Accounting for precipitation asymmetry in a multiplicative random cascade disaggregation model

Analytical multiplicative random cascades (MRCs) are widely used for the temporal disaggregation of coarse-resolution precipitation time series. This class of models applies scaling models to represent the dependence of the cascade generator on the temporal scale and the precipitation intensity. Although determinant, the dependence on the external precipitation pattern is usually disregarded in the analytical scaling models. Our work presents a unified MRC modelling framework that allows the cascade generator to depend in a continuous way on the temporal scale, precipitation intensity and a so-called precipitation asymmetry index. Different MRC configurations are compared for 81 locations in Switzerland with contrasted climates. The added value of the dependence of the MRC on the temporal scale appears to be unclear, unlike what was suggested in previous works. Introducing the precipitation asymmetry dependence into the model leads to a drastic improvement in model performance for all statistics related to precipitation temporal persistence (wet–dry transition probabilities, lag-n autocorrelation coefficients, lengths of dry–wet spells). Accounting for precipitation asymmetry seems to solve this important limitation of previous MRCs. The model configuration that only accounts for the dependence on precipitation intensity and asymmetry is highly parsimonious, with only five parameters, and provides adequate performances for all locations, seasons and temporal resolutions. The spatial coherency of the parameter estimates indicates a real potential for regionalisation and for further application to any location in Switzerland.</p

Statistical Modelling of Sediment Supply in Torrent Catchments of the Northern French Alps

The ability to understand and predict sediment transport in torrent catchments is a key element for the protection and prevention against the associated hazards. In this study, we collected data describing sediment supply at 100 torrential catchments in the Northern French Alps. These catchments have long records of past events and sediment supply due to debris deposition basin management enabling estimation of sediment supply frequency. The mean annual, the 10-year return period and the reference volume (i.e. the 100-year return level or the largest observed volume) of sediment supply were derived for studied torrents. We examined the relationships between sediment supply volumes and several explanatory variables using multivariate statistical analyses. Several predictive models were developed in order to estimate the sediment supply in torrents that are not equipped with sedimentation structures

Comprehensive space-time hydrometeorological simulations for estimating very rare floods at multiple sites in a large river basin

Estimates for rare to very rare floods are limited by the relatively short streamflow records available. Often, pragmatic conversion factors are used to quantify such events based on extrapolated observations, or simplifying assumptions are made about extreme precipitation and resulting flood peaks. Continuous simulation (CS) is an alternative approach that better links flood estimation with physical processes and avoids assumptions about antecedent conditions. However, long-term CS has hardly been implemented to estimate rare floods (i.e. return periods considerably larger than 100 years) at multiple sites in a large river basin to date. Here we explore the feasibility and reliability of the CS approach for 19 sites in the Aare River basin in Switzerland (area: 17 700 km2) with exceedingly long simulations in a hydrometeorological model chain. The chain starts with a multi-site stochastic weather generator used to generate 30 realizations of hourly precipitation and temperature scenarios of 10 000 years each. These realizations were then run through a bucket-type hydrological model for 80 sub-catchments and finally routed downstream with a simplified representation of main river channels, major lakes and relevant floodplains in a hydrologic routing system. Comprehensive evaluation over different temporal and spatial scales showed that the main features of the meteorological and hydrological observations are well represented and that meaningful information on low-probability floods can be inferred. Although uncertainties are still considerable, the explicit consideration of important processes of flood generation and routing (snow accumulation, snowmelt, soil moisture storage, bank overflow, lake and floodplain retention) is a substantial advantage. The approach allows for comprehensively exploring possible but unobserved spatial and temporal patterns of hydrometeorological behaviour. This is of particular value in a large river basin where the complex interaction of flows from individual tributaries and lake regulations are typically not well represented in the streamflow observations. The framework is also suitable for estimating more frequent floods, as often required in engineering and hazard mapping

Comprehensive space–time hydrometeorological simulations for estimating very rare floods at multiple sites in a large river basin

Estimates for rare to very rare floods are limited by the relatively short streamflow records available. Often, pragmatic conversion factors are used to quantify such events based on extrapolated observations, or simplifying assumptions are made about extreme precipitation and resulting flood peaks. Continuous simulation (CS) is an alternative approach that better links flood estimation with physical processes and avoids assumptions about antecedent conditions. However, long-term CS has hardly been implemented to estimate rare floods (i.e. return periods considerably larger than 100 years) at multiple sites in a large river basin to date. Here we explore the feasibility and reliability of the CS approach for 19 sites in the Aare River basin in Switzerland (area: 17 700 km2) with exceedingly long simulations in a hydrometeorological model chain. The chain starts with a multi-site stochastic weather generator used to generate 30 realizations of hourly precipitation and temperature scenarios of 10 000 years each. These realizations were then run through a bucket-type hydrological model for 80 sub-catchments and finally routed downstream with a simplified representation of main river channels, major lakes and relevant floodplains in a hydrologic routing system. Comprehensive evaluation over different temporal and spatial scales showed that the main features of the meteorological and hydrological observations are well represented and that meaningful information on low-probability floods can be inferred. Although uncertainties are still considerable, the explicit consideration of important processes of flood generation and routing (snow accumulation, snowmelt, soil moisture storage, bank overflow, lake and floodplain retention) is a substantial advantage. The approach allows for comprehensively exploring possible but unobserved spatial and temporal patterns of hydrometeorological behaviour. This is of particular value in a large river basin where the complex interaction of flows from individual tributaries and lake regulations are typically not well represented in the streamflow observations. The framework is also suitable for estimating more frequent floods, as often required in engineering and hazard mapping

Intégration opérationnelle du générateur de pluie spatialisé GWEX pour les abaques de GRSD (suite de l’action A4 2022): Action PREVI A4 – Volet Prévision des inondations

Un générateur de pluie est utilisé dans le cadre de la prévision des crues, associé au modèle GRP de prévision opérationnelle des crues à l’échelle du bassin versant. Le modèle GRP est alimenté par des pluies observées jusqu'à l'instant de prévision, mais aussi par des prévisions de pluie sur le bassin, si elles sont disponibles sur la fenêtre de prévision. En complément, un générateur de pluie est utilisé pour le module d’abaques de GRP : il produit un ensemble de scénarios futurs probables de pluie qui alimentent le modèle et permettent d’estimer les probabilités de dépassement de seuils de débit de crue. Aujourd’hui, les nouveaux développements de l’équipe Hydro visent l’utilisation du module d’abaque au sein de la version spatialisée de GRP (i.e. GRSD). Pour ce faire, l’application d’un générateur de pluie spatialisé au sein de la chaine de prévision est indispensable

Intégration opérationnelle du générateur de pluie spatialisé GWEX pour les abaques de GRSD (suite de l’action A4 2022): Action PREVI A4 – Volet Prévision des inondations

Un générateur de pluie est utilisé dans le cadre de la prévision des crues, associé au modèle GRP de prévision opérationnelle des crues à l’échelle du bassin versant. Le modèle GRP est alimenté par des pluies observées jusqu'à l'instant de prévision, mais aussi par des prévisions de pluie sur le bassin, si elles sont disponibles sur la fenêtre de prévision. En complément, un générateur de pluie est utilisé pour le module d’abaques de GRP : il produit un ensemble de scénarios futurs probables de pluie qui alimentent le modèle et permettent d’estimer les probabilités de dépassement de seuils de débit de crue. Aujourd’hui, les nouveaux développements de l’équipe Hydro visent l’utilisation du module d’abaque au sein de la version spatialisée de GRP (i.e. GRSD). Pour ce faire, l’application d’un générateur de pluie spatialisé au sein de la chaine de prévision est indispensable

Analyse bivariée des liens entre magnitude et durée des crues en zones Alpine et Pyrénéenne

Dans l'analyse du risque lié aux inondations, l’évaluation de l’aléa repose encore souvent sur une hypothèse de crue centennale (sous-entendu du point de vue des débits de pointe). Les crues torrentielles se distinguent des crues classiques, dites « fluviales », par les dommages additionnels liés au transport solide. Les flux de matériaux solides sont fortement liés à la fois aux débits de pointe mais aussi aux durées des crues. Plusieurs caractéristiques des hydrogrammes de crue (débit de pointe, volume, durée, forme) doivent donc être déterminées pour en estimer les effets (zone inondable, volume solide transporté, volume écrêté par des ouvrages, etc.). D'un point de vue statistique, une crue centennale en débit de pointe ne sera pas forcément centennale en durée. Le temps de retour d'un évènement est classiquement liés à une de ces caractéristiques, par exemple le débit de pointe, mais des approches intégrant plusieurs caractéristiques, dites "multivariées", existent aussi. Paradoxalement, ces approches multivariées ne sont que très peu utilisées et exploitées dans le contexte des torrents et rivières torrentielles alors que les outils et méthodes statistiques sont disponibles. Ce rapport explore leur potentiel sur un jeu de données de 128 stations localisées dans les Alpes et dans les Pyrénées.Cette analyse met en lumière que les crues décennales des torrents et rivières torrentielles sont en générales longues (quasiment systématiquement un à plusieurs jours). La durée de ces crues est ainsi plus à relier à celle des précipitations qu'à un temps de réponse du bassin versant. Trois régimes de comportements ont toutefois été identifiés: un régime de "crues éclair" (les crues de plus forte magnitude sont courtes mais tout de même de l'ordre de la journée), un régime de crues longues (les crues de plus fortes magnitudes sont aussi les plus longues) et un régime intermédiaire. Une formule complémentaire a été proposée pour estimer une durée équivalente moyenne qui serait valable à la fois dans une approche univariée et dans une approche bivariée.Lors de l'analyse d'un site disposant de données hydrologiques suffisantes, en utilisant la méthode proposée, les chargés d'études peuvent générer des familles d'hydrogrammes sur la base d'un contour de temps de retour connu. Ces hydrogrammes peuvent servir dans une étape suivante pour analyser des variables réponses du système pour un ensemble des crues de temps de retour homogène. Un exemple est fourni dans un contexte d'analyse du transport solide par charriage.Dans le cas le plus typique, le chargé d'étude mènera dans un premier temps une analyse univariée sur le débit de pointe pour caractériser la capacité du chenal, puis analysera dans un cadre bivarié (ou sur la base de quelques scénarios d'hydrogrammes) des variables réponses particulières identifiées comme importantes pour le contrôle de l'aléa du site étudié