amélioration d'une chaîne de prévision hydro-météorologique. application en temps réel...

Amélioration d'une chaîne de prévision hydro-météorologique.

Application en temps réel simulé au bassin du Gardon d'Anduze

Renaud MARTYRenaud MARTY

Encadrant : Charles OBLEDCo-encadrants : Isabella ZIN

Abdelatif DJERBOUA

Echéances requisesEchéances requises

crue

temps

Précipitations

3h

Mise enalerte

12h - 24h

Mise envigilance

2j - 3j

Vidange préventive

4j - 6j

Prévision des crues éclairsPrévision des crues éclairsPrécipitations Précipitations déjà tombéesdéjà 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

BassinBassinBesoin 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

Où ?

Comment ?

Modélisation

hydrologique

Traitement etassimilation des

prévisions de précip.

Chaîne de prévision hydro-météorologique

---Bassins à réponse rapide

Prévisions de débit

zones inondées

Etat du bassin précip. débit

1.1. La chaîne de prévision hydro-météorologiqueLa chaîne de prévision hydro-météorologique1.1 Organisation générale de la chaîne

1.2 Prévisions de précipitations

1.3 Adaptation des prévisions

2.2. Générateur de scénarios de pluieGénérateur de scénarios de pluie

3.3. Transformation des scénarios de pluie en débit: Transformation des scénarios de pluie en débit: TOPMODELTOPMODEL

4.4. Utilisation en temps réel simuléUtilisation en temps réel simulé: : Gardon d’Anduze – 09/2005Gardon d’Anduze – 09/2005

5.5. Conclusions et PerspectivesConclusions et Perspectives

PLANPLAN

1.1 Organisation générale de la chaîne1.1 Organisation générale de la chaîne

P lu ie o b se r vé e r é se a u + r a d a r

D é b its O b se r vé s Q o b s

N iv ea u x d 'ea u o b serv és freq u en ce scru tation : eg 1h

S ystèm e d 'O b s

c o u rb e s d e ta ra ge

P r é v i. d e P lu ie s

0 2 4 h 4 8 h

PQ PF' simmédiatecour t/ moyen terme

F ou rn isseu rs d e P révi. M étéo

Pas de temps MtMeteorologique

+ Cycle de Rafraîchissement

ex . 12h

ex . 24h

Pas de temps HtHydrologiquedes ModèlesPluie-Débit

Q p rév u s+ F o u rch ette d e P ro b a .

ex . 1h

Z onesI nondées

M o d è le H yd rauliq ue

1.2 Prévisions de précipitations (1)1.2 Prévisions de précipitations (1)

Prévisions Prévisions QuantitativesQuantitatives de Précipitations 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 Informations QualitativesQualitatives

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)1.2 Prévisions de précipitations (2)

Ex. Prévisions adaptées par la méthode des Ex. Prévisions adaptées par la méthode des analoguesanalogues

Bontron, Thévenot 2004Bontron, 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 chaînedirectement à partir des prévisions de pluie

1.3 Adaptation des prévisions1.3 Adaptation des prévisionsBesoins hydrologiquesBesoins 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)(Lebel 1984) Surface du bassin étudié modélisation globale

ou semi-distribuée

Nécessité de désagréger temporellement les prévisions

météorologiques (précip.) tout en respectant le cycle de rafraîchissement pour

les rentrer dans le modèle hydrologique

Bassins à réponse rapide – Crues éclairs

Pas de temps hydrologique ~ horaire

Surface ~ 500 km²: modélisation globale (acceptable)

OrOr nos prévisions de pluie (QPF)nos prévisions de pluie (QPF) Pas de temps météorologique journalier : inadapté

Lame d’eau sur le bassin : adaptée

1.1. La chaîne de prévision hydro-météorologiqueLa chaîne de prévision hydro-météorologique

2.2. Générateur de scénarios de pluieGénérateur de scénarios de pluie2.1 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


4.4. Utilisation en temps réel simuléUtilisation en temps réel simulé Gardon d’Anduze – 09/2005Gardon d’Anduze – 09/2005


PLANPLAN

2.1 Principe du générateur (1)2.1 Principe du générateur (1)

ObjectifsObjectifs : :

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


28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

D escrip tio n et ca ra cterisa tio n d 'u n even em en t d e p lu ie

e ve n e m e n t a ve c 9 a ve r se s

C a r a c te r isa tio n d 'u n e a ve r se

- durée- cum ul de p luie - m axim um de p luie- position du m ax de p luie- durée de la période sèche après l'averse

0

100

200

300

400

1 11 21 31 41 51 61

Te m ps (hour)

Plu

ie (

1/10

mm

/h)

au minimum :~ 20 épisodes lois statistiques des différentes variables

Pour chaque épisode :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

Pluie (1/10 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17

Temps (heure)

Plu

ie (

1/10

mm

)

AV1

AV2

15h TU

6h TU 6h TU

1 2 34

56

ex. :

DA1=7, ITEA1=0

DA2=6, ITEA2=0

DA3=3, ITEA3=0

DA4=1, ITEA4=2

DA5=3, ITEA5=1

DA6=1, ITEA6>12

Tirage des durées d’averse : DA

Tirage des durées Inter-averse : ITEAPluie (1/10 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17

Temps (heure)

Plu

ie (

1/10

mm

)

AV1

AV2

15h TU

6h TU 6h TU

1 2 34

56

ex. : HPA1 = 27

HPA2 = 24

HPA3 = 11

HPA4 = 4.5

HPA5 = 3.7

HPA6 = 2.0

Tirage des hauteurs d’averse : HPA = f(DA)

Pluie (1/10 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17

Temps (heure)

Plu

ie (1

/10

mm

)

AV1

AV2

15h TU

6h TU 6h TU

1 2 34

56

ex. :

HPMX1=5.6, HEMA=3

HPMX2=5.0, HEMA=3

HPMX3=4.5, HEMA=1

HPMX4=4.5, HEMA=1

HPMX5=1.8, HEMA=3

HPMX6=2.0, HEMA=1

t

Position du max. horaire dans l’averse : HEMA

Tirage de l’intensité max. horaires : HPMXRPON = RPA/DAn RPA = HPMX/HPA = G(DA)


Pluie (1/10 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17

Temps (heure)

Plu

ie (

1/10

mm

)

AV1

AV2

15h TU

6h TU 6h TU

1 2 34

56

ex.: NA = (2)+6

Tirage du nombre d’averse : NA

Construction Construction

des hyétogrammesdes hyétogrammes

Pluie (1/10 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13 17

Temps (heure)

Plu

ie (1

/10

mm

)

AV1

AV2

15h TU

6h TU 6h TU

1 2 34

56

t

Répartition du volume d’averse HPA

autour de HPMX

2.2 Conditionnement par le passé2.2 Conditionnement par le passé

Génération de scénarios prolongeant l'épisode en cours

2.3 Conditionnement par le futur (1)2.3 Conditionnement par le futur (1)

Prévision Prévision DéterministeDéterministe

① Génération contrainte par le passé

Calcul du cumul généré sur 24h

Censure selon le volume à respecter

CENSURCENSUREE

2.3 Conditionnement par le futur (2)2.3 Conditionnement par le futur (2)

Prévision Prévision ProbabilisteProbabiliste: Comment la respecter ?: Comment la respecter ?

60%

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

100%

0%m m

%

60%

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

100%

0%m m

m m

Total = 100%

Cumul en 24h à partir de 6h TU

Nombre total de scénarios

Souhaitésex. 500~1000

X

2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

210

181

132120120

106

70 50

11

m m

N

Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe

2.4 Sélection des scénarios de pluie2.4 Sélection des scénarios de pluie

6hTU 6hTU

Calcul du cumul sur 24h fixe (06-06h TU)

6hTU 6hTU

42mm en 24h

t

Retenir ce scénario générépour la classe [40-45]

sauf si elle en contient déjà 120 2 0 4 54 03 53 02 5 5 0 5 51 5

210

181

132120120

106

70 50

11

m m

N

Nombre de scénarios à retenir pour chaque classe

Rajout/rejetdu scénario

PLANPLAN






3 TOPMODEL (1)3 TOPMODEL (1)Jeu de scénarios de débit donné par les scénarios de pluieJeu 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%

3 TOPMODEL (2)3 TOPMODEL (2)

Pour disposer d’un jeu (500) Pour disposer d’un jeu (500) respectant une prévi probabilisterespectant une prévi probabiliste

nécessité de générer qq. 1000 voire jusqu’à 1 million de scénarios marginaux

(Selon caractère inhabituel de la distribution à respecter…)

Entre 2 jeux de scénarios:Entre 2 jeux de scénarios:

Résultats stabilisés en fourchette de débitsi Nb scénarios > 500

PLANPLAN





5. Conclusions et Perspectives

4 Gardon d’Anduze: 4 Gardon d’Anduze: 6-8/09/2005 6-8/09/2005 (1)(1)

Quelques chiffresQuelques 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 disponiblesPrévisions de précipitations disponibles

dispose: QuantitativesQuantitatives Analogues

suppose: QualitativesQualitatives Début/Arrêt des pluies

Pic de crue du 06/09/2005Pic 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


Le 6 sept. à 18h TU (échéance 36h)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

Pluie répartie sur les 36h

Et si on a plus d'information sur l'arrêt des précipitations ??

Arrêt des précipitations dans 10h

Pic annoncé par Q60%

Adéquation avec la fréquence de Pobs dans la distribution de la prévisions

Arrêt des pluies


Le 7 sept. à 6h TU (échéance 24h)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

Le 7 sept. à 6h TU (échéance 24h)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.

Qualité des prévisions de débit

Prévisions quantitatives de précipitations ~ 80%

Modélisation hydrologique ~ 20%

Info. Qualitatives

Prévisions de débit plus fines en chronologie

PLANPLAN




4.4. Utilisation en temps réel simuléUtilisation en temps réel simulé: : Gardon d’Anduze – 09/2005Gardon d’Anduze – 09/2005


5 Conclusions5 ConclusionsChaîneChaîne dede prévisionprévision

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 Perspectives5 PerspectivesMiseMise enen opérationnelopérationnel

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

DéveloppementsDéveloppements envisagésenvisagés 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 !

Prévisions émises le 06/09/05

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 50 100 150 200 250 300

P (mm)

06/09/2005

07/09/2005

06-07/09/2005 | 60mm à 18hTU

Prévu le 6 pour le 6

Le 6

pour

le 7

Le 6 à 18h TU

pour les 6 et 7

sachant que:

60mm déjà collectés le 6 à 18h TU

amélioration d'une chaîne de prévision hydro-météorologique. application en temps réel...

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