Développement d'un modèle statistique non stationnaire et régional pour les précipitations extrêmes simulées par un modèle numérique de climat PDF Download
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Author: Jonathan Jalbert
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Languages : en
Pages : 120
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Book Description
Les inondations constituent le risque naturel prédominant dans le monde et les dégâts qu'elles causent sont les plus importants parmi les catastrophes naturelles. Un des principaux facteurs expliquant les inondations sont les précipitations extrêmes. En raison des changements climatiques, l'occurrence et l'intensité de ces dernières risquent fort probablement de s'accroître. Par conséquent, le risque d'inondation pourrait vraisemblablement s'intensifier. Les impacts de l'évolution des précipitations extrêmes sont désormais un enjeu important pour la sécurité du public et pour la pérennité des infrastructures. Les stratégies de gestion du risque d'inondation dans le climat futur sont essentiellement basées sur les simulations provenant des modèles numériques de climat. Un modèle numérique de climat procure notamment une série chronologique des précipitations pour chacun des points de grille composant son domaine spatial de simulation. Les séries chronologiques simulées peuvent être journalières ou infrajournalières et elles s'étendent sur toute la période de simulation, typiquement entre 1961 et 2100. La continuité spatiale des processus physiques simulés induit une cohérence spatiale parmi les séries chronologiques. Autrement dit, les séries chronologiques provenant de points de grille avoisinants partagent souvent des caractéristiques semblables. De façon générale, la théorie des valeurs extrêmes est appliquée à ces séries chronologiques simulées pour estimer les quantiles correspondants à un certain niveau de risque. La plupart du temps, la variance d'estimation est considérable en raison du nombre limité de précipitations extrêmes disponibles et celle-ci peut jouer un rôle déterminant dans l'élaboration des stratégies de gestion du risque. Par conséquent, un modèle statistique permettant d'estimer de façon précise les quantiles de précipitations extrêmes simulées par un modèle numérique de climat a été développé dans cette thèse. Le modèle développé est spécialement adapté aux données générées par un modèle de climat. En particulier, il exploite l'information contenue dans les séries journalières continues pour améliorer l'estimation des quantiles non stationnaires et ce, sans effectuer d'hypothèse contraignante sur la nature de la non-stationnarité. Le modèle exploite également l'information contenue dans la cohérence spatiale des précipitations extrêmes. Celle-ci est modélisée par un modèle hiérarchique bayésien où les lois a priori des paramètres sont des processus spatiaux, en l'occurrence des champs de Markov gaussiens. L'application du modèle développé à une simulation générée par le Modèle régional canadien du climat a permis de réduire considérablement la variance d'estimation des quantiles en Amérique du Nord.
Author: Jonathan Jalbert
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Languages : en
Pages : 120
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Les inondations constituent le risque naturel prédominant dans le monde et les dégâts qu'elles causent sont les plus importants parmi les catastrophes naturelles. Un des principaux facteurs expliquant les inondations sont les précipitations extrêmes. En raison des changements climatiques, l'occurrence et l'intensité de ces dernières risquent fort probablement de s'accroître. Par conséquent, le risque d'inondation pourrait vraisemblablement s'intensifier. Les impacts de l'évolution des précipitations extrêmes sont désormais un enjeu important pour la sécurité du public et pour la pérennité des infrastructures. Les stratégies de gestion du risque d'inondation dans le climat futur sont essentiellement basées sur les simulations provenant des modèles numériques de climat. Un modèle numérique de climat procure notamment une série chronologique des précipitations pour chacun des points de grille composant son domaine spatial de simulation. Les séries chronologiques simulées peuvent être journalières ou infrajournalières et elles s'étendent sur toute la période de simulation, typiquement entre 1961 et 2100. La continuité spatiale des processus physiques simulés induit une cohérence spatiale parmi les séries chronologiques. Autrement dit, les séries chronologiques provenant de points de grille avoisinants partagent souvent des caractéristiques semblables. De façon générale, la théorie des valeurs extrêmes est appliquée à ces séries chronologiques simulées pour estimer les quantiles correspondants à un certain niveau de risque. La plupart du temps, la variance d'estimation est considérable en raison du nombre limité de précipitations extrêmes disponibles et celle-ci peut jouer un rôle déterminant dans l'élaboration des stratégies de gestion du risque. Par conséquent, un modèle statistique permettant d'estimer de façon précise les quantiles de précipitations extrêmes simulées par un modèle numérique de climat a été développé dans cette thèse. Le modèle développé est spécialement adapté aux données générées par un modèle de climat. En particulier, il exploite l'information contenue dans les séries journalières continues pour améliorer l'estimation des quantiles non stationnaires et ce, sans effectuer d'hypothèse contraignante sur la nature de la non-stationnarité. Le modèle exploite également l'information contenue dans la cohérence spatiale des précipitations extrêmes. Celle-ci est modélisée par un modèle hiérarchique bayésien où les lois a priori des paramètres sont des processus spatiaux, en l'occurrence des champs de Markov gaussiens. L'application du modèle développé à une simulation générée par le Modèle régional canadien du climat a permis de réduire considérablement la variance d'estimation des quantiles en Amérique du Nord.
Author: Quentin Fumière
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Languages : fr
Pages : 183
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Le pourtour méditerranéen, plus particulièrement le Sud-Est de la France, est affecté par des épisodes de pluies intenses pendant l'automne. Déterminer l'évolution future de ces événements est un enjeu scientifique et de société majeur. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à très haute résolution spatiale et aux échelles climatiques, la représentation passée et l'évolution future de ces événements de pluies intenses. L'approche utilisée est basée sur l'analyse des simulations d'une famille de modèles de climat régionaux à convection profonde explicite (cprcms, 2-3 km) et sur l'exploitation d'une nouvelle base de données d'observations des précipitations kilométrique et horaire : comephore.L'évaluation des cprcms met en évidence une forte valeur ajoutée des cprcms par rapport aux rcms (Regional Climate Models) à convection paramétrée (12,5 km) pour la représentation des précipitations extrêmes quotidiennes et surtout horaires. Cette valeur ajoutée est robuste à des changements de configurations de cnrm-arome (version, domaine et modèle forceur). Il est également montré que cette valeur ajoutée est vérifiée dans 4 autres paires cprcm/rcm issues du programme cordex fps-convection. L'étude des effets du changement climatique à la fin du 21 ème siècle dans un scénario à forte émission de gaz à effet de serre à partir de simulations de 10 ans des quatre cprcms ne permet pas d'obtenir une évolution significative des précipitations extrêmes même sur le signe du changement attendu. Il est très probable que la variabilité naturelle du climat domine la réponse future des précipitations extrêmes sur des périodes de 10 ans. En revanche, une simulation de scénario de 30 ans avec cnrm-arome selon le scénario rcp8.5 pour la fin du siècle suggère une augmentation des précipitations extrêmes quotidiennes et surtout horaires sur les Cévennes et plus particulièrement sur le Roussillon où l'augmentation des précipitations horaires pourrait dépasser les 15% par degré de réchauffement. Par ailleurs, il a été montré que les cprcms peuvent nettement modifier la réponse des pluies au changement climatique simulées par les rcms à résolution standard. A l'avenir, des simulations d'au moins 30 ans semblent nécessaires pour obtenir des résultats robustes dans les exercices internationaux multi-modèles. Ce travail constitue la première exploitation scientifique intensive du modèle arome en mode climat. Les résultats obtenus ouvrent de nombreuses possibilités pour son usage futur pour étudier le climat à très haute résolution et en particulier les événements extrêmes.
Author: INRS-ETE.
Publisher: Québec : INRS-ETE
ISBN: 9782891463447
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Languages : fr
Pages : 57
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Author: Nicolas Pujol
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Languages : fr
Pages : 193
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Parallèlement au contexte du réchauffement climatique, la vulnérabilité face aux événements hydrologiques extrêmes est en constante augmentation, notamment en France. Si l'effet du changement climatique sur les températures maximales est avéré, son impact sur le régime des pluies fortes n'est pas établi, et l'on s'interroge, depuis quelques années, sur la perception d'une recrudescence des événements extrêmes : urbanisation mal maîtrisée, surmédiatisation ou changement climatique ? Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est double. Premièrement, mettre au point des outils statistiques permettant l'étude régionale de la stationnarité des extrêmes climatiques. En effet, le changement climatique est un phénomène à grande échelle qui devrait avoir un impact à l'échelle régionale. Deuxièmement, étudier la stationnarité des précipitations méditerranéennes intenses. Deux approches sont ici proposées. La première permet de mettre en évidence des changements locaux significatifs à l'échelle régionale. La deuxième consiste à rechercher une tendance régionale qui soit commune à l'ensemble des stations d'une même zone. Cette deuxième méthode est basée sur l'utilisation de copules multivariées qui permettent de prendre en compte formellement la dépendance spatiale des données. L'estimation par maximum de vraisemblance est alors réalisée via les algorithmes génétiques. Ainsi, 92 séries de précipitations du pourtour méditerranéen français sont examinées. Une tendance à la hausse des maxima annuels est observée sur une bande méridienne allant de l'Ariège à la Corrèze, mais également dans le Massif Central, les Cévennes et les montagnes du Roussillon
Author: Jeanne Colin
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Languages : fr
Pages : 292
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Une étude de la variabilité climatique des événements méditerranéens de précipitations intenses dans le Sud-Est de la France (HPE : High Precipitation Events) est proposée au travers de l'analyse des performances du modèle de climat à aire limitée ALADIN-Climat. La sensibilité des pluies extrêmes simulées à différents paramètres de configuration du modèle est évaluée dans un cadre d'étude idéalisé ou à travers des expériences pilotées par la ré-analyse ERA-40. Les tests de sensibilité portent sur le couplage dynamique de l'atmosphère avec le modèle de mer Méditerranée NEMO-MED8, l'application d'une technique de pilotage spectral, la taille du domaine d'intégration et la résolution horizontale (passage de 50 à 12.5 km). Seule l'augmentation de la résolution conduit à une modification des précipitations extrêmes. Une étude détaillée de la valeur ajoutée ainsi apportée est alors conduite. Les résultats obtenus avec ALADIN-Climat sont ensuite comparés à ceux issus de deux méthodes de descente d'échelle statistique : la méthode de désagrégation DSCLIM (Boé et al., 2006) et la méthode de détection développée par Nuissier et al. (2011). Il s'avère que les performances d'ALADIN-Climat à 12.5 km sont plus satisfaisantes que celles de la première méthode et au moins équivalentes à celles de la seconde, d'où l'on conclut que ce modèle constitue donc un outil adéquat à l'étude de la variabilité climatique des HPE. Un scénario de changement climatique A1B est alors réalisé avec ALADIN-Climat pour la fin du XXe siècle, et différentes méthodes sont proposées pour l'analyse des résultats. Elles suggèrent un accroissement de la fréquence d'occurrence et une intensification des HPE.
Author: Kevin Charette
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Languages : fr
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Ce mémoire a pour objectif de déterminer si les précipitations convectives estivales simulées par le modèle régional canadien du climat (MRCC) sont stationnaires ou non à travers le temps. Pour répondre à cette question, nous proposons une méthodologie statistique de type fréquentiste et une de type bayésien. Pour l'approche fréquentiste, nous avons utilisé le contrôle de qualité standard ainsi que le CUSUM afin de déterminer si la moyenne a augmenté à travers les années. Pour l'approche bayésienne, nous avons comparé la distribution a posteriori des précipitations dans le temps. Pour ce faire, nous avons modélisé la densité \emph{a posteriori} d'une période donnée et nous l'avons comparée à la densité a posteriori d'une autre période plus éloignée dans le temps. Pour faire la comparaison, nous avons utilisé une statistique basée sur la distance d'Hellinger, la J-divergence ainsi que la norme L2. Au cours de ce mémoire, nous avons utilisé l'ARL (longueur moyenne de la séquence) pour calibrer et pour comparer chacun de nos outils. Une grande partie de ce mémoire sera donc dédiée à l'étude de l'ARL. Une fois nos outils bien calibrés, nous avons utilisé les simulations pour les comparer. Finalement, nous avons analysé les données du MRCC pour déterminer si elles sont stationnaires ou non.
Author: Gérémy Panthou
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Languages : fr
Pages : 0
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En Afrique de l'Ouest, la diminution brutale de la pluviométrie depuis les années 1970 s'est produite en concomitance avec une augmentation des dommages liés aux inondations. Si une accentuation de la vulnérabilité des populations est indéniable, la question d'une évolution de l'aléa pluviométrique en particulier des pluies les plus intenses reste posée - notamment dans un contexte où le réchauffement climatique devrait s'accompagner d'une intensification du cycle hydrologique globale. Cette thèse s'attache améliorer nos connaissances sur le régime de pluies extrêmes en Afrique de l'Ouest sous-documenté à l'heure actuelle dans les sciences du climat et de l'hydrologie opérationnelle. Le travail s'articule autour des trois objectifs: (i) fournir une vision régionale intégrée de l'organisation spatiale des extrêmes, (ii) étudier l'évolution du régime de précipitations extrêmes en lien avec la variabilité décennale des cumuls pluviométriques annuels, (iii) caractériser les extrêmes pluviométriques en produisant des cartes d'aléa pluviométrique et en étudiant les liens d'échelles entre les extrêmes de pluie à différents résolutions spatio-temporelles. On se base ici sur les données journalières des réseaux nationaux disponibles depuis les années 1950 sur l'Afrique de l'Ouest et actualisées sur le Sahel Central jusqu'en 2010; les données de précipitation à haute résolution disponibles depuis 1990 sur l'observatoire AMMA-CATCH Niger. Les modèles statistiques classiques issus de la théorie des valeurs extrêmes, ont été adaptés pour incorporer des covariables représentant des non-stationnarités spatiales et temporelles dans les pluies extrêmes. On montre la grande robustesse de ces modèles pour estimer les quantiles rares et détecter les tendances régionales dans les séries d'extrêmes. Le cadre théorique des fractales a été utilisé pour modéliser les relations d'échelles spatio-temporelles. On montre ainsi qu'une représentation de type "simple scaling" permet de décrire de manière très satisfaisante ces relations sur la gamme des pas de temps allant de 1 à 24 heures. Les résultats climatologiques confirment que la sécheresse de la fin du XXeme siècle a été avant tout associée à une baisse de l'occurrence des précipitations, leur intensité demeurant relativement inchangée. On note en revanche un comportement singulier sur la dernière décennie durant laquelle un déficit persistant d'occurrence est compensé par une intensification des précipitations qui explique un retour vers une meilleure pluviométrie annuelle, associée cependant à des extrêmes plus marqués et donc porteurs de risque hydrologique.
Author: Benoît Bovy
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Languages : fr
Pages : 0
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L'évolution des versants est le résultat de l'action combinée des processus d'altération et de transport sédimentaire. Même si il est généralement admis que l'efficacité de ces processus varie en fonction du climat, la quantification de l'influence climatique sur l'érosion des versants reste encore peu développée aujourd'hui. S'inscrivant dans cette problématique, notre étude est consacrée au développement d'un nouveau modèle numérique d'érosion des versants, ayant pour objectif de mieux représenter, à différentes échelles de temps, les multiples aspects du contrôle climatique sur les processus de transport de sol. Ce modèle numérique permet de simuler l'évolution de l'épaisseur de sol et du relief à l'échelle d'un versant; il repose sur une paramétrisation simple de la production de sol couplée à une paramétrisation multi-processus du transport de sol, qui comprend plusieurs variables en étroite relation avec le climat (débit de ruissellement, épaisseur de couche active). Le calcul de ces variables est réalisé sur base de séries temporelles de précipitation et de température avec l'aide d'un modèle de transfert de chaleur et d'un modèle de bilan hydrologique. Le comportement du modèle a été étudié au travers de quelques exemples génériques et d'analyses de sensibilité. Les résultats obtenus montrent des différences significatives dans la façon dont se comporte chaque processus de transport sous conditions climatiques variables, et également dans la manière dont chaque processus affecte l'érosion globale des versants. Ces résultats mettent ainsi en lumière l'importance de la paramétrisation multi-processus du transport de sol dans la modélisation de la réponse des versants aux changements climatiques. Nous avons également développé une méthode associant le modèle d'érosion de versant à un algorithme d'inversion (Neighbourhood Algorithm). Cette méthode a permis de caractériser de manière quantitative l'évolution des versants ardennais (NE Belgique) lors du dernier cycle glaciaire-interglaciaire, sur base d'un scénario climatique simple et de nombreuses données topographiques et d'épaisseurs de sol. Les résultats de l'inversion produisent des prédictions en accord avec certaines observations sur la morphologie des versants ardennais ainsi qu'avec des taux d'érosion estimés indépendamment sur base de concentrations en isotopes cosmogéniques, même si on montre que la distribution actuelle des épaisseurs de sol ne renferme pas assez d'information pour déterminer entièrement les taux de production et de transport de sol lors des périodes froides et tempérées du dernier cycle climatique. Les résultats de l'inversion suggèrent des taux de transport de sol bien plus élevés lors de la période froide que lors de la période tempérée, produisant une succession de systèmes limités par la production de sol d'une part (période froide), et par le transport de sol d'autre part (période tempérée). Un pic de transport de sol est prédit lors des transitions entre ces périodes. Les résultats laissent également suggérer qu'un équilibre dynamique en terme d'épaisseur de sol a été récemment atteint dans les parties convexes des versants, alors que des sols peu épais observés dans les parties concaves pourraient correspondre à des traces de la distribution des épaisseurs de sol qui prévalait lors de la dernière glaciation.
Author: Xun Sun
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Les événements de pluies extrêmes et les inondations qui en résultent constituent une préoccupation majeure en France comme dans le monde. Dans le domaine de l'ingénierie, les méthodes d'analyse probabiliste sont pratiquement utilisées pour prédire les risques, dimensionner des ouvrages hydrauliques et préparer l'atténuation. Ces méthodes sont classiquement basées sur l'hypothèse que les observations sont identiquement distribuées. Il y a aujourd'hui de plus en plus d'éléments montrant que des variabilités climatiques à grande échelle (par exemple les oscillations El Niño - La Niña, cf. indice ENSO) ont une influence significative sur les précipitations dans le monde. Par ailleurs, les effets attendus du changement climatique sur le cycle de l'eau remettent en question l'hypothèse de variables aléatoires "identiquement distribuées" dans le temps. Il est ainsi important de comprendre et de prédire l'impact de la variabilité et du changement climatique sur l'intensité et la fréquence des événements hydrologiques, surtout les extrêmes. Cette thèse propose une étape importante vers cet objectif, en développant un cadre spatio-temporel d'analyse probabiliste régionale qui prend en compte les effets de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Les données sont supposées suivre une distribution, dont les paramètres sont liés à des variables temporelles et/ou spatiales à l'aide de modèles de régression. Les paramètres sont estimés avec une méthode de Monte-Carlo par Chaînes de Markov dans un cadre Bayésien. La dépendance spatiale des données est modélisée par des copules. Les outils de comparaison de modèles sont aussi intégrés. L'élaboration de ce cadre général de modélisation est complétée par des simulations Monte-Carlo pour évaluer sa fiabilité. Deux études de cas sont effectuées pour confirmer la généralité, la flexibilité et l'utilité du cadre de modélisation pour comprendre et prédire l'impact de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Ces cas d'études sont réalisés à deux échelles spatiales distinctes: • Echelle régionale: les pluies d'été dans le sud-est du Queensland (Australie). Ce cas d'étude analyse l'impact de l'oscillation ENSO sur la pluie totale et la pluie maximale d'été. En utilisant un modèle régional, l'impact asymétrique de l'ENSO est souligné: une phase La Niña induit une augmentation significative sur la pluie totale et maximale, alors qu'une phase El Niño n'a pas d'influence significative. • Echelle mondiale: une nouvelle base de données mondiale des précipitations extrêmes composée de 11588 stations pluviométriques est utilisée pour analyser l'impact des oscillations ENSO sur les précipitations extrêmes mondiales. Cette analyse permet d'apprécier les secteurs où ENSO a un impact sur les précipitations à l'échelle mondiale et de quantifier son impact sur les estimations de quantiles extrêmes. Par ailleurs, l'asymétrie de l'impact ENSO et son caractère saisonnier sont également évalués.
Author: Benjamin Le Roy
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Languages : fr
Pages : 200
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Book Description
Par ses caractéristiques physiques et géométriques, l'environnement urbain représente une modification profonde du milieu naturel. Ces transformations engendrent des impacts environnementaux et sociétaux déjà perceptibles, qui pourraient s'accentuer avec le changement climatique. La compréhension et l'évaluation de ces impacts et leurs évolutions futures nécessitent des outils de simulation et des scénarios climatiques adaptés à l'échelle de la ville. Certains modèles régionaux de climat atteignent aujourd'hui de très hautes résolutions horizontales permettant de représenter les villes et évaluer les impacts par une descente d'échelle dynamique. Mais leur mise en œuvre coûteuse limite la durée des simulations et le nombre de scénarios étudiés. D'autres méthodes, plus légères, permettent d'améliorer la résolution de ces modèles par une descente d'échelle statistique mais ne représentent pas les rétroactions de la ville sur le climat local. Cette thèse propose une méthodologie pour l'évaluation des impacts du changement climatique en ville, en termes de climat urbain, confort thermique, et demande énergétique, avec la région parisienne comme cas d'étude. Une première étape a consisté à faire un état des lieux de la climatologie urbaine de la région, à partir de longues séries d'observations spatialisées de température de surface, de température de l'air en surface et de précipitation. Des indicateurs de climat urbain innovants ont été proposés et calculés, pour l'analyse du climat passé de Paris, puis remobilisés dans la suite de la thèse pour l'évaluation des modèles et l'étude des évolutions avec le changement climatique. Dans une seconde étape, une méthode de descente d'échelle statistico-dynamique a été développée et testée sur la région parisienne pour combiner les tendances climatiques régionales avec l'effet thermique de la ville sur son environnement local. Les projections climatiques fournies par les modèles du programme EURO-CORDEX 0,11° de résolution) ont été corrigées quotidiennement par des champs atmosphériques issus d'une modélisation à haute résolution du climat urbain. Cette modélisation a été réalisée, dans une précédente étude, avec le modèle Meso-NH couplé au modèle de canopée urbaine TEB, pour un ensemble de situations météorologiques représentatives des types de temps locaux. Une évaluation sur la période passée 2000-2008 a montré la capacité de la méthode à représenter la variabilité spatiale et temporelle des îlots de chaleur urbains parisiens. Enfin, les forçages climatiques produits par cette méthode, avec une résolution spatiale kilométrique et une fréquence temporelle tri-horaire, ont été appliqués à la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX incluant TEB. Des simulations du climat urbain de la région parisienne ont été réalisées en continu sur la période 1976-2099 selon le scénario d'émission RCP8,5 ; TEB étant capable de simuler différents indicateurs d'impacts relatifs à la température, le confort thermique et la consommation d'énergie des bâtiments. La méthodologie complète a été comparée à des approches plus simples, sans descente d'échelle des forçages climatiques pour la prise en compte préalable des effets urbains. Cette étude a permis d'évaluer la sensibilité des résultats sur la période historique, et de montrer les apports de la méthodologie proposée pour l'évaluation des impacts. Les résultats ont ensuite été analysés sur tout le XXIe siècle pour quantifier l'évolution du climat urbain et des impacts associés sur la région parisienne sous l'influence du changement climatique.
