Assimilation des débits pour améliorer la prévision d’ensemble

de débits de la chaîne SIM

Guillaume Thirel CNRM/GMME/MOSAYC

Thèse encadrée par Éric Martin

Le modèle hydro-météorologique SIM

ISBA

Données physiographiques pour le sol et la végétation

+

MODCOU

QrQi

E

H

G

Aquifère

Débits journaliers

Schéma de surface

Neige

SAFRANObservations +modèles NWP

Précipitation, température, humidité, vent, radiations

Modèle hydrologiqueNash

Habets et al. (2008)

Analyse météorologique

Produits SIM (cartes de SWI)

DCLIM/HYDRO

Schéma des ESPS basés sur SIM

ObservationsMeteor. models

ANALYSIS RUN (daily)

SAFRAN10-year

climatology Wind, Rad.,

Humidity

SOIL WAT. TABLES

RIVERS FINAL STATE

ECMWF/PEARP Ensemble forecasts51/11 members, 10-day/60-H forecasts

ENSEMBLE FORECASTS

T+ Precip Spatial

DESAGGREGATION

ISBA MODCOU

ENSEMBLE FORECAST

SOIL WAT. TABLES

RIVERS FINAL STATES

ISBA MODCOU

SOIL WAT. TABLES

RIVERS STATE

Visualisation des sorties en temps réel

Site intramet : http://dpnet.meteo.fr/DCLIM/hydro/SIM/site_modcou/index_general.htm

Sélection de 90 stations

- prévision de débits

- tableau d’alerte

=> Visualisation du risque + de la persistance (ou non) de la prévision Probabilité de dépassement du Q90

Assimilation des débits dans SIM

BUT : Améliorer les états initiaux de la PE SIM, pour avoir des meilleures prévisions d’ensemble de débits

Outils : – Analyse BLUE (Best Linear Unbiased Estimator)

– Coupleur dynamique de codes de calcul PALM (CERFACS)

Variable analysée : l’humidité du sol ISBA

Observations utilisées : débits (Banque Hydro)

Simulation SIM PE [J+1;J+P]

Débits SIM [J-N;J]Humidité du sol ISBA [J-N]

Assimilation (BLUE)

Débits observés

[J-N;J]

Humidité du sol ajustée J-N

Débits SIM assimilés +

humidité ISBA J

Simulation SIM [J-N;J]

Principe de l’assimilation

Stations à assimiler

Contraintes : stations simulées par SIM et données observées disponibles pour 2005/2006

186 stations sélectionnées sur la France : Non fortement influencées (barrages, …)Observations disponibles sur 2005/2006, voire validées(source : http://www.hydro.eaufrance.fr)

Équations de l’estimateur BLUE (Best Linear Unbiased Estimator)

état analysé

ébauche

matrice de gain K

innovation

débits observés

R : matrice de covariance d’erreurs d’observation, diagonale, fonction de l’observation

B : matrice de covariance d’erreurs d’ébauche, diagonale

Jacobienne H :

H détermine la sensibilité des débits de SIM à l’humidité du sol

débits

x : variable de contrôle, somme des humidités du sol par bassin

BLUE

x : variable de contrôle, 3 choix étudiés :

– x=(d2*w2+(d3-d2)*w3)/d3

– x=w2

– x=(w2, w3)

d1 : 1.5cm, d2 : 1.5m,

d3 : 2m (en moyenne)

-> sommé par bassin!!

ISBA : 2 choix de physique :

– Avec profil exponentiel de la conductivité de l’eau dans le sol

– Sans profil exponentiel

Remplissage de la jacobienne (principe)

3 stations de mesure de débits Q1, Q2 et Q3.

w1, w2 et w3 sommes des humidités du sol sur les mailles des bassins

Jacobienne :

0

0 0

0

bassins

stations

Quelques cas tests

Cas tests avec observations = un run de référence de SIM

Modification de + ou – 5 ou 10 % à l’état initial de l’eau dans le sol d’ISBA.

Pluie perturbée

Observations perturbées

Fenêtre assimilation : 5J Fréquence assimilation : 5J Variable d’état : x=(d2*w2+(d3-d2)*w3)/d3

Cas réels

Observations issues de la Banque Hydro

3 mois de simulation

Fenêtre assimilation : 1J Fréquence assimilation : 1J Variable d’état : x=(d2*w2+(d3-d2)*w3)/d3

Conclusions et perspectives

Travail de recherche : – Voir l’impact des différentes configurations sur une simulation SIM

analyse sur 18 mois

– Quantifier l’apport de l’assimilation des débits sur les prévisions d’ensemble sur 18 mois

– Perspectives : sujet de thèse proposé pour l’assimilation des hauteurs de nappes

Opérationnel– Utilisation en temps réel de l’assimilation des débits pour initialiser la

chaîne de prévision d’ensemble ECMWF

Merci de votre attention!

Travail réalisé en collaboration avec J.-F. Mahfouf (CNRM/GMME),

S. Massart, S. Ricci, B. Bouriquet (CERFACS/GLOBC TEAM), T. Morel, A. Thévenin (CERFACS/PALM TEAM)