Nowcasting of Mediterranean flash floods
Prévision à très courte échéance des crues rapides méditerranéennes
Résumé
The Mediterranean regions are regularly exposed to heavy precipitating events and flash floods. Hydrometeorological forecasts up to a few hours are crucial for planning the intervention of emergency services in these situations. The prediction of the hydrological consequences of Mediterranean events of intense rainfall at the nowcasting ranges (few minutes to 6h) is the topic of this Ph. D. thesis. Two areas were studied: modelling of river flows and runoff at a fine scale, and the use of rainfall nowcasting, and particularly those from Météo-France new forecasting systems, to anticipate floods. The sensitivity to a more detailed representation of land use and texture in ISBA-TOP for simulating river flows and runoff over urban and peri-urban areas was first studied. The influence of terrain descriptors and spatial resolution (1km and 300m) has been analyzed for 12 flood events, including the major flood event in 2015 over the Cannes region. A more detailed analysis of this case was conducted using streamflow estimates at fine scale obtained from the HyMeX post-event survey and exploring the potential of impact data to evaluate simulated runoff. The results reveal that the spatial resolution has the largest impact on the hydrological simulations, larger than soil texture and land cover. Then, the potential of rainfall nowcasting for forecasting Mediterranean flash floods up to 6h was studied. The rainfall forecasts from the nowcasting suite based on the numerical weather prediction system AROME (AROME–PI), and from the nowcasting system blending numerical weather prediction and extrapolation of radar estimation (PIAF) were examined. The availability times of forecasts, based on the operational Météo-France suites, are taken into account when performing the evaluation. The evaluation of rainfall has adopted a hydrological point of view, by comparing observed and forecast rainfall over watersheds affected by past floods. A more classical evaluation comparing rainfall observation and forecast at the same location over Southeastern France has been also carried out. The results generally led to the same conclusions for both evaluations. The performance of PIAF is very good over the first hour of forecasting, but it deteriorates very quickly, to reach about the same or even a lower skill than AROME-PI beyond about 1h15/1h30 of forecasting. Between 2 and 3 hours of forecasting, AROME-PI performs better or at the same level as PIAF. Time-lagged ensembles based on AROME-PI and on PIAF forecasts respectively, were also studied. The sensitivity of the ensembles to their size and to the addition of a time tolerance on the forecast for each member was examined. The results indicate that the more members an ensemble has, the better it performs. The same applies to the ensembles with a time tolerance of 15 or 30 minutes. An assessment of river discharges simulated with ISBA-TOP and MARINE forced by AROME-PI and PIAF rainfall forecasting, used alone or as an ensemble, was also confducted on two exceptional past flash flood events (Aude in 2018 and Cannes in 2015). For the best scenarios based on AROME-PI, the anticipation of the flood peak intensity and of the instant of recession can reach up to 5h, and a little more for the first increase of flow. For those based on PIAF, the anticipation varies between 20 minutes and 4h, depending on the phenomenon, the watershed and the hydrological model studied.
Les régions méditerranéennes sont régulièrement exposées aux événements fortement précipitants et aux crues rapides. En situation de crise, disposer d'une prévisionhydrométéorologique sur quelques heures d'échéance peut s'avérer crucial, notamment pour l'intervention des services de secours. La prévision des conséquences hydrologiques des épisodes méditerranéens de pluie intense aux échéances de la prévision immédiate, jusqu'à 6h d'échéance, est le sujet de cette thèse. Deux aspects ont été étudiés : la modélisation des débits et du ruissellement à fine échelle, et l'utilisation de prévisions immédiates de pluie, notamment des nouveaux systèmes de prévision de Météo-France, pour anticiper les crues. L'apport d'une représentation plus fine de l'occupation et de la texture des sols pour la simulation des débits des cours d'eau et du ruissellement sur des zones urbaines et péri-urbaines a d'abord été examiné. Une étude de sensibilité a été menée sur l'impact des descripteurs de sol et de la résolution spatiale (1km et 300m) avec le modèle hydrologique ISBA-TOP sur 12 cas de crues passées, incluant celui des inondations meurtrières dans la région de Cannes en 2015. Une analyse approfondie de ce cas a été conduite en exploitant les estimations de débits obtenues dans le cadre des enquêtes post-évènement du programme HyMeX et en explorant le potentiel dedonnées d'impacts pour évaluer le ruissellement simulé. La résolution spatiale du modèle s'estmontrée avoir le plus d'impact, suivie de la description de la texture du sol et enfin de ladescription de l'occupation du sol. Le potentiel des prévisions immédiates de pluie pour laprévision des crues méditerranéennes jusqu'à 6h d'échéance a ensuite été étudié. En particulier,les prévisions de pluie issues d'une version dédiée à la prévision immédiate du modèle deprévision numérique du temps AROME (AROME-PI), et d'une méthode de fusion entreextrapolation des lames d'eau radar et prévision numérique du temps (PIAF) ont été examinées.L'évaluation a été conduite en considérant les temps de mise à disposition réelle des prévisions,qui est un paramètre important à prendre en compte pour la prévision jusqu'à quelques heuresd'échéance. Ces pluies ont été évaluées d'un point de vue hydrologique, en comparant les lamesd'eau observées et prévues sur des bassins versants affectés par des crues passées, puis àl'échelle régionale sur un grand domaine Sud-Est. Les résultats sont globalement les mêmes pourles deux évaluations. PIAF est de très bonne qualité jusqu'à 1h de prévision, mais cette qualité sedégrade très rapidement, pour atteindre une qualité comparable voire inférieure à AROME-PI audelà de 1h15/1h30 de prévision. Entre 2h et 3h d'échéance, AROME-PI est de qualité supérieure ou équivalente à PIAF. Des ensembles formés par les prévisions successives de AROME-PI et dePIAF respectivement, ont aussi été étudiés. La sensibilité des ensembles à leur taille et à l'ajout d'une tolérance temporelle sur la prévision de chacun des membres a été examinée. Les résultats indiquent que plus un ensemble contient de membres, plus il est performant. Il en est de même pour les ensembles avec une tolérance temporelle de 15 ou de 30min. Une évaluation des débits aux exutoires simulés avec ISBA-TOP et MARINE forcés par les prévisions immédiates de pluie AROME-PI et PIAF, utilisées seules ou en tant qu'ensembles, a aussi été effectuée sur deux cas de crues exceptionnelles (l'Aude en 2018 et Cannes en 2015). Pour les meilleurs scenarii basés sur les prévisions AROME-PI, l'anticipation de la bonne intensité des pics de crue et de la décrue peut atteindre jusqu'à 5h, et un peu plus pour la montée. Pour ceux basés sur les prévisions PIAF, l'anticipation varie entre 20min et 4h, selon le phénomène, le bassin et le modèle hydrologique étudié.
Origine : Version validée par le jury (STAR)