Contributions to the calibration and global sensitivity analysis of snow avalanche numerical models
Contributions à la calibration et à l'analyse de sensibilité globale des modèles numériques d'avalanche de neige
Résumé
Snow avalanche is a natural hazard defined as a snow mass in fast motion. Since the thirties, scientists have been designing snow avalanche models to describe snow avalanches. However, these models depend on some poorly known input parameters that cannot be measured. To understand better model input parameters and model outputs, the aims of this thesis are (i) to propose a framework to calibrate input parameters and (ii) to develop methods to rank input parameters according to their importance in the model taking into account the functional nature of outputs. Within these two purposes, we develop statistical methods based on Bayesian inference and global sensitivity analyses. All the developments are illustrated on test cases and real snow avalanche data.First, we propose a Bayesian inference method to retrieve input parameter distribution from avalanche velocity time series having been collected on experimental test sites. Our results show that it is important to include the error structure (in our case the autocorrelation) in the statistical modeling in order to avoid bias for the estimation of friction parameters.Second, to identify important input parameters, we develop two methods based on variance based measures. For the first method, we suppose that we have a given data sample and we want to estimate sensitivity measures with this sample. Within this purpose, we develop a nonparametric estimation procedure based on the Nadaraya-Watson kernel smoother to estimate aggregated Sobol' indices. For the second method, we consider the setting where the sample is obtained from acceptance/rejection rules corresponding to physical constraints. The set of input parameters become dependent due to the acceptance-rejection sampling, thus we propose to estimate aggregated Shapley effects (extension of Shapley effects to multivariate or functional outputs). We also propose an algorithm to construct bootstrap confidence intervals. For the snow avalanche model application, we consider different uncertainty scenarios to model the input parameters. Under our scenarios, the release avalanche position and volume are the most crucial inputs.Our contributions should help avalanche scientists to (i) account for the error structure in model calibration and (ii) rankinput parameters according to their importance in the models using statistical methods.
Une avalanche de neige est un danger naturel défini comme une masse de neige en mouvement rapide. Depuis les années 30, scientifiques conçoivent des modèles d'avalanche de neige pour décrire ce phénomène. Cependant, ces modèles dépendent de certains paramètres d'entrée mal connus qui ne peuvent pas être mesurés. Pour mieux comprendre les paramètres d'entrée du modèle et les sorties du modèle, les objectifs de cette thèse sont (i) de proposer un cadre pour calibrer les paramètres d'entrée et (ii) de développer des méthodes pour classer les paramètres d'entrée en fonction de leur importance dans le modèle en tenant compte la nature fonctionnelle des sorties. Dans ce cadre, nous développons des méthodes statistiques basées sur l'inférence bayésienne et les analyses de sensibilité globale. Nos développements sont illustrés sur des cas de test et des données réelles des avalanches de neige.D'abord, nous proposons une méthode d'inférence bayésienne pour récupérer la distribution des paramètres d'entrée à partir de séries chronologiques de vitesse d'avalanche ayant été collectées sur des sites de test expérimentaux. Nos résultats montrent qu'il est important d'inclure la structure d'erreur (dans notre cas l'autocorrélation) dans la modélisation statistique afin d'éviter les biais dans l'estimation des paramètres de frottement.Deuxièmement, pour identifier les paramètres d'entrée importants, nous développons deux méthodes basées sur des mesures de sensibilité basées sur la variance. Pour la première méthode, nous supposons que nous avons un échantillon de données et nous voulons estimer les mesures de sensibilité avec cet échantillon. Dans ce but, nous développons une procédure d'estimation non paramétrique basée sur l'estimateur de Nadaraya-Watson pour estimer les indices agrégés de Sobol. Pour la deuxième méthode, nous considérons le cadre où l'échantillon est obtenu à partir de règles d'acceptation/rejet correspondant à des contraintes physiques. L'ensemble des paramètres d'entrée devient dépendant du fait de l'échantillonnage d'acceptation-rejet, nous proposons donc d'estimer les effets de Shapley agrégés (extension des effets de Shapley à des sorties multivariées ou fonctionnelles). Nous proposons également un algorithme pour construire des intervalles de confiance bootstrap. Pour l'application du modèle d'avalanche de neige, nous considérons différents scénarios d'incertitude pour modéliser les paramètres d'entrée. Dans nos scénarios, la position et le volume de départ de l'avalanche sont les entrées les plus importantes.Nos contributions peuvent aider les spécialistes des avalanches à (i) prendre en compte la structure d'erreur dans la calibration du modèle et (ii) proposer un classementdes paramètres d'entrée en fonction de leur importance dans les modèles en utilisant des approches statistiques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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