Amélioration des prévisions d’ensemble des débits sur la France de SAFRAN-ISBA-MODCOU

1. Amélioration des prévisions d’ensemble des débits sur la France de SAFRAN-ISBA-MODCOU Guillaume Thirel (CNRM/GMME/MC2) Thèse encadrée par Éric Martin

2. INTRODUCTION • Depuis 2004, chaque jour : un système de prévisions d’ensemble de débits (ESPS) basé sur SIM (Thèse de FabienneRousset, 2007). • sur la France entière • basé sur les prévisions d’ensemble (pluie+température) du CEPMMT (ECMWF EPS) • moyenne échéance (10 jours), validé (article Rousset, newsletter du CEPMMT printemps 2007) ⇒ De plus en plus de besoins pour les prévisions de crues rapides (SCHAPI) • un ESPS à courte échéance basé sur la PEARP (prévision d’ensemble ARPEGE) • courte échéance : 60H OBJECTIFS : • Comparer l’impact des EPS sur les prévisions d’ensemble des débits sur 2 jours d’échéance. • Améliorer le système grâce à une assimilation de débits

3. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

4. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

5. Le modèle hydro-météorologique SIM Analyse météorologique SAFRAN Observations +modèles NWP Précipitation, température, humidité, vent, radiations E Schéma de surface H ISBA + G Neige Données physiographiques pour le sol et la végétation Qr Qi Nash Débits journaliers Modèle hydrologique MODCOU Aquifère Habets et al. (2008)

6. Hydrologie des grands bassins versants français

7. Produits SIM (cartes de SWI) DCLIM/HYDRO Suivi des ressources en eau du sol

8. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

9. ENSEMBLE FORECASTS ECMWF/PEARP Ensemble forecasts 51/11 members, 2-day forecasts T+ Precip Spatial DESAGGREGATION ENSEMBLE FORECAST SOIL ISBA MODCOU WAT. TABLES RIVERS FINAL STATES Schéma des ESPS basés sur SIM ANALYSIS RUN (daily) Observations Meteor. models 10-year climatology Wind, Rad., Humidity SAFRAN SOIL WAT. TABLES RIVERS STATE SOIL WAT. TABLES RIVERS FINAL STATE ISBA MODCOU

10. La Seine à Paris, crue de mars 2001 (crue décennale) Q90 Q50 Q10 • Prévision correcte de l’intensité et de la temporalité de la crue (montée, date du pic de crue, décrue) • Dispersion correcte • Prévision de la crue dès le 11-12 mars : pré-alerte, alerte

11. Visualisation des sorties en temps réel • Site intramet : http://intra.cnrm.meteo.fr/pedeb/ • Sélection de 28 stations • prévision de débits • tableau d’alerte • => Visualisation du risque + de la persistance (ou non) de la prévision Probabilité de dépassement du Q90

12. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

13. CEPMMT 51 membres Résolution homogène 10 jours (+5) de prévisions Vecteurs singuliers, Optimisation en 2 jours Résolution dans la base de données opérationnelle : 1.5° PEARP 11 membres Version zoomée 60 H de prévisions Vecteurs singuliers Optimisation en 12H Sur l’Europe Résolution dans la base de données opérationnelle : 0.25° Prévisions d’ensemble des débits basées sur 2 EPS très différents -> Objectif : moyenne échéance -> Objectif : courte échéance La comparaison est faite sur 48H communes aux deux systèmes

14. Exemple : l’Ardèche PEARP CEPMMT

15. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

16. Désagrégation des précipitations Interpolation sur les zones SAFRAN en fonction de la distance, puis : • CEPMMT : gradient d’altitude de 2 mm/m/an là où l’altitude ISBA est < 800m et 0.7 mm/m/an là où l’altitude ISBA est > 800m • PEARP : application d’un biais point par point étalonné sur un an de simulation Cumuls de précipitations 11 mars 2005 / 30 septembre 2006 SAFRAN CEPMMT (Jour 1) PEARP (Jour 1) Tous les scores statistiques sont meilleurs pour la PEARP

17. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

18. Scores statistiques • Brier Skill Score (BSS) : qualifie la capacité d’un système de prévisions d’ensemble à prévoir le dépassement (ou non) d’un seuil, comparaison à la simulation de référence. • Tailles des ensembles différentes (51 et 11 membres) : • BSS biaisé négativement quand le nombre de membres diminue • Utilisation du débiaisage introduit par Weigel (Weigel et al. 2006) • Comparer 2 prévisions d’ensemble : tests de significativité de la différence : • Précipitations : test de Wilcoxon et t-test (Hamill, 1999) • Débits : test de ré-échantillonnage (Hamill, 1999) -> car dépendance temporelle des débits

19. BSS faibles débits (Q10) Bleu : CEPMMT meilleur (90% de certitude selon un test de ré-échantillonnage) Rouge : PEARP meilleur (90% de certitude) CEPMMT : 98 stations PEARP : 184 stations CEPMMT : 33 stations PEARP : 329 stations Jour 1 Jour 2

20. BSS hauts débits (Q90) Bleu : CEPMMT meilleur (90% de certitude selon un test de ré-échantillonnage) Rouge : PEARP meilleur (90% de certitude) CEPMMT : 49 stations PEARP : 338 stations CEPMMT : 19 stations PEARP : 486 stations Jour 2 Jour 1

21. Distribution par taille de bassin (BSS) Q10 Jour 1 Q90 Jour 1 CEPMMT PEARP Tailles des bassins Tailles des bassins Q10 Jour 2 Q90 Jour 2 Tailles des bassins Tailles des bassins

22. Conclusions de la comparaison • Les précipitations désagrégées de la PEARP sont meilleures que celles du CEPMMT • mais méthode de désagrégation différente (adaptée au modèle météorologique) • L’ESPS basé sur la PEARP a montré une amélioration (à courte échéance) sur les petits bassins et les forts débits • Résultats confirmés par un panel varié de scores statistiques (RPSS, diagramme de fiabilité, taux de fausses alarmes et détection, étude par saison) • Intérêt pour la prévision de crues rapides en France (SCHAPI) • Détails de l’étude dans On the impacts of short-range meteorological forecasts for ensemble streamflow predictions, G. Thirel, F. Rousset-Regimbeau, E. Martin, F. Habets, Journal of Hydrometeorology, 2008, Accepted.

23. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

24. Pourquoi une assimilation des débits? • Problématique : • les prévisions d’ensemble des débits sont initialisées par un run de référence, aucune observation utilisée • les scores statistiques sont comparés à un run de référence ⇒ Nécessité d’une assimilation de débits

25. Principe de l’assimilation • États jours [J-N;J-1] • débits SIM • humidité sol Débits obs. [J-N;J-1] Assimilation (BLUE) Humidité du sol corrigée J-N Prévisions [J;J+P] Simulation SIM [J-N;J] Débits SIM assimilés J

26. Stations à assimiler Contraintes : stations simulées par SIM et données observées disponibles pour 2005/2006 186 stations sélectionnées sur la France : Non fortement influencées (barrages, …) Observations disponibles sur 2005/2006, voire validées (source : http://www.hydro.eaufrance.fr) Les 186 stations Mailles ISBA drainant les 186 stations

27. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

28. Équations de l’estimateur BLUE (Best Linear Unbiased Estimator) débits observés matrice de gain K état analysé ébauche innovation R : matrice de covariance d’erreurs d’observation, diagonale, proportionnelle au carré de l’observation : (alpha*y0)² B : matrice de covariance d’erreurs d’ébauche, diagonale, proportionnelle au carré de l’ébauche : (beta*xb)²

29. La Jacobienne débits Jacobienne H : H détermine la sensibilité des débits de SIM aux variations de l’humidité du sol Hypothèse : linéarité du modèle -> H calculée avec des runs de SIM avec en entrée x (l’humidité du sol) légèrement perturbée (+0.1%) x : variable de contrôle, somme des humidités du sol par bassin (couche 2 + couche 3 d’ISBA)

30. Étude de sensibilité (Q par rapport à w) • BLUE : hypothèse de linéarité du modèle • La perturbation appliquée pour calculer la jacobienne doit respecter la linéarité du modèle • Étude de la réaction des débits de SIM pour une gamme de pourcentages appliqués aux humidités du sol (couche 2 et 3) • Choix initial d’une perturbation de 0.1% de l’humidité

31. Remplissage de la jacobienne (principe) 3 stations de mesure de débits Q1, Q2 et Q3. w1, w2 et w3 sommes des humidités du sol sur les mailles des bassins Jacobienne : 0 0 bassins 0 0 stations

32. Remplissage de la jacobienne • Dans un même bassin -> perturber tous les sous-bassins un par un (ex : Garonne à Portet, et Garonne à Tonneins : 2 itérations différentes) • Entre deux bassins disjoints (ex Loire et Seine) -> perturbations simultanées possibles • Ici : Loire=nombre max de sous-bassins (34 stations) • 34 runs perturbés de SIM + 1 run de référence

33. Jacobiennes (ex 10-14/03/06) Jour 2 Jour 3 Jour 1 Jour 5 Jour 4

34. Jacobienne (détail) Loire Garonne 186 bassins Seine Saône 186 stations

35. PALM : pourquoi? • PALM : coupleur dynamique de codes de calcul, CERFACS • Création : 1996, projet Mercator • Intérêts : • Modulaire • F77, F90, C et C++ supportés • Peu de modifications à faire dans le code • Gestion des données à différentes échéances dans un buffer • Multi-processeur • Interface Pre-PALM conviviale • Outils de post-processing • Librairies d’algèbre (BLAS, …) disponibles

36. débits Début de l’application Assimilation assimilation temps Initialisation Création des 34 masques d’humidité pour Jacobienne 2 runs ISBA-MODCOU 1 run simple ISBA-MODCOU 34+1 runs perturbés

37. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

38. Premiers résultats • 25 jours de simulation, les 5 premiers sans assimilation • Période : du 17/02/06 au 14/03/06 • Assimilation tous les 5 jours, sur une durée de 5 jours • Perturbation de 0.1% pour calculer la Jacobienne • État initial : 2e et 3e couches de ZWG : contenu en eau du sol diminué de 10%. • Les observations sont une simulation de référence

39. Le Var à Malaussène Alpha=0.84, beta=0.071 Alpha=0.71, beta=0.071 +2.5% +3.3% +5.8% -0.1% +3.4% +7.8% +1.6% +0.2%

40. Le Var à Malaussène Alpha=0.071, beta=0.071 Alpha=0.224, beta=0.071 +13.9% +1.3% +0.3% -0.01% +22.4% -2.9% +0.4% +0.1%

41. La Garonne à Tonneins Alpha=0.84, beta=0.071 Alpha=0.71, beta=0.071 +2.5% -0.2% -0.% +0.05% +2.6% -0.3% -0.02% -0.01%

42. La Garonne à Tonneins Résultats Alpha=0.224, beta=0.071 Alpha=0.071, beta=0.071 +5.3% +0.01% -0.02% +0.03% +8.5% +0.1% -0.04% -0.1%

43. Conclusions de l’assimilation des débits • Système d’assimilation fonctionne • Tests avec une fausse observation (simulation de référence) et un état initial perturbé • Système plus ou moins efficace selon les stations. • Système sensible à R : meilleurs résultats pour alpha=0.71 et 0.224 pour B fixé. • Plusieurs comportements-types des stations : adapter R et B en conséquence?

44. Plan de l’exposé • I Prévisions hydrologiques • 1) Le modèle hydro-météorologique SIM • 2) Les prévisions d’ensemble • II Étude : comparaison de l’impact de 2 EPS dans le système de prévisions d’ensemble basé sur SIM • 1) Conditions • 2) Précipitations • 3) Débits • III Assimilation des débits • 1) Principe, but • 2) BLUE, remplissage de la Jacobienne, PALM • 3) Premiers résultats • IV Conclusions générales et perspectives

45. Conclusions générales, perspectives • Comparaison des prévisions d’ensemble : • Impact positif à courte échéance de la PEARP pour petits bassins et forts débits • Améliorations futures : • Désagrégation des précipitations • État initial plus proche des observations • Assimilation des débits : • Système codé • Fin du débuggage en cours • Premiers résultats encourageants

46. Conclusions générales, perspectives • Tests et réglages à effectuer : • Réglage des coefficients de R et B (équilibre entre erreur d’ébauche et d’observation) • Fréquence de l’assimilation (à terme celle des prévisions) • Taille de la fenêtre d’assimilation (+ courte?) • Modifier la valeur de la perturbation appliquée pour calculer la jacobienne? • Autres cas tests : • Tester la réponse à une perturbation initiale différente (–5%, +5%, +10%?) • Forçage de pluie nul • Passage du système sur tori

47. Conclusions générales, perspectives • Assimiler des vrais débits observés • Gérer les débits manquants, tardifs • Assimiler neige et hauteurs piézométriques • Ré-optimiser l’assimilation • Étudier l’apport des débits assimilés dans les prévisions d’ensemble • PEARP? CEPMMT? Les 2? • En parallèle, comparaison multi-modèle CEMAGREF/CNRM (pilotée par le SCHAPI) • CEMAGREF : modèles GR paramétrés par bassins • CNRM : SIM • Comparer les prévisions d’ensemble de débits sur une sélection de bassins communs des modèles forcés par la PEARP

48. Merci de votre attention!