Offre de thèse à l'Uni Nice sur la variabilité climatique et les évènements hydrométéorologiques
Proposition de sujet de thèse 2018 (Université de Nice, Campus Azur) : Variabilité climatique et évènements hydrométéorologiques extrêmes : que nous apprennent les reconstructions de débits sur les 150 dernières années?
Le financement de cette thèse dépend de la sélection finale de l'école doctorale SFA, dont la procédure de sélection est décrite ici : http://www.ed-sfa-unice.fr/?q=content/th%C3%A8se-sur-contrat-%C3%A9tablissement
Les candidatures des étudiants intéressés sont attendues avant le 22 mai 2018.
Directeur de thèse : Sébastien MIGEON / Unité de recherche Géoazur UMR 7329 / Téléphone 04.83.61.87.44 / Courriel : migeon@geoazur.unice.fr
Co-Directeur de thèse : Pierre BRIGODE / Unité de recherche Géoazur UMR 7329 / Téléphone 04.92.96.50.26 / Courriel : pierre.brigode@unice.fr
Laboratoire d'accueil : Géoazur UMR 7329 Campus Azur CNRS 250 rue Albert Einstein Sophia Antipolis 06560 VALBONNE - France
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Description du sujet
Depuis quelques années, plusieurs centres météorologiques produisent de longues réanalyses atmosphériques afin d’étudier la variabilité du climat global sur les 150 dernières années. Ces réanalyses sont principalement produites à partir d’observations de pression atmosphérique et de température des océans, observations qui sont assimilées par un ou plusieurs modèles climatiques afin de simuler l’évolution passée de l’atmosphère terrestre. De tels projets permettent notamment de reconstituer des épisodes météorologiques bien connus car particulièrement dévastateurs mais jusqu’à présent peu étudiés par les météorologues du fait d’absence de séries continues et de bonne qualité d’observations météorologiques.
Récemment, ces réanalyses ont été utilisées par des hydrologues pour tenter de reconstituer des longues séries de débits de rivière, par exemple de la Durance (Kuentz, 2013) ou bien de la Grande Rivière au Québec (Brigode et al., 2016). Les séries de débits ainsi reconstituées permettent d’analyser la variabilité hydrologique des bassins versants étudiés à l’échelle multi-décennale. Travailler à une telle échelle temporelle était auparavant impossible pour les hydrologues, du fait des courtes périodes d’enregistrements continus des débits. En effet, les séries temporelles de débits, base de tous calculs hydrologiques, sont généralement constituées de quelques années à plusieurs décennies d’enregistrements continus. Ces courtes durées sont une source d’incertitude majeure pour les hydrologues, car elles ne permettent pas de « capturer » les variabilités décennales des processus hydrologiques. Après avoir analysé une série de débits du fleuve Po (Italie) longue de 90 ans et mis en évidence une variabilité naturelle significative des débits à l’échelle décennale, Montanari (2012) affirme ainsi qu’il est nécessaire d’améliorer notre compréhension de telles variations hydrologiques long-terme. Les reconstitutions hydrologiques basées sur les réanalyses atmosphériques offrent donc des perspectives particulièrement intéressantes et innovantes pour quantifier de manière robuste la variabilité hydro-climatique multi-décennale des bassins versants (Dayon, 2015). Les enjeux opérationnels associés sont multiples, notamment pour améliorer la gestion long-terme de la ressource en eau (planification de la production hydroélectrique, usages de l’eau, etc.) et la caractérisation des aléas hydrologiques extrêmes (crues et étiages). Si des reconstitutions hydrologiques ont été récemment réalisées en France pour étudier les étiages (Caillouet et al., 2016), la reconstitution de crues a pour l’instant été peu étudiée par les hydrologues et soulève pourtant des perspectives intéressantes de meilleure compréhension des mécanismes générateurs de crues et donc d’amélioration de la modélisation de ces épisodes extrêmes.
Le travail de thèse proposé vise à développer une méthode de reconstitution de débits des bassins versants axée sur la reconstitution de crues. Cette méthode sera à construire à partir des méthodes de reconstitution existantes dans la littérature et d’ores et déjà utilisées par l’équipe d’accueil et se basera sur les longues réanalyses atmosphériques disponibles, telles que celle produite par la NOAA (l’agence américaine d'observation océanique et atmosphérique) de 1851 à nos jours, et sur l’utilisation de modèles pluie-débit, permettant de transformer des séries continues de pluies et de températures en série continue de débits.
La première étape du travail de thèse sera de constituer une base de données de plusieurs bassins versants aux caractéristiques différentes, notamment en terme de types de crues (crues éclairs observées en région méditerranéenne, crues plus lentes liées à de longs épisodes pluvieux, crues de fonte des neiges). Une attention particulière sera portée sur la considération de bassins versants sur lesquels des informations sur des crues historiques sont disponibles. Ces informations seront de différentes formes et pourront être constituées de données hydrométriques historiques (e.g. hauteurs atteintes lors de crues particulières), de reconstitutions à partir de carottes sédimentaires, ou bien de données qualitatives (e.g. dates de crues à forts impacts). Enfin, le choix des bassins versants étudiés sera réalisé en fonction des grandes crues emblématiques des dernières décennies afin de reconstituer les principales crues historiques françaises (crue de 1910 sur le bassin de la Seine, crues de 1856 et 1866 sur le bassin de la Loire, crue de la Garonne en 1875, crues de 1869, 1886 et 1888 en Corse, crue du Paillon à Nice en 1940, etc.).
La méthode de reconstitution sera ensuite appliquée et testée sur chacun de ces bassins versants, et les performances de reconstitution des crues seront alors évaluées grâce à une analyse de sensibilité. Les séries temporelles de débits reconstitués seront en effet comparées aux séries de débits observés disponibles et des dates de crues historiques afin d’évaluer la performance de la méthode de reconstitution grâce à différents critères statistiques (fréquence de crue, pics simulés, dynamiques des crues, etc.). Une analyse par typologie de crues permettra de plus de discuter des performances de la méthode en fonction des mécanismes de genèse de crues et donc de vérifier que la méthode est capable de reproduire différents types de crues.
La dernière partie du travail de thèse sera de quantifier les apports de ces reconstitutions en termes de compréhension des mécanismes générateurs de crues, et également en terme d’analyse fréquentielle des crues. La reconstitution sur plusieurs bassins versants différents permettra ainsi de discuter des conditions météorologiques favorables à la genèse de tels épisodes, et de quantifier de potentiels changements dans la fréquence et l’intensité de ces situations. Les longues séries seront également utilisées pour discuter de la variabilité temporelle de l’aléa crue et donc des quantiles de débits utilisés pour le dimensionnement d’ouvrages hydrauliques. Des quantiles particuliers, tels que les débits de période de retour 10 ou 100 ans, seront ainsi calculés grâce aux longues séries et comparés avec ceux calculés sur la période récente d’observations. Ces comparaisons permettront de quantifier l’incertitude liée à la non prise en compte de la variabilité long-terme des crues et plus généralement du concept de stationnarité des valeurs extrêmes. Enfin, ces longues reconstitutions hydrométéorologiques seront utilisées dans un contexte plus large d’aléas géologiques, en les confrontant avec des chronologies de glissement de terrain ou d’apports sédimentaires importants afin de mettre en évidence d’éventuels mécanismes déclencheurs de ces évènements.La dernière partie du travail de thèse sera de quantifier les apports de ces reconstitutions en termes de compréhension des mécanismes générateurs de crues, et également en terme d’analyse fréquentielle des crues. La reconstitution sur plusieurs bassins versants différents permettra ainsi de discuter des conditions météorologiques favorables à la genèse de tels épisodes, et de quantifier de potentiels changements dans la fréquence et l’intensité de ces situations. Les longues séries seront également utilisées pour discuter de la variabilité temporelle de l’aléa crue et donc des quantiles de débits utilisés pour le dimensionnement d’ouvrages hydrauliques. Des quantiles particuliers, tels que les débits de période de retour 10 ou 100 ans, seront ainsi calculés grâce aux longues séries et comparés avec ceux calculés sur la période récente d’observations. Ces comparaisons permettront de quantifier l’incertitude liée à la non prise en compte de la variabilité long-terme des crues et plus généralement du concept de stationnarité des valeurs extrêmes. Enfin, ces longues reconstitutions hydrométéorologiques seront utilisées dans un contexte plus large d’aléas géologiques, en les confrontant avec des chronologies de glissement de terrain ou d’apports sédimentaires importants afin de mettre en évidence d’éventuels mécanismes déclencheurs de ces évènements.
