Vers une réanalyse hydrométéorologique à l'échelle de la France sur les 150 dernières années par assimilation de données dans des reconstructions ensemblistes

Towards a 150-year hydrometeorological reanalysis over France through data assimilation in ensemble reconstructions

• Auteur / Autrice : Alexandre Devers
• Direction : Jean-Philippe Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Hydrologie
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Lyon-Villeurbanne
• Jury : Président / Présidente : Éric Blayo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Massei, Pierre Brigode
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Goosse, Florence Habets

Mots clés

Mots clés contrôlés

France

Hydrométéorologie

Mots clés libres

Réanalyse hydrométéorologique

Assimilation de données

Reconstructions probabilistes

Modélisation hydrologique

150 dernières années

Hydrometeorological reanalysis

Data assimilation

Probabilistic reconstructions

France

150-Year

Hydrometeorological

Hydrological modeling

Résumé

Le climat et l'hydrologie sont deux éléments qui impactent fortement nos sociétés, et l’adaptation au changement climatique en cours passe par une meilleure connaissance de l’évolution passée de l’hydrométéorologie à haute résolution. En France, la faible densité d'observations météorologiques et hydrométriques avant les années 1970 ne permet pas d'avoir une vision de leurs évolutions sur le long-terme. Pour pallier cette lacune, différentes chaînes de modélisation ont récemment permis de créer des reconstructions hydrométéorologiques indépendantes des observations historiques disponibles sur la France. La thèse proposée vise à combiner ces deux sources d’information – observations et reconstructions – et leurs incertitudes respectives grâce à des méthodes d’assimilation de données, et cela afin de mieux appréhender l’évolution du climat et de l’hydrologie sur la totalité du XXe siècle en France.Cette thèse s’appuie sur les reconstructions climatiques ensemblistes SCOPE Climate, produits d’une descente d’échelle par analogie de la réanalyse globale 20CR, et couvrant la période 1871-2012. Ces reconstructions sont utilisées comme ébauche pour assimiler des observations de précipitations et de température, qui sont discontinues en temps et en espace sur la période. La méthode d’assimilation utilisée est un filtre de Kalman d’ensemble offline, permettant de tirer parti des différentes sources d’information sans avoir recours à un modèle numérique, ce qui limite le coût d’application. L’assimilation est réalisée aux pas de temps journalier et annuel pour capturer à la fois la variabilité d’un jour sur l’autre – et notamment les extrêmes – et les variations multi-décennales. L’application de la méthode sur la période 1871-2012 a permis d’obtenir FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), une réanalyse météorologique journalière composée de 25 membres sur une grille de 8 km couvrant l’ensemble de la France.Cette nouvelle réanalyse climatique est ensuite utilisée en entrée d’un modèle hydrologique conceptuel pour reconstruire des chroniques hydrologiques ensemblistes depuis 1871 sur 661 bassins versants faiblement anthropisés. Ces reconstructions prennent notament en compte les incertitudes sur les forçages climatiques et les débits observées lors de la calibration du modèle mais également l’incertitude modèle, à l’aide d’une méthode de post-traitement. Les quelques observations de débit disponibles sur le XXe siècle ont également été assimilées dans ces reconstructions, à l'aide d'un filtre de Kalman d’ensemble déterministe offline. Cette démarche a permis de créer la réanalyse hydrologique journalière FYRE Hydro, composée également de 25 membres et disponible sur ces 661 bassins versants.L’application de filtres de Kalman d’ensemble à l’échelle locale, au pas de temps journalier et sur des variables non-gaussiennes – telles que les précipitations et les débits – est particulièrement innovante dans le cadre d’une réanalyse hydroclimatique long-terme. Elle a nécessité de mettre en place des méthodes d’anamorphose, de localisation anisotrope, et de définir de façon pertinente les erreurs sur les observations, sur les ébauches climatiques et hydrologiques, mais aussi celles liées à la modélisation hydrologique. Au-delà de la réduction d'incertitude induite par l'intégration d'informations supplémentaires, les cycles multi-décennaux sont bien reproduits dans les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro. Ces deux réanalyses permettent également d'analyser des événements extrêmes locaux sur l’ensemble du XXe siècle, car elles intègrent de l'information à l'échelle locale à travers les observations météorologiques et hydrométriques. Ainsi, cette thèse a permis de créer plusieurs jeux de données ensemblistes – les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro, mais aussi des reconstructions hydrologiques de variables additionnelles comme le contenu en eau de la neige – qui sont adaptées à l'étude des variations du climat et de

Climate and hydrology have a strong impact on our society, and adaptating to climate change requires a better knowledge of the historical evolution of hydrometeorological variables. In France, the low density of meteorological and hydrometric observations before the 1970s made it difficult to have a clear vision of their long-term evolution. To fill this gap, various modeling chains have recently been developed to create hydrometeorological reconstructions that are independent of the available historical observations. This thesis work combines these two sources of information - observations and reconstructions - and their respective uncertainties through data assimilation methods, in order to better understand the evolution of climate and hydrology in France from the late nineteenth century onwards.This work is based on the SCOPE Climate high-resolution reconstructions, obtained from the 20CR global reanalysis through an analogue downscaling method and covering the period 1871-2012. These reconstructions are used as a background for assimilating historical precipitation and temperature observations using an ensemble Kalman filter approach. The assimilation method applied is an offline ensemble Kalman filter, that allows taking advantages of the different sources of information without necessarily resorting to a numerical model, and leading to a low computational cost. The assimilation is carried out at both daily and annual time steps to capture the day-to-day variations and extremes as well as the multidecadal climate variability. Applying the method over the period 1871-2012 led to FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), a daily meteorological reanalysis composed of 25 members on an 8 km grid covering the whole of France.FYRE Climate is then used as forcings to a conceptual hydrological model to reconstruct streamflow time series from 1871 onwards over 661 near-natural catchments. In particular, these reconstructions take into account the uncertainties on the input and hydrometric observations during the model calibration, but also the model uncertainty through a post-processing approach. The few hydrometric observations available over the 20th century also made it possible to constrain these hydrological reconstructions using an offline deterministic Kalman filter. This approach led to the FYRE Hydro daily streamflow reanalysis, also composed of 25-member ensemble time series for each of the 661 catchments.Applying an ensemble Kalman filter at a local scale, with a daily time step and on non-Gaussian variables - such as precipitation and discharge - is particularly innovative in the context of a long-term hydroclimatic reanalysis. It required implementing an anamorphosis transformation and an anisotropic localization approach. It also required to carefully define the errors on observations, on the climate background, and on the hydrological background, but also on the hydrological modeling itself. Beyond the reduction of uncertainty induced by the integration of additional information, the multidecadal variability is well reproduced in both FYRE Climate and FYRE Hydro. These two reanalyses also allow analyzing local extreme events over the whole 20th century, thanks to the integration of in-situ meteorological and hydrometric information. Several high-quality data sets - the FYRE Climate and FYRE Hydro reanalyses, but also hydrological reconstructions with additional variables like the snow water equivalent - are made available for studying the climatic and hydrological evolution over the 1871-2012 period.