Hydrologie spatiale pour le suivi des sécheresses du bassin méditerranéen

Le climat du bassin méditerranéen est caractérise par un fort impact du déficit hydrique sur la croissance de la végétation. Dans ces régions fréquemment affectées par les sècheresses, l'humidité des sols est un facteur essentiel des processus hydrologiques et de la croissance de la végétation. Des études climatiques récentes ont montré qu’il est probable que le changement climatique accroitra encore l’impact des sècheresses et la pression sur les ressources en eau. Le bassin méditerranéen peut donc être qualifié de " point chaud " du changement climatique. Dans ce contexte, il est important de construire des synergies entre les systèmes d’observation satellitaire et in situ des surfaces continentales et les plateformes de modélisation. Cette thèse a été réalisée en lien avec le programme international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment), consacré à l'étude du cycle de l’eau et de la prévisibilité des risques hydro- étéorologiques en Méditerranée, notamment des sècheresses. Une climatologie des variables bio- éophysiques (humidité du sol, indice foliaire de la végétation ou LAI -Leaf Area Index-) et des débits des cours d’eau a été construite sur la période 1991-2008, sur une zone couvrant l’Europe, le Moyen-Orient et l’Afrique du Nord. Pour cela, des simulations du modèle du système sol-plante ISBA-A-gs et du modèle hydrologique TRIP ont été réalisées. ISBA-A-gs simule la photosynthèse et son lien avec la conductance stomatique, ainsi que le cycle annuel de la biomasse foliaire. ISBA-A-gs a été pilote par les variables atmosphériques de surface de la réanalyse ERA-Interim du CEPMMT. Le ruissellement et le drainage simules par ISBA-A-gs ont été convertis en débits des rivières par TRIP. Dans un premier temps, la qualité des forçages ERA-Interim a été évaluée sur la France a l’aide de mesures in situ du rayonnement solaire incident et de la réanalyse SAFRAN, qui fournit des précipitations fondées sur un réseau dense de mesures in situ. Des biais ont été mis en évidence sur les deux variables : ERA-Interim sous-estime les précipitations (-27%) et surestime le rayonnement solaire incident (+7%). A l'échelle de l’Europe et du bassin méditerranéen, les biais des précipitations ERA-Interim ont été corriges sur une base mensuelle à partir des précipitations du GPCC. L’impact du biais des précipitations sur la simulation des débits par TRIP a été étudié, ainsi que l’impact des différences des variables biophysiques produites par plusieurs versions du modèle ISBA (dont ISBA-A-gs). L’utilisation d’ISBA-A-gs permet une meilleure représentation des débits d'étiage et l’emploi de données satellitaires pour contraindre le LAI améliore les débits au printemps. Le volume et les variations inter annuelles des débits d’eau douce vers la Méditerranée sont en accord avec les estimations pré-existantes. Enfin, les simulations d'humidité du sol et du LAI ont été comparées aux données in situ et satellitaires disponibles durant la période 1991-2008 sur l’Europe et le bassin méditerranéen, ainsi qu’au modèle ORCHIDEE de l’IPSL. Un bon accord est observe entre (1) l'humidité superficielle du sol simulée par ISBA-A-gs et tirée des observations satellitaires micro-ondes par le projet ESA-CCI Soil Moisture, et (2) la variabilité inter annuelle du LAI simule et le LAI produit par le projet GEOLAND2. Les variations inter annuelles de l'humidité du sol et du LAI sont corrélées lors de périodes clés, mais sur des zones plus étendues avec le modèle qu’avec les observations satellitaires. ABSTRACT : The climate of the Mediterranean basin is characterized by marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. In these areas, frequently affected by droughts, soil moisture is a key variable for understanding the hydrological processes and the vegetation growth. Recent climatic studies have shown that climate change will probably increase the impact of droughts together with the demand for water resources in this area. As such, the Mediterranean basin is recognized as a ≪hot spot≫ of the climate change. In this context, it is important to build synergies between in situ and satellite remote sensing observing systems of the continental areas and modeling platforms. This PhD thesis was performed in the framework of the international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean EXperiment) project, which is focused on the water cycle and on the prediction of hydrometeorological hazards (and particularly droughts) over the Mediterranean basin. A climatology of the biophysical variables (soil moisture, vegetation biomass or LAI –Leaf Area Index-) and river discharges was built for the 1991-2008 period over Europe, the Middle East and North Africa. In particular, simulations were performed by the ISBA-A-gs land surface model and by the TRIP hydrological model. ISBA-A-gs simulates photosynthesis and its link with the stomatal conductance, together with the leaf biomass annual cycle. ISBA-A-gs was driven by surface atmospheric variables derived from the ECMWF ERA-Interim reanalysis. Unoff and deep drainage simulated by ISBAA- gs were converted into river discharges by the TRIP model. First, the ERA-Interim forcing was evaluated over the France domain. This evaluation was performed using in situ measurements of the incoming solar radiation (ISR) and with the SAFRAN reanalysis, which provides precipitation data based on a dense network of in situ observations. Biases were evidenced for the two variables: ERA-Interim underestimates precipitation (-27%) and overestimates ISR (+7%). At the scale of Europe and of the Mediterranean basin, ERA-Interim precipitation biases were rescaled on a monthly basis using the GPCC precipitation data. The impact of precipitation biases on the river discharges simulated by TRIP was assessed, as well as the impact of the differences in biophysical variables values generated by several versions of ISBA (including ISBA-A- s). It was shown that the use of ISBA-A-gs permits a better representation of the river discharges at low water levels. The use of satellite-derived product to force the LAI improves river discharge simulations at springtime. The river freshwater inputs (volume and interannual variability) to the Mediterranean Sea are close to pre-existent estimates. Finally, the soil moisture and LAI simulations were compared to in situ and satellite observations, available over the 1991- 2008 period over Europe and the Mediterranean basin, as well as to the IPSL ORCHIDEE model. A good agreement is observed between (1) the surface soil moisture simulated by ISBA-A-gs and derived from satellite microwave observations by the ESA-CCI Soil Moisture project, and (2) the interannual variability of the simulated LAI and of the LAI produced by the GEOLAND2 project. The interannual soil moisture and LAI variations are correlated during key period, but over larger areas with the model than with the remote sensing dat

A snow cover climatology for the Pyrenees from MODIS snow products

International audienceThe seasonal snow in the Pyrenees is critical for hydropower production, crop irrigation and tourism in France, Spain and Andorra. Complementary to in situ observations , satellite remote sensing is useful to monitor the effect of climate on the snow dynamics. The MODIS daily snow products (Terra/MOD10A1 and Aqua/MYD10A1) are widely used to generate snow cover climatologies, yet it is preferable to assess their accuracies prior to their use. Here, we use both in situ snow observations and remote sensing data to evaluate the MODIS snow products in the Pyrenees. First, we compare the MODIS products to in situ snow depth (SD) and snow water equivalent (SWE) measurements. We estimate the values of the SWE and SD best detection thresholds to 40 mm water equivalent (w.e.) and 150 mm, respectively , for both MOD10A1 and MYD10A1. κ coefficients are within 0.74 and 0.92 depending on the product and the variable for these thresholds. However, we also find a seasonal trend in the optimal SWE and SD thresholds, reflecting the hysteresis in the relationship between the depth of the snow-pack (or SWE) and its extent within a MODIS pixel. Then, a set of Landsat images is used to validate MOD10A1 and MYD10A1 for 157 dates between 2002 and 2010. The resulting accuracies are 97 % (κ = 0.85) for MOD10A1 and 96 % (κ = 0.81) for MYD10A1, which indicates a good agreement between both data sets. The effect of vegetation on the results is analyzed by filtering the forested areas using a land cover map. As expected, the accuracies decrease over the forests but the agreement remains acceptable (MOD10A1: 96 %, κ = 0.77; MYD10A1: 95 %, κ = 0.67). We conclude that MODIS snow products have a sufficient accuracy for hy-droclimate studies at the scale of the Pyrenees range. Using a gap-filling algorithm we generate a consistent snow cover climatology, which allows us to compute the mean monthly snow cover duration per elevation band and aspect classes. There is snow on the ground at least 50 % of the time above 1600 m between December and April. We finally analyze the snow patterns for the atypical winter 2011–2012. Snow cover duration anomalies reveal a deficient snowpack on the Span-ish side of the Pyrenees, which seems to have caused a drop in the national hydropower production

Space hydrology for the monitoring of Mediterranean droughts

Le climat du bassin méditerranéen est caractérise par un fort impact du déficit hydrique sur la croissance de la végétation. Dans ces régions fréquemment affectées par les sècheresses, l'humidité des sols est un facteur essentiel des processus hydrologiques et de la croissance de la végétation. Des études climatiques récentes ont montré qu'il est probable que le changement climatique accroitra encore l'impact des sècheresses et la pression sur les ressources en eau. Le bassin méditerranéen peut donc être qualifié de "point chaud" du changement climatique. Dans ce contexte, il est important de construire des synergies entre les systèmes d'observation satellitaire et in situ des surfaces continentales et les plateformes de modélisation. Cette thèse a été réalisée en lien avec le programme international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment), consacré à l'étude du cycle de l'eau et de la prévisibilité des risques hydro- étéorologiques en Méditerranée, notamment des sècheresses. Une climatologie des variables biogéophysiques (humidité du sol, indice foliaire de la végétation ou LAI -Leaf Area Index-) et des débits des cours d'eau a été construite sur la période 1991-2008, sur une zone couvrant l'Europe, le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord. Pour cela, des simulations du modèle du système sol-plante ISBA-A-gs et du modèle hydrologique TRIP ont été réalisées. ISBA-A-gs simule la photosynthèse et son lien avec la conductance stomatique, ainsi que le cycle annuel de la biomasse foliaire. ISBA-A-gs a été pilote par les variables atmosphériques de surface de la réanalyse ERA-Interim du CEPMMT. Le ruissellement et le drainage simules par ISBA-A-gs ont été convertis en débits des rivières par TRIP. Dans un premier temps, la qualité des forçages ERA-Interim a été évaluée sur la France a l'aide de mesures in situ du rayonnement solaire incident et de la réanalyse SAFRAN, qui fournit des précipitations fondées sur un réseau dense de mesures in situ. Des biais ont été mis en évidence sur les deux variables : ERA-Interim sous-estime les précipitations (-27%) et surestime le rayonnement solaire incident (+7%). A l'échelle de l'Europe et du bassin méditerranéen, les biais des précipitations ERA-Interim ont été corriges sur une base mensuelle à partir des précipitations du GPCC. L'impact du biais des précipitations sur la simulation des débits par TRIP a été étudié, ainsi que l'impact des différences des variables biophysiques produites par plusieurs versions du modèle ISBA (dont ISBA-A-gs). L'utilisation d'ISBA-A-gs permet une meilleure représentation des débits d'étiage et l'emploi de données satellitaires pour contraindre le LAI améliore les débits au printemps. Le volume et les variations inter annuelles des débits d'eau douce vers la Méditerranée sont en accord avec les estimations pré-existantes. Enfin, les simulations d'humidité du sol et du LAI ont été comparées aux données in situ et satellitaires disponibles durant la période 1991-2008 sur l'Europe et le bassin méditerranéen, ainsi qu'au modèle ORCHIDEE de l'IPSL. Un bon accord est observe entre (1) l'humidité superficielle du sol simulée par ISBA-A-gs et tirée des observations satellitaires micro-ondes par le projet ESA-CCI Soil Moisture, et (2) la variabilité inter annuelle du LAI simule et le LAI produit par le projet GEOLAND2. Les variations inter annuelles de l'humidité du sol et du LAI sont corrélées lors de périodes clés, mais sur des zones plus étendues avec le modèle qu'avec les observations satellitaires.The climate of the Mediterranean basin is characterized by marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. In these areas, frequently affected by droughts, soil moisture is a key variable for understanding the hydrological processes and the vegetation growth. Recent climatic studies have shown that climate change will probably increase the impact of droughts together with the demand for water resources in this area. As such, the Mediterranean basin is recognized as a "hot spot" of the climate change. In this context, it is important to build synergies between in situ and satellite remote sensing observing systems of the continental areas and modeling platforms. This PhD thesis was performed in the framework of the international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean EXperiment) project, which is focused on the water cycle and on the prediction of hydrometeorological hazards (and particularly droughts) over the Mediterranean basin. A climatology of the biophysical variables (soil moisture, vegetation biomass or LAI –Leaf Area Index-) and river discharges was built for the 1991-2008 period over Europe, the Middle East and North Africa. In particular, simulations were performed by the ISBA-A-gs land surface model and by the TRIP hydrological model. ISBA-A-gs simulates photosynthesis and its link with the stomatal conductance, together with the leaf biomass annual cycle. ISBA-A-gs was driven by surface atmospheric variables derived from the ECMWF ERA-Interim reanalysis. Unoff and deep drainage simulated by ISBAA- gs were converted into river discharges by the TRIP model. First, the ERA-Interim forcing was evaluated over the France domain. This evaluation was performed using in situ measurements of the incoming solar radiation (ISR) and with the SAFRAN reanalysis, which provides precipitation data based on a dense network of in situ observations. Biases were evidenced for the two variables: ERA-Interim underestimates precipitation (-27%) and overestimates ISR (+7%). At the scale of Europe and of the Mediterranean basin, ERA-Interim precipitation biases were rescaled on a monthly basis using the GPCC precipitation data. The impact of precipitation biases on the river discharges simulated by TRIP was assessed, as well as the impact of the differences in biophysical variables values generated by several versions of ISBA (including ISBA-A- s). It was shown that the use of ISBA-A-gs permits a better representation of the river discharges at low water levels. The use of satellite-derived product to force the LAI improves river discharge simulations at springtime. The river freshwater inputs (volume and interannual variability) to the Mediterranean Sea are close to pre-existent estimates. Finally, the soil moisture and LAI simulations were compared to in situ and satellite observations, available over the 1991- 2008 period over Europe and the Mediterranean basin, as well as to the IPSL ORCHIDEE model. A good agreement is observed between (1) the surface soil moisture simulated by ISBA-A-gs and derived from satellite microwave observations by the ESA-CCI Soil Moisture project, and (2) the interannual variability of the simulated LAI and of the LAI produced by the GEOLAND2 project. The interannual soil moisture and LAI variations are correlated during key period, but over larger areas with the model than with the remote sensing dat

Application of remote sensing to snow modelling in the Pyrenees

International audienc

Quel avenir pour la neige dans les Pyrénées Ariégeoises ?

National audienc

Impacts du changement climatique et du changement d'occupation des sols sur l'enneigement dans le Haut-Vicdessos

National audienc

Impact of climate versus land-use changes on snow cover in Bassiès, Pyrenees

International audienc

Reduced order emulation of distributed hydraulic simulation models

Water level predictions made with hydraulic models are uncertain and evaluating this uncertainty using Monte Carlo ensemble prediction is computationally very expensive. In this paper we show how a reduced order Dynamic Model Emulator (DME) can be used to reproduce, with high accuracy, the outputs of a large and complex 1-D hydraulic model (HEC- RAS) at specified cross-sections along the Montford to Buildwas reach of the River Severn in the U.K, together with estimates of uncertainty in the predictions. This emulation model is obtained by the application of Dominant Mode Analysis (DMA), involving the identification and estimation of nonlinear State-Dependent Parameter (SDP) transfer function models, using data generated by dynamic experiments conducted on the HEC-RAS model. The paper shows how this 'nominal' DME is able to emulate the distributed hydraulic model for a nominal set of its physically-defined parameters and it presents initial results from a complete DME that emulates the HEC-RAS model over a user-defined region of its parameter space

Impact of climate and land-use changes on snow cover in a small headwater catchment in the Pyrenees, France

International audienc

Reduced order emulation of distributed hydraulic simulation models

Water level predictions made with hydraulic models are uncertain and evaluating this uncertainty using Monte Carlo ensemble prediction is computationally very expensive. In this paper we show how a reduced order Dynamic Model Emulator (DME) can be used to reproduce, with high accuracy, the outputs of a large and complex 1-D hydraulic model (HEC- RAS) at specified cross-sections along the Montford to Buildwas reach of the River Severn in the U.K, together with estimates of uncertainty in the predictions. This emulation model is obtained by the application of Dominant Mode Analysis (DMA), involving the identification and estimation of nonlinear State-Dependent Parameter (SDP) transfer function models, using data generated by dynamic experiments conducted on the HEC-RAS model. The paper shows how this 'nominal' DME is able to emulate the distributed hydraulic model for a nominal set of its physically-defined parameters and it presents initial results from a complete DME that emulates the HEC-RAS model over a user-defined region of its parameter space