Apport des modèles météorologiques de résolution kilométrique pour la prévision des crues rapides méditerranéennes : vers une prévision d'ensemble des débits en région Cévennes-Vivarais
Audard-Vincendon, B.
Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises au risque de crue-éclair à l'automne. Ces crues résultent à la fois des pluies intenses qui s'abattent sur ces régions et de la topographie accidentée des bassins versants concernés. La prévision de ces crues particulièrement dévastatrices est un enjeu majeur. Les échelles spatio-temporelles en jeu dans leur formation sont spécifiques et des outils bien adaptés sont nécessaires pour leur simulation. Le système couplé ISBA-TOPMODEL, développé à cet effet, est calibré sur trois bassins versants des Cévennes, les Gardons, la Cèze et l'Ardèche. Il permet de simuler d'une part des débits aux différents exutoires de ces bassins mais aussi de fournir des champs spatialisés de contenus en eau ou de ruissellement à la résolution du km2. Le premier volet de ce travail de thèse consiste à évaluer l'apport du système couplé ISBA-TOPMODEL pour la simulation de crues méditerranéennes. Cette évaluation porte à la fois sur des cas réels et des cas idéalisés afin de mettre en évidence les avantages et les conditions d'utilisation du système. Une bonne qualité des champs de pluie spatialisés utilisés en entrée du modèle est une condition importante pour obtenir des débits simulés proches des observations. Mais l'utilisation de pluies observées pour forcer la modélisation hydrologique ne permet pas une anticipation importante des crues. Pour augmenter le délai d'anticipation, il est nécessaire d'utiliser des champs de pluie prévus ayant une résolution horizontale correspondant à celle du système hydrologique. Le potentiel des prévisions déterministes à fine échelle pour la prévision des débits est ainsi examiné dans le deuxième volet de la thèse. Dans le cadre du projet Européen PREVIEW, tout d'abord, des cas de crues sur la région des Cévennes et sur le Piémont Italien sont simulés. Quatre modèles de recherche (dont Méso-NH) utilisés à haute résolution réalisent d'abord la prévision de précipitations. Ces prévisions de pluie donnent lieu à une évaluation objective par le calcul de scores. Une autre évaluation, orientée vers des applications hydrologiques, est d'utiliser les champs prévus en entrée de modèles hydrologiques adaptés à la simulation de crues méditerranéennes (dont ISBA-TOPMODEL). Ces deux modes d'évaluation ne conduisent pas toujours aux mêmes conclusions : une prévision de champs de pluie ayant de bons scores objectifs peut mener à une mauvaise prévision de débits. En particulier, les erreurs de localisation de noyaux précipitants prévus sont très préjudiciables à la prévision de crue sur un bassin donné. C'est une bonne illustration du problème d'écart entre échelle météorologique et échelle hydrologique. Les prévisions du modèle AROME sont ensuite évaluées sur deux cas de crues survenus à l'automne 2008. Le système ISBA-TOPMODEL forcé par les champs de pluie prévus par AROME fournit une prévision de débits horaires sur les trois bassins Cévenols jusqu'à 30h d'échéance. Les résultats sont prometteurs avec certaines prévisions du modèle conduisant à des débits simulés tout à fait proches de ceux observés. Ces travaux montrent bien à quel point les incertitudes qui affectent la prévision météorologique se propagent dans le système de modélisation hydrologique en s'amplifiant. Dans la dernière partie de la thèse, pour quantifier ces incertitudes, une méthode de prévision d'ensemble de débits est développée et évaluée. Elle est basée sur la propagation des incertitudes affectant la prévision de pluie dans le système hydrologique couplé ISBATOPMODEL (supposé parfait). Pour tirer profit de l'information disponible dans le modèle déterministe opérationnel AROME, nous y introduisons des perturbations représentant l'incertitude sur la prévision des pluies. Afin de spécifier ces perturbations, les pluies horaires prévues et les lames d'eau horaires issues de la composite radar de Météo-France sont comparées sur un échantillon de jours de fortes pluies. Les densités de probabilités des erreurs en localisation et en intensité des pluies prévues sont ainsi obtenues. Elles sont utilisées pour calibrer les 50 perturbations à appliquer aux précipitations prévues par le modèle déterministe. Les 50 scénarii de pluies ainsi élaborés permettent de réaliser une prévision d'ensemble de débits. La méthode est évaluée sur deux cas de crues de l'automne 2008. Les ensembles de débits obtenus parviennent à apporter de l'information supplémentaire par rapport à une prévision avec AROME déterministe et les enveloppes des quartiles incluent en général les débits observés. Une autre évaluation de la méthode a été possible en utilisant des simulations d'ensemble à l'échelle convective réalisées avec le modèle AROME. Différents ensembles constitués de 11 membres fournissent les champs de pluie en entrée d'ISBA-TOPMODEL. Les ensembles de débits ainsi obtenus sont comparés à ceux issus de la méthode de génération de perturbations sur les mêmes deux cas de l'automne 2008. La justesse et la dispersion des deux ensembles sur chaque bassin versant sont du même ordre avec les deux approches. La méthode de génération de perturbations, plus légère en temps de calcul, permet donc de fournir une prévision probabiliste des débits de qualité équivalente. Il est aussi montré qu'une taille d'échantillon de 50 membres est à préférer à un nombre de membres plus faible.
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