Academic literature on the topic 'Précipitations (météorologie) – Variabilité – Modèles mathématiques'

Differentes applications des sciences de l'environnement necessitent une estimation des intensites de precipitation integrees dans le temps et l'espace. L'approche stochastique proposee dans ce memoire repond a ce besoin pour les champs de precipitation a pas de temps faible ou le phenomene d'intermittence devient un facteur predominant. Le chapitre i rassemble quelques rappels essentiels concernant les caracteristiques meteorologiques du phenomene (origine, organisation, evolution). Il evoque egalement la maniere dont elles peuvent etre utilisees pour la conceptualisation stochastique des champs de precipitation. La variabilite des precipitations s'exprime, soit en terme d'intermittence (pluie-non pluie), soit en terme de variabilite en soi (variation de l'intensite a l'interieur d'une zone pluvieuse). Le chapitre ii examine comment ces deux aspects peuvent etre etudies dans le cadre de la geostatistique ou de l'analyse objective. Cette methodologie est ensuite appliquee aux champs de precipitation horaires observes dans les cevennes (chapitre iii). Les donnees proviennent d'un reseau de 97 pluviometres et correspondent a 15 episodes pluvieux intenses. Les surfaces pluvieuses presentent une organisation spatiale coherente, bien que masquee par la dimension reduite de la zone d'etude et la nature discrete des mesures. Les intensites de precipitation a l'interieur des surfaces sont, quant a elles, faiblement organisees aux echelles que permet d'analyser le reseau de mesure. On note toutefois qu'elles diminuent du centre vers les bords des surfaces pluvieuses. Les performances des methodes d'interpolation montrent clairement l'interet de la distinction entre intermittence et variabilite en soi, par rapport a l'approche lineaire classique

Ce travail porte sur la variabilité spatiale et la modélisation statistique des précipitations du Maroc cisatlasique et transatlantique. Il s'appuie sur les séries annuelles mensuelles et journalières de 16 stations pendant la période allant de 1958 à 1987. Quatre parties constituent l'ossature de cette thèse : - La première est une présentation du terrain, du contexte météorologique, de la problématique et des données utilisées. - La seconde partie traite les données annuelles après avoir critiqué les séries par la méthode des doubles-masses, des résidus de régression et de L'A. C. P. Le comblement des lacunes est effectué à partir des vecteurs régionaux. Le second volet consiste en une modélisation statistique des séries annuelles par la loi de Gauss qui s'avère adéquate généralement pour les stations marocaines. La loi racine-normale est parfois préférable quand les pluies annuelles sont faibles. Une régionalisation des précipitations annuelles conclue cette partie. - La troisième partie de cette thèse est consacrée aux pluies mensuelles. Une approche statistique des pluies supérieures à un seuil (o,1 mm) par le modèle de Fuller y figure, ainsi qu'une étude sur les régimes mensuels. Les gradex mensuels et la fréquence des pluies nulles (FO) y sont étudiés également. Cette partie comporte aussi une régionalisation des pluies mensuelles moyens, brutes et des gradex. - La quatrième et dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude des pluies journalières extrêmes. Ces dernières sont ajustées par le modèle de Fuller quand il s'agit des pluies journalières maximales mensuelles et par le modèle de Gumbel qui rend bien compte des pluies journalières maximales annuelles. Une régionalisation des pluies journalières par une analyse en composantes principales conclue ce travail. Les différents résultats auxquels aboutit ce travail sont exposés dans la conclusion générale. Une centaine de références bibliographiques, une dizaine de cartes, quinze tableaux et dix annexes constituent la partie illustration de cette thèse
The title given to the whole work is spatial variability and statistical modelisation of rains in cisatlasic and transatlantic Morocco it is based on the data given by 16 stations from 1958 to 1987. Four different parts will be developped : - The first deals with the area which will be studied, the meteorological context, the problems raised and data used in the work. -The second part deals which the annual data after criticizing the series using the doublesmass, principal components and regression residues methods. The lacks in the data were filled by the regional vectors method. The second subdivision of this part is a statistical modelisation of the annual series by the law of Gauss which seems appropriate to explain the annual distribution over the different Moroccan stations. When the average of the annual rains is low, the distribution is normal-root. The principal components exhibits sets of stations characterised by coherent time and spatial variations. - The third deals with the monthly rains. A statistical approach of the quantity of rain higher than o,1 mn by the fuller law and also the study of the average, regimes and gradex. - The fourth part deals with the study of the daily rains approched by the fuller law (montly maxima) and the gumbel's law for the annual maxima the final results are shown in the general conclusion. The illustration is composed of : 12 maps, 98 bibliographical references, 33 drawings, 8 tables and 10 riders

La variabilité pluviométrique interannuelle dans l'espace riverain de l'océan indien a été étudiée, sur la période 1946-1975, dans le but d'établir une régionalisation de cet espace puis d'établir des modèles de prévision de la pluviométrie à partir d'indicateurs océano-atmosphérique. A partir d'une base de données pluviométriques, un ensemble de 130 postes, répartis de façon la plus homogène possible dans l'espace d'étude, a été sélectionné. Les valeurs des précipitations lacunaires ont été restituées et l'ensemble du réseau validé. Des analyses multivariées (Analyses en Composantes Principales et des Classifications Ascendantes Hiérarchiques) ont été utilisées pour définir 21 régions pluviométriquement homogènes. Les chroniques de ces zones sont corrélées avec des indices d'anomalies de la circulation océano-atmosphérique sur les fuseaux Indien et Pacifique, avec des décalages de 1 à 3 mois. Pour trois régions, le sens des écarts à la moyenne de la chronique a été estimé au moyen de modèles Logit sur un pas de temps mensuel au coeur des saisons pluvieuses. Les résultats à une échéance d'un mois sont pertinents avec des taux d'erreurs inférieurs à 10%. A une échéance de deux et trois mois, le pourcentage de bonne prévision est supérieur à 80 pour les trois régions. Ces résultats valident le concept de l'utilisation des modèles Logit dans la prévision à moyen terme des tendances pluviométriques dans les régions tropicales
The interannual variability of rainfall in the coastal areas of the Indian ocean was analysed for the period 1946-1975 and regionalized then we establish statistical forcasting models of rainfall from oceano-atmospheric circulation indicators. A set of 130 well-spatially-distributed stations were selected from a pluviometric database. Missing values were statistically replaced and the output dataset was validated. Multivariate analyes (PCA and clustering analysis) were applied on these data to extract 21 homogeneous pluviometric regions. Times series are strongly correlated over a lag period ranging from 1 to 3 months with some atmospheric and oceanic anomaly indices recorded over the Indian and Pacific oceans. .

L'évolution du débit d'une rivière présente généralement des épisodes de crues intenses, au cours desquels le débit augmente rapidement, suivis par une diminution lente du débit lorsque la pluie s'arrête. Dans ce manuscrit, nous montrons que l'écoulement souterrain dans un aquifère non confiné permet de comprendre cette dynamique. Dans le cadre de l'approximation de Dupuit-Boussinesq (eau peu profonde), la vitesse de montée de crue ˙Q est une fonction non-linéaire du taux de précipitations R : ˙Q ∝ R 3/2. Après la pluie, on distingue deux régimes asymptotiques de décrue. Au début de la décrue, le débit décroît proportionnellement à l'inverse de la racine du temps ( Q ∝ 1/ √ t (Polubarinova-Kochina, 1962)). En fin de décrue, le débit décroît comme l'inverse du temps au carré (Q ∝ 1/t 2(Boussinesq, 1903)). L'étude d'un aquifère de laboratoire soumis à une pluie artificielle confirme l'existence de ces régimes asymptotiques. Ce dispositif expérimental simplifié (aquifère homogène et bidimensionnel) génère des montées de crue réalistes, en l'absence de ruissellement. L'instrumentation d'un site de terrain dans le bassin versant de la Ravine Quiock, sur l'île de Basse-Terre en Guadeloupe, révèle un comportement similaire. La surface de la nappe et le débit de la rivière évoluent simultanément pendant la pluie et se conforment aux prédictions théoriques. Comme dans l'expérience de laboratoire, cet aquifère réagit donc non-linéairement au forçage induit par les précipitations. L'analyse de données acquises dans trois autres bassins versants (Plynlimon, Pays de Galles, et Laval, France) confirme le caractère non-linéaire de la réponse d'un aquifère à la pluie : ˙Q ∝ Rn, avec n > 1. Cependant, l'exposant obtenu est différent de 3/2. Une expérience préliminaire en laboratoire suggère que cet écart à la théorie de Dupuit-Boussinesq pourrait être induit par l'écoulement vertical dans l'aquifère
River hydrographs generally exhibit intense flood events during which the discharge increases quickly during rainfall, anc decreases slowly afterwards. In this manuscript, we show that the dynamics of groundwater in an unconfined aquifer can account for these features. In the frame of the Dupuit-Boussinesq (shallow-water) approximation, the discharge increase rate ˙Q is a non-linear fonction of the rainfall rate R : ˙Q ∝ R 3/2. After the rain, two consecutive asymptotic regimes compose the drought flow. During the early drought flow, the discharge decreases as the inverse square root of time ( Q ∝ 1/ √ t(Polubarinova-Kochina (1962)). Later, the discharge decreases as the inverse square of time (Q ∝ 1/t 2(Boussinesq, 1903)). A laboratory aquifer (homogeneous and bidimensional) submitted to artificial rainfall confirms the existence of these asymptotic regimes. This simplified experimental setup generates a realistic flood signal, in the absence of surface runoff. Field observation in the catchment of the Quiock Creek, Guadeloiipe reveals a similar behaviour. The water table and the river discharge evolve simultaneously during rainfall, and conform to theory. Like in our laboratory experiment, this aquifer reacts non-linearly to forcing by rainfall. The river discharge from three other catchments (Plynlimon, Wales and Laval, France) confirms this non-linear reaction : ˙Q ∝ R n , with n > 1. The exponent, however, is different from 3/2. A preliminary laboratory experiment suggests that this breakdown of the Dupuit-Boussinesq theory is due to vertical groundwater flow

L'homogénéisation est une étape importante et cruciale pour améliorer l'utilisation des données d'observation pour l'analyse du climat. Ce travail est motivé par l'analyse de les données journalières de Contenu Intégré en Vapeur d’Eau (CIVE) mesurées par GNSS (Global Navigation Satellite Systems), appelées GNSS CIVE (IWV Integrated Water Vapor en anglais) qui n'ont pas encore été utilisées dans ce contexte. Ces séries sont affectées par des inhomogénéités liées à des changements dans l'instrumentation, dans l'environnement et dans la procédure de traitement des données. En raison de la variabilité naturelle de la série, nous travaillons en fait sur la série chronologique des différences, en utilisant la réanalyse ERA-Interim comme référence pour le signal climatique. Une hypothèse de base est que les différences contiennent seulement la signature des changements brusques de la série GNSS qui peuvent être détectés au moyen d'un algorithme de segmentation. Une analyse minutieuse des résultats de la segmentation permet de trier les cas où cette hypothèse n'est en fait pas vraie. La principale contribution de cette thèse a été le développement d'une nouvelle méthode de segmentation dédiée à la détection des changements dans la moyenne de la série de différences GNSS-ERA-Interim CIVE. Ce modèle de segmentation intègre un biais périodique et une variance hétérogène, variable mensuellement, pour s'adapter correctement aux caractéristiques de la série. La méthode consiste à estimer d'abord la variance à l'aide d'un estimateur robuste puis à estimer les paramètres de segmentation (les positions des points de changement, les moyennes des segments) et le modèle de biais périodique de manière séquentielle. Les paramètres de segmentation et le modèle de biais périodique sont estimés de manière itérative pour un nombre fixe de points de changement. L'inférence est obtenue par la procédure classique du maximum de vraisemblance en utilisant l'algorithme de programmation dynamique pour l'estimation des paramètres de segmentation qui fournit la solution exacte dans un laps de temps raisonnable. La procédure est répétée pour tous les nombres de points de changement testés entre 0 et un maximum (environ 30). Enfin, le nombre optimal de points de changement est choisi en utilisant une stratégie de sélection de modèle pénalisée. Plusieurs critères sont testés. La méthode est implémentée dans le package R GNSSseg disponible sur CRAN. Les performances de la méthode proposée ont été évaluées par des simulations numériques. Une application pour un ensemble de données réel de 120 stations GNSS mondiales dans le réseau mondial IGS est présentée pour la période de janvier 1995 à décembre 2010. L'inspection des résultats révèle que les points de changement détectés contiennent une fraction (~20%) de valeurs aberrantes qui se caractérisent par des détections doubles avec deux grands décalages, généralement de signes opposés, rapprochés, p.ex. à quelques dizaines de jours d'intervalle. Afin de détecter et d'éliminer les valeurs aberrantes, une méthode de dépistage a été développée. L'ensemble final de points de changement est validé par rapport aux métadonnées GNSS qui contiennent des informations sur les changements d'équipement survenus dans les stations. Le pourcentage de validation reste modéré au niveau de 20% malgré tous les changements sont statistiquement significatifs. Certains des points de changement peuvent en fait être dus à la série de référence (ERA-Interim). Enfin, les informations de segmentation (dates des points de changement) sont incluses dans un algorithme de régression linéaire qui est utilisé pour estimer les tendances GNSS CIVE. Les tendances estimées sont testées pour leur signification et comparées aux tendances ERA-Interim. Une plus grande cohérence spatiale dans les tendances GNSS et une meilleure cohérence sont trouvées après l'homogénéisation avec ERA-Interim dans les régions où la réanalyse est connue pour ses performances
Homogenization is an important and crucial step to improve the use of observational data for climate analysis. This work is motivated by the analysis of long GNSS Integrated Water Vapor (IWV) data which have not yet been used in this context. These series are affected by inhomogeneities linked to changes in the instrumentation, in the environment, and in the data processing procedure. Due to the natural variability of the series we actually work on the time series of differences, using ERA-Interim reanalysis as reference for the climate signal. A base assumption is that the differences contain only the signature of the abrupt changes from the GNSS series which can be detected by means of a segmentation algorithm. Careful analysis of the segmentation results allows to sort the cases when this assumption is actually not true. The main contribution of this thesis was the development a novel segmentation method dedicated to detecting changes in the mean of the GNSS-ERA-Interim IWV difference series. This segmentation model integrates a periodic bias and a heterogeneous, monthly varying, variance to properly fit the characteristics of the series. The method consists of first estimating the variance using a robust estimator and then estimating the segmentation parameters (the positions of the change-points, the means of the segments) and the periodic bias model in a sequential way. The segmentation parameters and the periodic bias model are estimated iteratively for a fixed number of change-points. The inference is achieved by the classical maximum likelihood procedure using the dynamic programming algorithm for the estimation of the segmentation parameters which provides the exact solution in a reasonable amount of time. The procedure is repeated for all the numbers of change-points tested between 0 and a maximum (about 30). Finally, the optimal number of change-points is chosen using a penalized model selection strategy. Several criteria are tested. The method is implemented in the R GNSSseg package available on CRAN. The performance of the proposed method was evaluated by numerical simulations. An application for a real dataset of 120 global GNSS stations in the global IGS network is presented for the period from January 1995 to December 2010. Inspection of the results reveals that the detected change-points contain a fraction (~ 20 %) of outliers which are characterized by double detections with two large offsets, generally of opposite signs, close together, e.g. a few tens of days apart. In order to detect and eliminate the outliers a screening method was developed. The final set of change-points is validated with respect to GNSS metadata which contain information on equipment changes that occurred at the stations. The percentage of validation remains moderate at the level of 20 % despite all the changes are statistically significant. Some of the change-points may actually be due to the reference series (ERA-Interim). Finally, the segmentation information (dates of the change-points) is included in a linear regression algorithm which is used to estimate the GNSS IWV trends. The estimated trends are tested for significance and compared to the ERA-Interim trends. Higher spatial consistency in the GNSS trends and improved consistency is found after homogenisation with ERA-Interim in regions where the reanalysis is known to perform well. [...]

Ce mémoire étudie les processus de production de la Pluie Efficace dans les modélisations globales (qui considèrent le bassin versant comme une seule entité) de la relation pluie débit à l'aide de la méthode DPFT. S'appuyant sur un ensemble de crues, celle méthode permet d'identifier une Fonction de Transfert moyenne pour le bassin et un jeu de Pluies Efficaces propres à chaque crue. Celles-ci sont ensuite utilisées afin d'optimiser la Fonction de Production. Dans une première étape, nous avons utilisé trois modèles représentant les grandes familles de modèles globaux de Fonction de Production, et nous avons mesuré leurs performances et limitations sur les données de deux bassins versants : le Gardon d'Anduze et le Réal Collobrier. Les résultats obtenus ont montré la nécessité d'introduire des informations complémentaires à celles données par la lame moyenne de Pluie Brute. Dans une deuxième étape, nous avons introduit de façon simplifiée la topographie du bassin et la variabilité spatiale de la pluie à l'aide de la fonction de répartition d'un indice topographique et d'un indice de concentration de la pluie tombée, et sous l'hypothèse que ces deux aspects jouent un rôle de second ordre par rapport à la description fournie par un modèle global. Les résultats obtenus ont permis de proposer des améliorations des modèles pluie-débit globaux, susceptibles d'être utilisés dans un contexte de prévision de crues.

Nous avons d’abord étudié les rôles de la variabilité interne (telle que l’IPO) et des forçages externes dans le refroidissement régional dans la zone d’upwelling du Pérou-Chili et les mécanismes associés. Les résultats montrent que l’expansion de la cellule de Hadley dans l’hémisphère Sud en réponse aux forçages anthropiques est un résultat robuste dans nos grands ensembles d’attribution du modèle IPSL-CM5A et les observations et est responsable de l’intensification de l’upwelling depuis les années 80s. Celle-ci se traduit par une intensification des alizés et de l’upwelling le long des côtes Chiliennes et un approfondissement de la couche de mélange qui s’oppose régionalement au signal de réchauffement climatique dans le Pacifique Sud-Est. La fenêtre d’observation instrumentale restreinte limite néanmoins notre compréhension du rôle de la dynamique naturelle dans les changements observés. Nous proposons dans la seconde partie une méthode d’assimilation de données dans le modèle de l’IPSL permettant de reconstruire la variabilité naturelle passée. Ce type de méthode est confronté à un problème de dégénérescence associé à la résolution d’un problème de grande dimension avec un nombre de particules restreint. Pour lever ce verrou un filtre particulaire avec ré-échantillonnage est proposé, utilisant un émulateur statistique du modèle de l’IPSL (LIM) comme modèle d’intégration. La validation de cette nouvelle méthode baptisée SIR-LIM permet aujourd’hui d’envisager la reconstruction de la variabilité climatique des siècles passés par l’assimilation d’observations et de proxys dans les modèles de classe CMIP tout en préservant la cohérence physique le long de la simulation
Using large ensembles of IPSLCM5A model simulations, we first investigate the roles of internal variability (and in particular the IPO) and external forcing in driving recent Peru-Chile regional cooling. The simulations reproduce the relative cooling, in response to an externally-forced southerly wind anomaly, which strengthens the upwelling off Chile in recent decades. This southerly wind anomaly results from the expansion of the Southern Hemisphere Hadley Cell in response to increasing greenhouse gases and stratospheric ozone depletion since ~1980. An oceanic heat budget confirms that the wind-forced upwelling dominates the cooling near the coast while a wind-forced deepening of the mixed layer drives the offshore cooling, irrespectively of the IPO phase, hence indicating the preeminent role of external forcing. Constraining the climate sensitivity from observations remains however fraught with uncertainties due to the limited instrumental window of observation. In a second part, a data assimilation method is developed to reconstruct past natural variability relying on a particles filter using CMIP-class climate models. Such method is confronted with a problem of degeneracy associated with the resolution of a large problem with a limited number of particles. This issue has been resolved using a statistical emulator of the IPSL model (LIM) as an integration model in a particle filter with resampling. The validation of this new method, called SIR-LIM, allows the reconstruction of the climate variability of the past centuries by assimilating observations and proxy records into a CMIP-class coupled model while preserving the physical coherence along the simulation

L'objectif de ce travail est d'expliquer les bandes nuageuses precipitantes observees pendant la campagne de mesures fronts 87 et d'evaluer la pertinence de l'instabilite symetrique pour les expliquer. Deux situations particulieres ont ete etudiees: les poi 2 et 7 (phase d'observation intensive). Dans la poi 2, il a ete possible de simuler l'instabilite symetrique humide dans un cadre bidimensionnel simplifie. Un cycle de vie complet a ete obtenu: il a mis en evidence un temps d'accroissement tres long (11 heures). Par consequent, l'interaction entre l'instabilite symetrique et le forcage de grande echelle a ete etudiee, ce qui n'avait jamais ete fait auparavant. Il apparait que l'action du forcage domine: l'ish est masquee soit par des declenchements convectifs, soit par la circulation ageostrophique de grande echelle. Ainsi, un resultat important de ce travail est que l'instabilite symetrique n'est pas un bon candidat pour expliquer les bandes precipitantes observees dans les fronts. Dans la poi 7, des simulations numeriques bidimensionnelles et tridimensionnelles ont ete effectuees. Ce travail a mis en evidence une bande precipitante post-frontale de type bande large de front froid. Sa formation a pu etre expliquee dans le cadre de la theorie de l'ajustement inertiel a une anomalie de moment pseudo-angulaire. Dans ce scenario, c'est la convection frontale qui injecte de l'air de moment faible en altitude, puis cet air subit un ajustement, sous la forme d'une ascendance oblique, qui le ramene dans un environnement de moment identique au sien. Ce processus d'ajustement explique bien les circulations a meso-echelle et la distribution du tourbillon potentiel equivalent

L'estimation des precipitations dans les systemes convectifs tropicaux d'apres la seule mesure du facteur de reflectivite radar est etudiee a partir d'un ensemble de donnees collectees en afrique sahelienne et equatoriale, dans le cadre du programme cooperatif epsat (etudes de precipitations par satellite). Ces donnees sont les mesures du radar numerise de niamey, d'un reseau de pluviographes couvrant un degre carre a l'est de niamey et des mesures de spectres granulometriques de gouttes de pluies. Il est montre que dans les pluies tropicales, les distributions de taille de gouttes sont compatibles avec le concept d'equilibre entre les processus de coalescence et de fractionnement. Ces distributions sont caracterisees par 5 pics dont la position et l'amplitude sont influencees par l'intensite de pluie r. L'expression analytique des distributions a l'equilibre est fonction du seul parametre r. Pour les pluies a l'equilibre, le facteur de reflectivite radar z et l'intensite sont lies par une fonction lineaire. Les precipitations tropicales peuvent etre decrites avec seulement deux relations applicables aux valeurs de z situees de part et d'autre du seuil d'equilibre. La methode consistant a estimer les pluies tropicales a partir de la seule mesure du facteur de reflectivite radar, en utilisant ces 2 relations, appliquee a un ensemble de cas d'observation de ligne de grain, donne de bons resultats

La grande variabilite de l'intensite et des caracteristiques structurales des precipitations est l'une des difficultes majeures rencontrees dans la parametrisation des champs de pluie. Notamment les distributions de tailles des cellules de pluie sont encore tres mal connues. L'objet principal de la presente etude est decrire et discuter la distribution statistique de la taille des cellules de pluie composant les systemes de precipitations tropicaux et des latitudes moyennes a partir d'une base des donnees radar numerisees, puis d'utiliser les resultats pour une estimation de pluie a l'aide d'une methode a seuil. Pour traiter les images radar, un logiciel de determination des contours des cellules pour differents taux de pluie a ete developpe. On montre que la distribution du nombre de cellules en fonction de la taille pour differents seuils de taux de pluie, peut etre representee par une relation de forme exponentielle. On trouve que la pente des distributions est peu dependante du seuil considere. On montre que la taille moyenne des cellules est peu dependante du seuil d'intensite. On observe aussi que 90% des cellules ont un diametre inferieur a 5 km. Enfin on presente une approche originale de l'estimation de l'intensite moyenne des pluies sur une aire a partir de l'observation de la distribution de tailles des cellules de pluie dans l'aire d'observation consideree. On montre en effet qu'il existe une relation analytique simple entre et les parametres de la distribution de taille des cellules. On suggere que cette relation peut conduire a une methode utilisable pour estimer les precipitations depuis une plate-forme spatiale