Estimation et prévision immédiate des précipitations sur un bassin urbain - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Estimation Rainfall estimation and nowcasting in an urban catchment

Estimation et prévision immédiate des précipitations sur un bassin urbain

Résumé

Good quality rainfall estimations and nowcasts are an essential prerequisite for the development of reliable flash flood warning systems, especially for urban catchments, where the socioeconomic consequences of hazardous precipitation events are high. The risks posed by such extreme events are further heightened because of climate change. In this context, this thesis aims to investigate the potential of using a small weather radar in combination with the local rain gauge and national radar networks to improve the quantitative precipitation estimation (QPE) of rainfall, and to deliver reliable nowcasts. This research was carried out in the flood prone urban catchment of Clermont Ferrand-Riom.To improve QPEs with a high spatiotemporal resolution (5 minutes and a 100 m), the performance of geostatistical interpolation techniques has been investigated using rain gauge data as a primary variable and X-band radar data as a secondary variable for the kriging with an external drift and conditional merging techniques. Radar data was used for the inference of climatological variograms for each precipitation type (stratiform, convective or mixed) for all geostatistical interpolation techniques including ordinary kriging. The long-term evaluation of these techniques shows the benefit of using the geostatistical approach to merge rain gauge and radar data, especially to capture the spatial variability of rainfall. Additionally, two methods were examined to combine the X-band LAWR (Local Area Weather Radar) data with the PATNTHERE product (Rainfall sums with a resolution of 5 minutes and 1 km, provided by the national weather service Météo-France). The first method uses the PANTHERE product (using mainly a C-band radar over the area of interest) to correct X-band data from attenuation effects, and the second one consists of applying a quantile-quantile correction to the X-band data using the PANTHERE product to take advantage of its overall better measurement accuracy, both methods have shown satisfactory results in terms of reducing bias of X-band radar data in comparison with rain gauge data.In the second section of this research, a feature-based forecasting method has been applied to two rainfall events in order to investigate the ability of the X-band LAWR of providing reliable nowcasts. The method includes several steps aimed at identifying, tracking, and then interpolating the features of rainfall cells such as area, speed, and average precipitation intensity. The application of this method on two case studies shows that it provided satisfactory results for forecast lead times up to 30 minutes but efficiency degrades for further time frames.In conclusion, the research carried out in this thesis indicates that local X-band LAWR have great potential for rain estimates and forecast and should be considered in the development of flash flood warning systems, especially for urban catchments.
Dans le contexte de changement climatique, les évènements météorologiques extrêmes sont appelés à augmenter en termes de fréquence et d’intensité. Conséquemment, le développement de systèmes d’alerte des crues soudaines est primordial pour les agglomérations urbaines. Cette thèse se penche sur deux volets de tels systèmes, à savoir l’amélioration des estimations quantitatives et la prévision immédiate des précipitations (moins de 6 heures) sur le bassin urbain « Clermont Ferrand-Riom », un bassin classé comme étant un territoire à risque important d’inondation. Deux instruments sont utilisés : le pluviomètre (réseau pluviométrique de la métropole Clermont Auvergne, et réseau pluviométrique de Météo France), et le radar météorologique (« petit » radar en bande X du Laboratoire de Météorologie Physique, et le réseau de radar ARAMIS de Météo-France). Sur le premier volet, on a examiné la performance des méthodes géostatistiques pour l’amélioration des estimations quantitatives des précipitations à haute résolution spatiotemporelle (5 minutes et 100 m), particulièrement deux méthodes multivariables (le krigeage avec dérive externe et la fusion conditionnée) pour la fusion des données radar en bande X avec les données pluviométriques locaux, et ce par type de précipitations (stratiforme, convectif ou mixte). Pour ce faire, une analyse variographique a été réalisée pour la détermination des variogrammes climatologiques caractéristiques de chaque type de précipitations. Il est en est ressorti que les estimations quantitatives des précipitations issues des données pluviométriques peuvent être améliorées de façon significative en utilisant les données radar comme variable secondaire avec les méthodes géostatistiques d’interpolation spatiale, en particulier pour la restitution de la variabilité des champs de précipitations. Deux méthodes de fusion de données radar ont également été examinées pour l’amélioration des estimations quantitatives de précipitations sur le bassin clermontois avec le radar en bande X et le produit PANTHERE (mosaïque de lames d’eau sur tout le territoire français avec une résolution de 5 minutes et 1 km avec le réseau de radars ARAMIS, essentiellement en bande C et S). La première vise à corriger les effets de l’atténuation entachant les champs en bande X en utilisant les mesures de réflectivités en bande C et S du produit PANTHERE, moins affectés par l’atténuation. La deuxième consiste à l’application de la méthode de correction quantile-quantile sur les champs de précipitations du radar en bande X pour tirer profit de la précision des mesures du produit PANTHERE. Notre évaluation de la performance de ces deux méthodes montre leur efficacité en termes de minimisation des biais des mesures du radar en bande X par rapport aux mesures pluviométriques.Dans le second volet, nous nous sommes intéressés à la capacité de notre radar en bande X à fournir des prévisions immédiates des précipitations malgré sa portée de 20 km seulement, nous avons donc appliqué une méthode « orientée objet » sur deux évènements pluvieux à partir d’images de cet instrument. Cette méthode se base sur l’identification des cellules précipitantes, la reconstitution de leurs trajectoires au fil du temps, et enfin l’extrapolation de leurs caractéristiques (comme la surface, la vitesse, la direction, le taux de précipitations moyen…) pour avoir des prévisions. Les vérifications des prévisions immédiates réalisées grâce au deux études de cas considérés montrent que les prévisions sont globalement correctes pour les échéances inférieures à 30 minutes, elles commencent à se détériorer au-delà. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse montrent tout le potentiel que possèdent les « petits » radars pour l’estimation et la prévision immédiate des précipitations, en particulier pour les bassins urbains
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03191287 , version 1 (07-04-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03191287 , version 1

Citer

Ibrahim Seck. Estimation et prévision immédiate des précipitations sur un bassin urbain. Sciences de la Terre. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2020. Français. ⟨NNT : 2020CLFAC055⟩. ⟨tel-03191287⟩
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