Simulation des variations de débits et de l’activité de crue du Rhône amont à partir de l’information atmosphérique de grande échelle sur le dernier siècle et le dernier millénaire - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Simulation of flow variations and flood activity in the Upper Rhône River from large-scale atmospheric information over the last century and millennium

Simulation des variations de débits et de l’activité de crue du Rhône amont à partir de l’information atmosphérique de grande échelle sur le dernier siècle et le dernier millénaire

Caroline Legrand
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1479897
  • IdRef : 278328075

Résumé

Floods are often destructive natural hazards that can have considerable implications on ecosystemsand societies. In many regions of the world, flood activity and intensity are expected to be amplifiedby the ongoing climate change. However, quantifying possible changes over the coming decades isdifficult. The classical approach is to estimate possible changes from hydrological projections obtainedby simulation using meteorological scenarios produced for different future climate scenarios. Amongother things, these meteorological scenarios have to be adapted to the spatial and temporal scalesof the considered basins. They are typically produced with downscaling models from the large-scaleatmospheric conditions simulated by climate models. Downscaling models are either dynamical orstatistical. The possibility of producing relevant meteorological scenarios with downscaling models istaken for granted, but is rarely assessed.In this study, we assessed the ability of two modelling chains to reproduce, over the last century(1902-2009) and from large-scale atmospheric information only, the observed temporal variations inflows and flood events in the Upper Rhône River catchment (10,900 km2). The modelling chains aremade up of (i) the ERA-20C atmospheric reanalysis, (ii) either the statistical downscaling modelSCAMP or the dynamical downscaling model MAR, and (iii) the glacio-hydrological model GSM-SOCONT.When compared to observations, the downscaled scenarios of daily temperatures and precipitationshighlight the need for a bias correction. This is the case for both downscaling models. For thedynamical downscaling chain, bias correction is additionally necessary for the temperature lapse ratescenarios to avoid irrelevant simulations of snowpack dynamics, particularly for high elevations.The observed multi-scale variations (daily, seasonal and interannual) in flows and low frequencyhydrological situations (low flow sequences and flood events) are generally well reproduced for theperiod 1961-2009. For the first half of the century, the agreement with the reference flows is wea-ker, probably due to lower data quality (ERA-20C and flow data) and/or certain assumptions andmodelling choices (e.g. calibration based on hydrological signatures, stationarity assumption). Theseresults, and those obtained over the last century on variations in flood activity, suggest that themodelling chains can be used in other climatic contexts.In the last part, we simulated variations in flood activity over the last millennium using cli-mate model outputs made available by the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP).Outputs from the climate model CESM Last Millennium Ensemble, made up of 12 members, werestatistically downscaled at the daily time step over the period 850-2004 with SCAMP (for reasons ofcomputational cost) and used as input to the GSM-SOCONT model.The simulated variations in flood activity in the Upper Rhône River over the last millennium werecompared with those reconstructed from the sediments cores of Lake Bourget. The results suggestthat the variations in flood activity reconstructed over this period could only be due to internalclimate variability and not to any large-scale atmospheric forcing.
Les crues sont des aléas naturels extrêmement destructeurs qui peuvent avoir des répercussionsconsidérables sur les écosystèmes et les sociétés. L’activité et l’intensité des crues pourraient êtreamplifiées par le changement climatique en cours. Quantifier les évolutions possibles pour les décenniesà venir est cependant difficile. L’approche classique consiste à estimer ces évolutions à partir deprojections hydrologiques obtenues par simulation à partir des scénarios météorologiques produitspour différents scénarios climatiques futurs. Ces scénarios météorologiques, qui doivent, entre autreschoses, être adaptés aux échelles spatiales et temporelles des bassins considérés, sont typiquementproduits avec des modèles de descente d’échelle à partir des conditions atmosphériques de grandeéchelle simulées par des modèles climatiques. Ces modèles de descente d’échelle sont soit dynamiquessoit statistiques. La possibilité de produire, avec ce type de modèles, des scénarios météorologiquespertinents est supposée acquise mais est rarement évaluée.Dans cette étude, nous avons évalué la capacité de deux chaînes de modélisation à reproduire,au cours du dernier siècle (1902-2009) et à partir de l’information atmosphérique de grande échelleuniquement, les variations temporelles observées des débits et des événements de crue du bassinversant du Rhône amont (10 900 km2). Les chaînes de modélisation sont constituées (i) de la réanalyseatmosphérique ERA-20C, (ii) soit du modèle de descente d’échelle statistique SCAMP, soit du modèlede descente d’échelle dynamique MAR et (iii) du modèle glacio-hydrologique GSM-SOCONT.Les évaluations sur les températures et les précipitations de bassin journalières soulignent la néces-sité d’une correction de biais pour les deux modèles de descente d’échelle. Pour éviter des simulationsnon pertinentes de la dynamique du manteau neigeux, en particulier pour les hautes altitudes, la cor-rection des biais est nécessaire non seulement pour les scénarios de précipitations et de températuresmais aussi pour les scénarios de gradients altimétriques de température pour la chaîne de descented’échelle dynamique.Les évaluations sur l’hydrologie des bassins montrent que les variations multi-échelles (journa-lières, saisonnières et interannuelles) observées des débits et les situations hydrologiques de bassefréquence (séquences d’étiage et événements de crue) sont globalement bien reproduites pour la pé-riode 1961-2009. Pour la première moitié du siècle, l’accord avec les débits de référence est plus faible,probablement en raison de la moindre qualité des données (données ERA-20C et de débits) et/ou decertaines hypothèses et choix de modélisation (e.g. calibration basée sur des signatures hydrologiques,hypothèse de stationnarité). Ces résultats ainsi que ceux sur les variations de l’activité de crue ob-tenus sur le siècle dernier permettent d’envisager l’utilisation des chaînes de modélisation pour descontextes climatiques différents.Dans une dernière partie, nous avons simulé les variations de l’activité de crue sur l’ensemble dudernier millénaire en utilisant les sorties d’un modèle climatique rendues disponibles par le projetPMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project). Les sorties du modèle climatique CESMLast Millennium Ensemble, composé de 12 membres, ont été statistiquement descendues en échelleau pas de temps journalier sur la période 850-2004 avec le modèle SCAMP (pour des raisons de coûtsde calcul) et utilisées comme forçages dans le modèle GSM-SOCONT.Les variations de l’activité de crue du Rhône amont simulées sur le dernier millénaire ont étécomparées à celles reconstituées à partir d’archives sédimentaires du lac du Bourget. Les résultatsobtenus suggèrent que les variations de l’activité de crue reconstituées sur cette période pourraientêtre liées à la variabilité interne du climat et non pas à un quelconque forçage atmosphérique degrande échelle.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04842212 , version 1 (17-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04842212 , version 1

Citer

Caroline Legrand. Simulation des variations de débits et de l’activité de crue du Rhône amont à partir de l’information atmosphérique de grande échelle sur le dernier siècle et le dernier millénaire. Hydrologie. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. Français. ⟨NNT : 2024GRALU011⟩. ⟨tel-04842212⟩
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