Calcul du cumul généré sur 24h CENSURE

Prévision Probabiliste: Comment la respecter ? 2.3 Conditionnement par le futur (2) Prévision Probabiliste: Comment la respecter ? Cumul en 24h à partir de 6h TU Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe Nombre total de scénarios Souhaités ex. 500~1000 X

à retenir pour chaque classe 2.4 Sélection des scénarios de pluie Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe Rajout/rejet du scénario Retenir ce scénario généré pour la classe [40-45] sauf si elle en contient déjà 120 Calcul du cumul sur 24h fixe (06-06h TU) 42mm en 24h t

PLAN La chaîne de prévision hydro-météorologique Générateur de scénarios de pluie Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODEL Utilisation en temps réel simulé Gardon d’Anduze – 09/2005 Conclusions et Perspectives

3 TOPMODEL (1) Jeu de scénarios de débit donné par les scénarios de pluie Nombreuses traces, difficulté à synthétiser pour la prévision hydro-météorologique Simplification, diffusion des prévisions sous forme de quantiles de débit 90% 60% 35%

nécessité de générer qq. 1000 3 TOPMODEL (2) Entre 2 jeux de scénarios: Résultats stabilisés en fourchette de débit si Nb scénarios > 500 Pour disposer d’un jeu (500) respectant une prévi probabiliste nécessité de générer qq. 1000 voire jusqu’à 1 million de scénarios marginaux (Selon caractère inhabituel de la distribution à respecter…)

PLAN La chaîne de prévision hydro-météorologique Générateur de scénarios de pluie Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODEL Utilisation en temps réel simulé Gardon d’Anduze – 09/2005 Conclusions et Perspectives

4 Gardon d’Anduze: 6-8/09/2005 (1) Pic de crue du 06/09/2005 Le 5 à 18h TU (20h locale): le quantile Q90% annonce une montée de débit dans l'après-midi du 6 Echéance suffisante 30h Quelques chiffres 250mm le 6 – Crue vicennale (Tretour ~ 20ans) à Montpellier 230mm dans l'après-midi du 6 et 200mm le 8 à Nîmes Prévisions de précipitations disponibles dispose: Quantitatives Analogues suppose: Qualitatives Début/Arrêt des pluies

4 Gardon d’Anduze: 6-8/09/2005 (2) Le 6 sept. à 18h TU (échéance 36h) Prévision de précipitations J + (J+1) imposée par le cycle journalier de rafraîchissement des prévisions la projection minimale de 12h dans le futur les 60mm déjà collectés sur le bassin depuis 6h TU Prévision de débit Quantile Q90% : pic entre 3h et 18hTU (230 m3/s)  Etalement des précipitations sur les 36h Arrêt des précipitations dans 10h Pic annoncé par Q60% Adéquation avec la fréquence de Pobs dans la distribution de la prévisions Arrêt des pluies Pluie répartie sur les 36h Et si on a plus d'information sur l'arrêt des précipitations ??

4 Gardon d’Anduze: 6-8/09/2005 (3) Le 7 sept. à 6h TU (échéance 24h) Information qualitative Pas de pluie avant le 8 au matin Récession de la crue du 6 sept. Le 7 sept. à 6h TU (échéance 24h) Prévision de débit récession annoncée reprise possible mais peu probable: 2nd pic annoncé dans l'après-midi Q90% = 200 m3/s Qualité des prévisions de débit Prévisions quantitatives de précipitations ~ 80%  Modélisation hydrologique ~ 20% Info. Qualitatives  Prévisions de débit plus fines en chronologie

PLAN La chaîne de prévision hydro-météorologique Générateur de scénarios de pluie Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODEL Utilisation en temps réel simulé: Gardon d’Anduze – 09/2005 Conclusions et Perspectives

5 Conclusions Chaîne de prévision Générateur stochastique de pluie bon outil pour désagréger temporellement le cumul (journalier) "météorologique" Assimilation de l'ensemble des informations disponibles sur le futur: probabilistes – quantitatives et/ou qualitatives  prévis plus fines et éventuellement plus justes Echéance (12 - 36h) extension significative de l'échéance de prévision des crues éclairs  suffisante pour l'émission des bulletins d'alerte "crue"  apport potentiellement intéressant dans la gestion des crues éclairs

5 Perspectives Mise en opérationnel Développements envisagés Activation de la chaîne d'après les prévisions "analogues" à 5j Accès horaire aux données en temps réel Accès journalier aux prévisions Mode "dégradé" : pb. transmission – acquisition des données Développements envisagés Couplage avec un modèle hydraulique pour la détermination des zones inondées Prévisions simultanées sur plusieurs bassins introduction cohérence spatiale entre les générations stochastiques sur les différents bassins, désagrégation spatio-temporelle des prévisions météorologiques Acquérir / Produire des PQPFs à pas de temps infra journalier 12h?, 6h?

MERCI DE VOTRE ATTENTION !

60mm déjà collectés le 6 à 18h TU Prévu le 6 pour le 6 Le 6 à 18h TU pour les 6 et 7 sachant que: Le 6 pour le 7 60mm déjà collectés le 6 à 18h TU