Génération de séries temporelles infra-journalières de précipitations surfaciques moyennes partout en Suisse en combinant un générateur stochastique de précipitations journalières et une cascade aléatoire multiplicative

Thèse soutenue par Kaltrina Maloku en 2024

La simulation hydrométéorologique continue est une approche performante pour générer de longues chroniques de débits nécessaires à l’analyse du risque de crue. Cette approche nécessite de longues chroniques de précipitations en entrée qui peuvent être générées par un générateur météorologique stochastique. Pour les petits bassins versants (10 - 1 000 km2) où un modèle hydrologique global est pertinent et où la réponse hydrologique peut être rapide, des scénarios infra-journaliers de précipitations surfaciques moyennes sont requis. Cette thèse étudie le potentiel d’un générateur météorologique hybride infra-journalier composé de deux modèles stochastiques.

Le premier modèle (GWEX) est dédié à la génération de chroniques journalières. Il modélise les occurrences de précipitations avec une chaîne de Markov et les quantités de précipitations avec une distribution à queue lourde adaptée aux événements extrêmes. Le second modèle désagrège les scénarios journaliers à une résolution horaire.

Nous proposons d’abord un nouveau modèle de désagrégation basé sur l’approche de la cascade aléatoire multiplicative microcanonique (MRC). Les propriétés du générateur de la cascade dépendent continuellement de l’échelle temporelle, de l’intensité des précipitations et d’un indice d’asymétrie des précipitations introduit pour tenir compte de la structure temporelle de la séquence locale des précipitations. Le modèle MRC est comparé à des versions précédentes basées sur la même approche. La performance des modèles est évaluée en désagrégeant les observations journalières de 81 stations pluviométriques suisses. La performance globale du modèle MRC est très satisfaisante à différentes résolutions temporelles. La prise en compte de l’asymétrie des précipitations améliore significativement la reproduction de l’autocorrélation, une caractéristique que les modèles précédents, basés sur cette approche, avaient du mal à reproduire.

Nous évaluons ensuite la performance du modèle hybride à générer des chroniques de précipitations surfaciques moyennes pour différentes échelles spatiales (10 - 1 000 km2). Les paramètres des modèles GWEX et MRC sont estimés à partir des chroniques de précipitations surfaciques moyennes observées. Celles-ci sont extraites de CombiPrecip, un produit de précipitations horaires de MétéoSuisse d’une résolution de 1 km2, issu d’une fusion de données radars et de pluviomètres. La performance du modèle est testée en Suisse pour un ensemble de sites et d’échelles spatiales en générant de longs scénarios de précipitations puis en comparant leurs statistiques avec celles observées. Les résultats montrent une performance satisfaisante du modèle pour différentes échelles spatiales et temporelles.

Enfin, nous comparons différentes approches pour estimer les paramètres du générateur météorologique infra-journalier qui permettront de l’appliquer partout en Suisse. D’abord, différents modèles d’interpolation spatiale basés sur le krigeage et les “Thin-Plate Splines” sont considérés pour l’interpolation des paramètres obtenus à partir des données des pluviomètres. Ces modèles donnent de très bons résultats. Ensuite, la possibilité d’estimer les paramètres à partir des données de CombiPrecip est étudiée. Plusieurs longs scénarios sont générés pour un ensemble de sites et nous estimons la capacité de ces approches à reconstituer différentes caractéristiques des précipitations observées. Les deux approches sont globalement équivalentes bien que certaines différences puissent être observées avec des variations saisonnières et régionales marquées.

Le modèle hybride montre des performances satisfaisantes dans différents contextes d’évaluation. Il est parcimonieux et les paramètres peuvent être estimés de manière robuste, conduisant à une forte cohérence spatiale et saisonnière. Ce modèle est facile à mettre en oeuvre avec des procédures rapides d’estimation des paramètres et de simulation, ce qui facilite les applications à des fins opérationnelles.

Mots clefs :

Précipitations moyennes de surface, générateur stochastique météorologiques, précipitations extrêmes, échelles spatio-temporelles, petits bassins versants

Références :

Maloku, K., Hingray, B., Evin, G. 2023. Accounting for precipitation temporal asymmetry in a Multiplicative Random Cascades Disaggregation Model. Hydrol. Earth Syst. Sci. https://doi.org/10.5194/hess-27-3643-2023

Maloku, K., Evin, G., Hingray, B. 2024. Generating hourly mean areal precipitation times series with an at-site weather generator in Switzerland. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment. https://doi.org/10.1007/s00477-024-02757-5