Amélioration des estimations quantitatives des précipitations à hautes résolutions (comparaison de deux techniques combinant les observations et application à la vérification spatiale des modèles météorologiques)

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été entrepris pour mieux comprendre les phénomènes précipitants parfois à l origine de crues de cours d eau et d inondations ravageuses. Courant 2009, un consortium auvergnat a été mis en place pour notamment surveiller et prévoir ces événements. Les travaux menés dans cette thèse visent d une part à améliorer les estimations quantitatives des précipitations (QPE) et d autre part à vérifier les prévisions issues de modèles numériques sur de petites zones d étude telles qu une agglomération. L observation des précipitations peut être réalisée à l aide soit d un pluviomètre qui fournit une mesure directe et précise de la quantité de pluie tombée au sol mais ne renseigne pas sur la variabilité spatiale des pluies soit d'un RADAR météorologique qui donne une représentation détaillée de la structure spatiale des précipitations mais dont les estimations sont sujettes à diverses erreurs d autant plus prononcées en régions montagneuses. Le premier défit de cette thèse a été de trouver la meilleure façon de combiner ces deux informations complémentaires. Deux techniques géostatistiques ont été sélectionnées pour obtenir la meilleur QPE : le krigeage avec dérive externe (KED) et la fusion conditionnée (MERG). Les performances de ces deux méthodes ont été comparées au travers de deux domaines d étude qui présentent des résolutions spatio-temporelles différentes. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la mise en place d une méthodologie fiable permettant de comparer spatialement les champs de QPE alors reconstruits et les prévisions quantitatives des précipitations (QPF). L effort fut porté sur le modèle Weather Research et Forcasting (WRF). Une étude préliminaire a été réalisée pour tester les capacités du modèle et plus particulièrement des schémas de microphysique à reproduire la pluie. Cette étude assure ainsi l obtention de prévisions réalistes pour une application sur des cas réels. L appréciation de la qualité des QPF s est focalisée sur la quantification spatiale des erreurs de prévision en termes de structure, d intensité et de localisation des systèmes précipitants (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).In the last decades, many efforts were made to better understand the origins of rain that sometimes lead to rivers runoff or devastating floods. In 2009, a consortium took place in Auvergne in order to observe and predict these events. These works were focused on the improvement of quantitative precipitation estimations (QPE) and the verification of numerical weather models over small areas such as urban environment. Rainfall measurement could be operated either by rain gauges which provides direct and precise rainfall estimations but unfortunately cannot capture the spatial variability or by using weather RADAR which provides a detailed spatial representation of precipitation but estimates are derived indirectly and are subject to a combination of errors which are most pronounced over complex terrain. The main issue of these works was to find the best way to combine both observational systems which are complementary as well. In order to obtain the more truthful fields of QPE, two geostatistical techniques were selected: the kriging with external drift (KED) and the conditional merging (MERG). The performances of these two methods have been experienced on two catchments with different spatial and temporal resolutions. The second part of these works is focused on a reliable method for QPE comparison and quantitative precipitation forecast (QPF). The main effort was focused on the Weather Research and Forecasting (WRF) model. A preliminary study was made to check the performances of the microphysics schemes of the model to ensure realistic forecasts for an application on real cases. The spatial verification of the model set up contains three distinct components that consider aspects of the structure, amplitude and location of the precipitation field (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Improvement of quantitative precipitation estimations at high resolutions : comparison of two techniques combining observations and application to spatial forecast verification of numerical weather models

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été entrepris pour mieux comprendre les phénomènes précipitants parfois à l’origine de crues de cours d’eau et d’inondations ravageuses. Courant 2009, un consortium auvergnat a été mis en place pour notamment surveiller et prévoir ces événements. Les travaux menés dans cette thèse visent d’une part à améliorer les estimations quantitatives des précipitations (QPE) et d’autre part à vérifier les prévisions issues de modèles numériques sur de petites zones d’étude telles qu’une agglomération. L’observation des précipitations peut être réalisée à l’aide soit d’un pluviomètre qui fournit une mesure directe et précise de la quantité de pluie tombée au sol mais ne renseigne pas sur la variabilité spatiale des pluies soit d'un RADAR météorologique qui donne une représentation détaillée de la structure spatiale des précipitations mais dont les estimations sont sujettes à diverses erreurs d’autant plus prononcées en régions montagneuses. Le premier défit de cette thèse a été de trouver la meilleure façon de combiner ces deux informations complémentaires. Deux techniques géostatistiques ont été sélectionnées pour obtenir la meilleur QPE : le krigeage avec dérive externe (KED) et la fusion conditionnée (MERG). Les performances de ces deux méthodes ont été comparées au travers de deux domaines d’étude qui présentent des résolutions spatio-temporelles différentes. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la mise en place d’une méthodologie fiable permettant de comparer spatialement les champs de QPE alors reconstruits et les prévisions quantitatives des précipitations (QPF). L’effort fut porté sur le modèle « Weather Research et Forcasting » (WRF). Une étude préliminaire a été réalisée pour tester les capacités du modèle et plus particulièrement des schémas de microphysique à reproduire la pluie. Cette étude assure ainsi l’obtention de prévisions réalistes pour une application sur des cas réels. L’appréciation de la qualité des QPF s’est focalisée sur la quantification spatiale des erreurs de prévision en termes de structure, d’intensité et de localisation des systèmes précipitants (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).In the last decades, many efforts were made to better understand the origins of rain that sometimes lead to rivers runoff or devastating floods. In 2009, a consortium took place in Auvergne in order to observe and predict these events. These works were focused on the improvement of quantitative precipitation estimations (QPE) and the verification of numerical weather models over small areas such as urban environment. Rainfall measurement could be operated either by rain gauges which provides direct and precise rainfall estimations but unfortunately cannot capture the spatial variability or by using weather RADAR which provides a detailed spatial representation of precipitation but estimates are derived indirectly and are subject to a combination of errors which are most pronounced over complex terrain. The main issue of these works was to find the best way to combine both observational systems which are complementary as well. In order to obtain the more truthful fields of QPE, two geostatistical techniques were selected: the kriging with external drift (KED) and the conditional merging (MERG). The performances of these two methods have been experienced on two catchments with different spatial and temporal resolutions. The second part of these works is focused on a reliable method for QPE comparison and quantitative precipitation forecast (QPF). The main effort was focused on the “Weather Research and Forecasting” (WRF) model. A preliminary study was made to check the performances of the microphysics schemes of the model to ensure realistic forecasts for an application on real cases. The spatial verification of the model set up contains three distinct components that consider aspects of the structure, amplitude and location of the precipitation field (SAL : Wernli et al. 2008, 2009)

Amélioration des estimations quantitatives des précipitations à hautes résolutions : comparaison de deux techniques combinant les observations et application à la vérification spatiale des modèles météorologiques

In the last decades, many efforts were made to better understand the origins of rain that sometimes lead to rivers runoff or devastating floods. In 2009, a consortium took place in Auvergne in order to observe and predict these events. These works were focused on the improvement of quantitative precipitation estimations (QPE) and the verification of numerical weather models over small areas such as urban environment. Rainfall measurement could be operated either by rain gauges which provides direct and precise rainfall estimations but unfortunately cannot capture the spatial variability or by using weather RADAR which provides a detailed spatial representation of precipitation but estimates are derived indirectly and are subject to a combination of errors which are most pronounced over complex terrain. The main issue of these works was to find the best way to combine both observational systems which are complementary as well. In order to obtain the more truthful fields of QPE, two geostatistical techniques were selected: the kriging with external drift (KED) and the conditional merging (MERG). The performances of these two methods have been experienced on two catchments with different spatial and temporal resolutions. The second part of these works is focused on a reliable method for QPE comparison and quantitative precipitation forecast (QPF). The main effort was focused on the “Weather Research and Forecasting” (WRF) model. A preliminary study was made to check the performances of the microphysics schemes of the model to ensure realistic forecasts for an application on real cases. The spatial verification of the model set up contains three distinct components that consider aspects of the structure, amplitude and location of the precipitation field (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).Ces dernières années, de nombreux efforts ont été entrepris pour mieux comprendre les phénomènes précipitants parfois à l’origine de crues de cours d’eau et d’inondations ravageuses. Courant 2009, un consortium auvergnat a été mis en place pour notamment surveiller et prévoir ces événements. Les travaux menés dans cette thèse visent d’une part à améliorer les estimations quantitatives des précipitations (QPE) et d’autre part à vérifier les prévisions issues de modèles numériques sur de petites zones d’étude telles qu’une agglomération. L’observation des précipitations peut être réalisée à l’aide soit d’un pluviomètre qui fournit une mesure directe et précise de la quantité de pluie tombée au sol mais ne renseigne pas sur la variabilité spatiale des pluies soit d'un RADAR météorologique qui donne une représentation détaillée de la structure spatiale des précipitations mais dont les estimations sont sujettes à diverses erreurs d’autant plus prononcées en régions montagneuses. Le premier défit de cette thèse a été de trouver la meilleure façon de combiner ces deux informations complémentaires. Deux techniques géostatistiques ont été sélectionnées pour obtenir la meilleur QPE : le krigeage avec dérive externe (KED) et la fusion conditionnée (MERG). Les performances de ces deux méthodes ont été comparées au travers de deux domaines d’étude qui présentent des résolutions spatio-temporelles différentes. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la mise en place d’une méthodologie fiable permettant de comparer spatialement les champs de QPE alors reconstruits et les prévisions quantitatives des précipitations (QPF). L’effort fut porté sur le modèle « Weather Research et Forcasting » (WRF). Une étude préliminaire a été réalisée pour tester les capacités du modèle et plus particulièrement des schémas de microphysique à reproduire la pluie. Cette étude assure ainsi l’obtention de prévisions réalistes pour une application sur des cas réels. L’appréciation de la qualité des QPF s’est focalisée sur la quantification spatiale des erreurs de prévision en termes de structure, d’intensité et de localisation des systèmes précipitants (SAL : Wernli et al. 2008, 2009)

Representation of aerosol optical properties using a chemistry transport model to improve solar irradiance modelling

International audienceAtmospheric particles may attenuate solar irradiance effectively during clear-sky days, but attenuation by particles is sometimes not taken into account in numerical models, or it is often parameterised using constant or climatological values for example. This paper compares different representations of the effects of particles on direct and global solar irradiance, using the software Code_Saturne. Particle concentrations, as well as aerosol optical properties AOPs (optical thickness, asymmetry factor and single scattering albedo), are estimated using the air-quality modelling platform Polyphemus. Modelled solar irradiance is compared to measurements in greater Paris and the south of France. Accurate modelling of AOPs leads to an improvement of statistical error indicators, especially in clear-sky conditions. A simplified scheme represents AOPs integrated over the full spectral range using only 6 wavelengths, and a sensitivity study on the influence of assumptions in AOPs on solar irradiance is performed

Simulation of trace metals and PAH atmospheric pollution over Greater Paris: Concentrations and deposition on urban surfaces

International audienceUrban areas can be subject not only to poor air quality, but also to contamination of other environmental media by air pollutants. Here, we address the potential transfer of selected air pollutants (two metals and three PAH) to urban surfaces. To that end, we simulate meteorology and air pollution from Europe to a Paris suburban neighborhood, using a four-level one-way nesting approach. The meteorological and air quality simulations use urban canopy sub-models in order to better represent the effect of the urban morphology on the air flow, atmospheric dispersion, and deposition of air pollutants to urban surfaces. This modeling approach allows us to distinguish air pollutant deposition among various urban surfaces (roofs, roads, and walls). Meteorological model performance is satisfactory, showing improved results compared to earlier simulations, although precipitation amounts are underestimated. Concentration simulation results are also satisfactory for both metals, with a fractional bias <0.5. Concentrations of benzo[a]pyrene are overestimated, probably because continental emissions may be overestimated. Concentrations of benzo[b]fluoranthene and indeno[1,2,3,cd]pyrene are underestimated, in part because of null boundary conditions. PAH deposition fluxes are consistent with earlier measurements obtained in the Greater Paris region. The model simulation results suggest that both wet and dry deposition processes need to be considered when estimating the transfer of air pollutants to other environmental media. Dry deposition fluxes to various urban surfaces are mostly uniform for PAH, which are entirely present in fine particles. However, there is significantly less wall deposition compared to deposition to roofs and roads for trace metals, due to their coarse fraction. Meteorology, particle size distribution, and urban morphology are all important factors affecting air pollutant deposition. Future work should focus on the collection of data suitable to evaluate the performance of atmospheric models for both wet and dry deposition with fine spatial resolution