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Sujet : Impacts du changement climatique sur les pluies, les débits et les inondations extrêmes des bassins versants méso-échelle en région méditerranéenne. Excercice de modélisation hydrologique sur un bassin méditerranéen.

Niveau requis : M2
Durée de la mission : 6 mois
Date limite des candidatures : 25 janvier 2016

 

STAGE DE MASTER 2 Recherche : HydroSciences Montpellier (HSM) Université de Montpellier (UM) – WSP (bureau d'études) CERFACS

 

Sujet : Impacts du changement climatique sur les pluies, les débits et les inondations extrêmes des bassins versants méso-échelle en région méditerranéenne. Excercice de modélisation hydrologique sur un bassin méditerranéen.

 

Organisme ou service proposant le sujet : HSM + WSP + CERFACS/URA1875

 

Lieu du stage : HSM (Montpellier)

Indemnités légales versées par WSP (Bureau d'études, Toulouse)

Accueils ponctuels au sein de WSP et CERFACS (Toulouse)

 

Encadrants : Valérie Borrell Estupina (HSM), Antoine Colmet Daage (WSP), Eric Servat (OSU IM2E), Cécile Llovel et Rémi Labedade (WSP), Sophie Ricci et  Emilia Sanchez (CERFACS).

Collaboration enviségée avec : Stéphanie Deffossez (UM3 GRED) et Carmen Llasat (UB, Espagne).

 

Objectif scientifique :

 

Le stage a pour objectif de modéliser le fonctionnement hydrologique d'un bassin versant méditerranéen en se concentrant sur la représentation des épisodes de précipitation extrêmes. Les simulations du passé et celles  du « passé futurisé » seront effectuées et leurs résultats discutés.

Ce sujet est proposé dans le cadre d’une collaboration entre le CERFACS, HSM et WSP (bureau d’étude en hydrologie et hydraulique). Il s’insère dans le cadre d’une thèse (financement WSP)  démarrée en Mai 2015.

 

Contexte de l’étude :

 

Que deviendront les crues et inondations extrêmes sous un climat futur sur l'arc méditerranéen français ? Alors qu'il est aujourd'hui reconnu que le changement climatique se traduira par une évolution à la hausse des températures (IPCC, 2013), quel en sera son impact sur les extrêmes de précipitations ? Sur des bassins urbanisés, soumis depuis toujours à des crues rapides et violentes, et engendrant des conséquences catastrophiques en terme de pertes humaines et de dégâts matériels, la question d'une possible aggravation des intensités ou des événements et de leur occurrence est cruciale.

 

Méthodologie envisagée :

 

Les modèles hydrologiques événementiels à base physique sont ceux retenus pour cette étude. Ils présentent l'avantage de reproduire le comportement hydrologique des bassins en s'appuyant sur leurs caractéristiques morpho et géologiques ainsi que sur la physique des écoulements. TOPKAPI, HEC-HMS, ATHYS, XP-Solutions sont particulièrement visés. Les bassins versants visés sont le Lez, l'Aude, l'Hérault ou bien encore la Muga ou des sous bassins de l'Ebre en Espagne. Les données ont été en grande partie collectées par Antoine Colmet Daage (H, Q, P, MNT, hydrographie, géologie…).

Les données pluviométriques passées sont des données réelles ou des analyses objectives telles que SAFRAN. Les données futures sont des simulations de l'excercice EURO-CORDEX sponsorisé par le World Climate Research Program (WRCP) et en particulier nous nous intéressons aux simulations à haute résolution à 12km. Les simulations régionales forcées par des scénarios permettent de représenter le climat futur sous des hypothèses de scénarios d’émission de gaz à effet de serre. Ces données climatiques seront fournies au stagiaire par le thésard.

 

Le stagiaire devra réaliser une étude bibligraphique portant sur la question de l'impact des pluies extrêmes futures sur les crues et inondations. La période passée et le devenir de ces précipitations seront analysés. D'autres climats que le climat méditerranéenn seront aussi étudiés.

 

En collaboration avec le thésard, le stagiaire devra caractériser les bassins méditerranéens visés, les processus de genèse et propagation de crues qui s'y opèrent et les extrêmes de précipitations auxquelles ils sont exposés. Une analyse des capacités des modèles hydrologiques pré-cités à simuler les écoulements extrêmes sera menée.

 

Le travail de modélisation par lui-même aboutira au calage et à la validation d'au moins un modèle hydrologique sur un des bassins évoqués sur la période passée. Puis, ce modèle calibré sera utilisé pour les simulations des extrêmes futurisés.

 

A noter que la chaîne de modélisation (forçages climatiques futurs, modèle ATHYS) a déjà été implanté sur le Lez dans le cadre de la thèse de E. Harader.

 

 

Plan de travail détaillé :

 

·        Mois 1 : Bibliographie sur i) les l'impact des pluies extrêmes passées et futures sur les crues et inondations (en climat méditerranéen et d'autres climats) ; ii) la caractérisation des bassins méditerranéens visés, des processus de genèse et de propagation de crues qui s'y opèrent et des extrêmes de précipitations auxquelles ils sont exposés ; iii) une analyse des capacités des modèles hydrologiques pré-cités à simuler les écoulements extrêmes.

 

Mois 2 : Prise en main du modèle hydrologique retenu sur le bassin étudié, mise en forme de la BD, pré-traitement ArcGis et Excel ou Matlab
Mois 3 : Optimisation – Calage sur la péridoe passée. Classification des événements sur les deux périodes.
Mois 4 : Application du modèle calibré sur la base de données futurisée.
Mois 5 et Mois 6 : Discussion et Rédaction d’un article aux cotés de A. Colmet sur la simulation des extrêmes de crues sur le bassin retenu.
Etat d’avancement actuel des travaux sur le sujet :

 

E. Harader (2015) a proposé une chaîne complète de modélisation sur le Lez avec ATHYS. Le stagiaire pourra partir de ce travail (mis à disposition avant le 1/02).

 

Cette méthode permet de modéliser des crues phares de la période passée sous un climat futur. Les résultats suggèrent qu'une augmentation des précipitations et des débits pendant les épisodes de crue sur le bassin versant du Lez est possible. Cependant, ces résultats sont très sensibles aux conditions hydriques du bassin versant, qui pourraient évoluer en fonction du changement climatique. De plus, les résultats de cette étude sont fortement impactés par le choix d'un seul modèle climatique régional et ne permettent pas de conclure sur l'influence du changement climatique. Néanmoins, la méthodologie développée montre qu'il est possible à l'heure actuelle de modéliser l'impact du changement climatique sur des événements de crue éclair à l'échelle d'un petit bassin versant.

 

 

Bibliographie initiale :

 

Borrell Estupina, V., B. Ladouche, P.-O. Malaterre, S. Ricci, Y. Caballero, M. Coustau, N. Dorfliger, P. Fleury, M. Jay-Allemand, J.-C. Maréchal & O. Thual. (2014) Forecasting and mitigation of flooding in a Mediterranean karstic watershed. Hydrology in a Changing World: Environmental and Human Dimensions Proceedings of FRIEND-Water 2014, Montpellier, 7-10 October 2014 (Red Book IAHS Publ. 363, 2014), pp288-294.

 

Bouvier, C. (2004) De la pluie à l'inondation : contribution à la compréhension et à la prévision des événements extrêmes sur petits bassins tropicaux et méditerranéens, Habilitation à diriger des recherches, Université de Montpellier II. 93 pages.

 

Coustau, M., C. Bouvier, V. Borrell-Estupina & H. Jourde (2012) Flood modelling with a distributed event-based parsimonious rainfall-runoff model: case of the karstic Lez river catchment. Natural Hazards and Earth System Sciences, 12, 1119-1133, 2012

 

Déqué, M. & S. Somot (2008) Extreme precipitation and high resolution with Aladin. Idöjaras Quaterly Journal of the Hungarian Meteorological Service, 112(3-4):179-190

 

Feser, F., B. Rockel, H. von Storch, J. Winterfeldt & M. Zahn (2011)  Regional climate models add value to global model data : a review and selected examples.

Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 92, no 9, p. 1181–1192.

 

Frei, C., J. Hesselbjerg Christensen, M. Déqué, D. Jacob, R. G. Jones & P. L. Vidale. (2003)  Daily precipitation statistics in regional climate models : Evaluation and intercomparison for the european alps. Journal of Geophysical Research : Atmospheres, vol. 108, no D3.

 

Frei, C., R. Schöll, S. Fukutome, J. Schmidli & P. L. Vidale (2006) Future change of precipitation extremes in Europe : Intercomparison of scenarios from regional climate models. J. Geophys. Res.,111, D06105, doi:10.1029/2005JD005965.

 

Harader, E. (2015) L’impact du changement climatique sur les événements hydrologiques extrêmes des petits bassins versants méditerranéens: le cas des bassins versants du Lez. Thèse de doctorat UPS, Toulouse. CERFACS – HSM. Dir. de thèse : S. Ricci et V. Borrell, Enc. : L Terray. Soutenance prévue 9 février 2015.

 

Herrmann, M., S. Somot, S. Calmanti, C. Dubois & F. Sevault (2011) Representation of spatial and temporal variability of daily wind speed and of intense wind events over the mediterranean sea using dynamical downscaling : impact of the regional climate model configuration. Natural Hazards and Earth System Science, vol. 11, no 7, p. 1983–2001.

 

IPCC (2013) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp.

 

Lobligeois, F., V. Andréassian, C. Perrin, P. Tabary and C. Loumagne (2014) When does higher spatial resolution rainfall information improve streamflow simulation? An evaluation using 3620 flood events, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 575-594, doi:10.5194/hess-18-575-2014, 2014.

 

Oudin, L., A.L. Kay, V. Andreassian & C. Perrin (2010) Are seemingly physically similar catchments truly hydrologically similar?., Water Resour. Res, W11558.

 

Taylor, K. E., R. J. Stouffer &  G. A. Meehl (2012) An overview of cmip5 and the experiment design. Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 93, no 4, p. 485–498

 

Tramblay, Y., C. Bouvier, C. Martin, J.-F. Didon-Lescot, D. Todorovik & J.-M. Domergue (2010)  Assessment of initial soil moisture conditions for event-based rainfall–runoff modelling. Journal of Hydrology, vol. 387, no 3, p. 176–187.