Collecte et analyse de données et informations hydrologiques et hydrométéorologiques sur les crues-éclair en région méditerranéenne
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Ministère de l’Ecologie et du Développement durable
Programme RIO2
Collecte et analyse de données et informations hydrologiques et
hydrométéorologiques sur les crues-éclair en région
méditerranéenne
Rapport final
G. Delrieu, E. Gaume, M. Livet, H. Andrieu
Avril 2004
1
Chapitre 1
Le réseau de mesure hydrométéorologique de la région Cévennes Vivarais
Collecte et validation des données
Ce chapitre constitue une version résumée du rapport d’avancement remis par le LTHE,
complété par un résumé du rapport intermédiaire remis par le LCPC. Il aborde
successivement les mesures de précipitations, pluviométriques et radar, la critique et
validation de ces deux types de mesures des précipitations et ensuite les mesures
hydrométriques.
1. LA MESURE DES PRECIPITATIONS
Le réseau pluviométrique
Les données pluviométriques de la zone Cévennes- Vivarais proviennent de trois organismes
qui ont réparti selon leurs lieux d'intérêt des stations pluviométriques sur l'ensemble de la
région. La DDE de l'Ardèche possède 30 stations, la DDE du Gard a installé 24 stations sur
les bassins des Gardons et 7 sur le bassin du Vistre et la ville de Nîme. Météo France gère 139
stations dans les départements de l'Hérault, du Gard, du Vaucluse, de la Lozère, de l'Ardèche,
de la Drôme et de la Haute-Loire. Le réseau est donc composé de 200 stations au total, avec
en fait 160 appareils dans la fenêtre principale, soit une densité moyenne d'un pluviomètre par
200 km2. Les capteurs au sol sont actuellement des pluviomètres à augets basculeurs, la base
de temps commune de ces appareils est le pas de temps horaire, même si certains d'entre eux
fournissent des mesures ayant une meilleure résolution (6 minutes).
Les radars météorologiques
Sur les Cévennes, le réseau auquel nous nous intéressons est composé des deux radars bande
S: Nîmes et Bollène qui présentent un intérêt majeur pour la surveillance de la région: le radar
de Nîmes couvre les bassins versants des Gardons, du Vidourle et de l'Hérault et le radar de
Bollène a pour but d'améliorer la couverture des bassins de l'Ardèche et de la Cèze. Le
balayage actuel de la région consiste en une série de trois balayages panoramiques (PPI) à
trois angles de site différents à partir desquels une image cartésienne d'intensités pluvieuses
est élaborée toutes les cinq minutes (domaine de 512 x 512 km, maille de 1 km2). La mesure
de la pluie radar est une mesure indirecte sujette, à cinq principales sources d'incertitude sur
les mesures des précipitations par radar météorologique.
L'étalonnage du radar consiste en un ensemble de réglages et de mesures visant à s'assurer
que les différents éléments du radar fonctionnent selon les spécifications du constructeur. Un
mauvais étalonnage ou une variation des paramètres du radar au cours du temps provoque une
erreur systématique sur l'estimation des réflectivités et donc sur l'intensité pluvieuse.
Echos fixes et masques: Tout obstacle rencontré par le faisceau radar intercepte et diffuse une
partie de l'énergie. En particulier l'interception du relief lors du balayage horizontal se traduit
par des zones d'échos constantes et indésirables appelées zones d'échos fixes. Au delà du
relief, la partie du faisceau interceptée n'est plus disponible pour la mesure. Dans ces zones
dites de ``masques'', les précipitations sont sous-estimées
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Structure verticale de la pluie: L'onde radar se propage d'abord sous la forme d'un faisceau
cylindrique de diamètre égal à celui de l'antenne. Au delà d'une certaine distance, les effets de
diffraction vont ouvrir le faisceau. De part cette ouverture du faisceau, le volume de
résolution (volume de mesure autour de la cible) augmente avec la distance: le diamètre du
faisceau peut ainsi atteindre plus de 2 km au bout d'une centaine de kilomères du radar.
L'inhomogénéité de la distribution des particules réfléchissantes (pluie, neige, grêle...), entre
le haut et le bas du faisceau pour cette distance, complique l'interprétation de la mesure des
réflectivités.
Relation liant la réflectivité radar à la pluie: La relation Z-R dépend de la distribution
granulométrique de la pluie mesurée. Il est donc tout d'abord nécessaire de connaître le type
de précipitation que l'on mesure puis d'utiliser des coefficients moyens car au sein d'un même
épisode, la distribution granulométrique évolue. On ne peut donc pas représenter précisément
le type de précipitation, ce qui engendre des erreurs.
200
Figure 1.1 : Le réseau de mesure
pluviométrique et radar de la zone 196
)m
Cévennes-Vivarais k(
u
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2
66 70 74 78 0
Lambert II étendu
2. LES EPISODES PLUVIEUX :
Les épisodes pluvieux étudiés s'échelonnent sur les deux années 2000 et 2001. Les données
pluviométriques disponibles recouvrent l'ensemble de la période septembre-décembre, la plus
pluvieuse de chaque année. La base de données radar possède les principaux épisodes de cette
saison.
Dans un premier temps l'accent a été mis sur l'analyse des données de l'année au pas de temps
horaire. Puis nous nous sommes intéressés à l'estimation des cumuls des épisodes pour les
années 2000 et 2001. Afin de bien comprendre l'évolution de notre démarche nous présentons
ici les différents épisodes sélectionnés pour une comparaison au pas de temps horaire et sur
des cumuls de 8 heures.
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Episodes sélectionnés pour les années 2000 et 2001
Les épisodes pluvieux sélectionnés pour les années 2000 et 2001 sont rappelés dans le tableau
1. Sept épisodes pluvieux significatifs, soit 130 heures de pluie ont été retenus en 2000 . Huit
épisodes pluvieux regroupant 88 heures de pluie constituent l’échantillon 2001. Il contient de
noter l’épisode des 6 et 7 octobre 2001 qui a produit de 250 à 350 mm de pluie en 6 heures au
voisinage de Sommières.
dates durée
19/09/2000 de 5h à 21h 16h
20/09/02000 de 12h à 20h 8h
28/09/2000 de 8h à 19h 35h
12/10/2000 de 12h à 21h 9h
13.14/10/2000 de 11h à 3h 16h
5.6/11/2000 de 19h à 7h 12h
12.13/11/2000 de 10h à 21h 35h
23/09/2001 de 7h à 23h 16h
29/09/2001 de 6h à 22h 16h
3/10/2001 de 16h à 24h 8h
6.7/10/2001 de 16h à 8h 16h
9/10/2001 de 11h à 19h 8h
18/10/2001 de 7h à 15h 8h
19.20/10/2001 de 21h à 13h 16h
Tableau 2.1 : liste des évènements pluvieux collectés en 2000 et 2001
3. ELABORATION DU PROCESSUS DE VALIDATION DES MESURES RADAR
La validation des données passe par la mise en place d'une chaîne de programmes visant à
prendre en compte la spécificité des données pluviométriques et radar. L'objectif étant de
pouvoir comparer les deux estimations des précipitations sur une zone commune à un pas de
temps commun.
Spatialisation des données au sol
La mesure ponctuelle imposée par les pluviomètres nécessite la spatialisation des données. On
choisit pour cela la méthode du krigeage qui rend compte de la variabilité statistique spatiale
des mesures. Le krigeage est une méthode d'interpolation statistique. La valeur interpolée est
une combinaison linéaire des valeurs observées où les coefficients, ou poids d'interpolation,
dépendent de la corrélation entre les différents points de l'espace. Cette corrélation est
représentée par le variogramme qui tient compte de la distance séparant le point interpolé des
autres points. On doit déterminer pour chaque événement le variogramme représentatif de la
structure spatiale. Le krigeage étant une méthode statistique, on gagnera en robustesse en
utilisant l'ensemble des données pour déterminer les variogrammes. On utilise donc
l'ensemble des événements au pas de temps voulu (1h ou 8h) pour créer un variogramme
climatologique représentatif de la structure de la pluie sur la région. Le variogramme
climatologique est un variogramme moyen dont le palier est normé, on obtient un
variogramme pour chaque événement en dénormant la valeur du palier par l'écart type du
champs.
Elaboration des données radar
Les programmes d'élaboration des données radar ont été réalisés par Dominique Faure,
intervenant extérieur au LTHE dans le cadre de l'OHM-CV. Cette élaboration étant un
maillon de la chaîne de traitements des données, il nous a semblé utile d'en expliquer
rapidement le procédé.
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Les données fournies par Météo France sont des données de reflectivité qui ont subi en amont
un prétraitement permettant en particulier une composition pour chaque image des trois sites
de mesures ainsi qu'une procédure d'élimination des échos fixes.
Une première étape consiste simplement à extraire et projeter les données radar sur la fenêtre
OHM-CV. On peut donc en sortie visualiser les réflectivités au pas de temps 5min.Les deux
cartes représentées permettent déjà de mettre en évidence la cohérence des mesures entre les
deux radars. La morphologie globale de la pluie est très ressemblante. On constate aussi que
le radar de Nîmes ne semble pas voir la pluie détectée au Nord par le radar de Bollène.
Une deuxième étape permet le passage entre réflectivité et intensité pluvieuse par
l'intermédiaire de la relation Z-R. dont les paramètres sont modifiables. Nous avons choisi
dans un premier temps la relation de Marshall-Palmer qui caractérise habituellement les pluies
stratiformes: Z=200.R1.6. Les données au pas de temps 5 minutes sont ensuite cumulées sur
une heure. Les grilles de valeurs ainsi obtenues pour Nîmes et Bollène sont donc l'équivalent
radar des grilles obtenues précédemment par krigeage. On constate de façon générale que la
morphologie de l'événement est globalement bien respectée entre les trois cartes et, une
nouvelle fois, que les fortes intensités de la partie nord de la fenêtre ne sont pas totalement
représentées par le radar de Nîmes.
Prise en compte des incertitudes des mesures pluviométriques et radar
Avant de comparer les données, il est important de considérer les éventuels facteurs pouvant
influencer la qualité des grilles radar et pluviométriques.
Le réseau de pluviomètres n'est bien entendu pas un réseau régulier, il induit donc une
incertitude d'interpolation lors du krigeage qu'il faut prendre en compte. Le logiciel de
krigeage permet de sortir les cartes d'écart type d'estimation. Le choix d'une valeur seuil
d'écart type permet de définir une zone de confiance où l'interpolation peut être considérée
comme valable.
Prise en compte des échos fixes et des masques des images radar : Les images radar utilisées
ont subi un traitement d'élimination des échos fixes fondé sur la variance du signal radar. Un
des objectifs du travail est de voir si cet éliminateur est suffisant pour traiter correctement les
images. Il est donc nécessaire d'identifier les zones d'échos fixes et les masques induits
préalablement au calcul des critères statistiques. Afin de déterminer les zones d'échos fixes et
de masques, nous avons eu recours à une modélisation purement numérique grâce au logiciel
Surfillum' développé au LTHE. Le modèle Surfillum permet de simuler à partir d'un modèle
numérique de terrain les échos fixes et masques d'un radar. Surfillum prend donc en compte
les caractéristiques du modèle numérique de terrain pour calculer l'angle d'incidence du
faisceau sur le relief et détermine l'énergie interceptée par les surfaces à partir de fonctions de
pondération. Au delà des cibles rencontrées, Surfillum prend en compte la partie manquante
du faisceau intercepté et met ainsi en évidence les zones de masque en terme de pourcentage
de faisceau masqué.
4. COMPARAISON DES DONNEES RADAR ET DES DONNEES AU SOL
Les grilles radar et pluviométriques obtenues lors de l'élaboration des données sont
homogènes d'un point de vue temporel (les données sont des cumuls pluvieux horaires ou sur
8 heures et les épisodes d'étude sont les mêmes) et d'un point de vue spatial (grilles de
résolution 1km2 sur la fenêtre OHM-CV) on peut donc aisément les comparer.
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a) Critères de comparaison :
Notre comparaison est principalement basée sur des critères statistiques calculés avec les
valeurs de la grille. Six critères statistiques vont servir à valider les mesures radar :
- Le critère de biais est le rapport de la moyenne de la pluie au sol sur la moyenne de la
pluie radar. Il permet de rendre compte des surestimations ou sous-estimation des
mesures radar.
- La corrélation R entre la pluie au sol et les mesures radar rend compte de la bonne
variation des valeurs radar avec les valeurs pluviométriques. On utilise plus
spécifiquement le coefficient de détermination R2. L'erreur relative quantifie les écarts
entre les valeurs radar et les valeurs au sol.
- Le critère de Nash permet d'ajouter à la corrélation la prise en compte du biais par
rapport au cumul moyen au sol.
- Un autre critère spécifique au radar permet d'évaluer un éventuel défaut d'étalonnage
du radar.
La sélection des points pour le calcul des critères va dépendre des résultats que l'on cherche à
obtenir. La première application des calculs est destinée à connaître les critères pour les
données de chaque épisode carte par carte (pas de temps horaire ou 8 heures). Des nuages de
points peuvent être tracés dans ce cas pour visualiser la corrélation. La seconde application
consiste à connaître ces critères sur un ensemble d'épisodes choisi. On peut ainsi calculer les
critères sur un plus grand nombre de données et gagner en robustesse. La troisième
application permet la réalisation de cartes des critères sur la fenêtre OHM-CV. En calculant
les critères pixel par pixel sur un ensemble des données.
Enfin, afin de pouvoir prendre en compte les erreurs de chacune des deux mesures , il est
intéressant de pouvoir sélectionner une zone d'étude. Le programme de comparaison permet
donc de sélectionner les points en fonction de l'écart type d'estimation du krigeage, des zones
d'échos fixes et des zones de masques.
b) Analyse des résultats au pas de temps horaire
L'étude du pas de temps horaire fut une première approche de la comparaison entre les
mesures radar et les mesures au sol. S'il fut choisi, rapidement après les premiers résultats, de
se consacrer plus spécialement aux cumuls des épisodes, le pas de temps horaire nous a
permis de cerner les principales problématiques liées à la mesure radar. L'intérêt de ce pas de
temps réside avant tout dans le nombre de données disponibles permettant d'obtenir des
résultats robustes (131 événements horaires pour l'année 2000).
Comparaison radar-radar
Avant même de considérer la comparaison entre la pluie au sol et la pluie radar, nous avons
comparé, sur l'ensemble des événements horaires de l'année 2000, les estimations des
précipitations entre les radars de Nîmes et de Bollène. Le critère de biais cartographié sur
l'ensemble de la fenêtre permet de différencier les zones de visibilité de chaque radar. En
particulier on constate que les valeurs mesurés les plus ressemblantes entre Bollène et Nîmes
(biais autour de 1), se situent plutôt sur la partie Sud-Est de la fenêtre. Sur la partie Sud-Ouest
les estimations de Bollène sont bien inférieures à celles de Nîmes, effet qui s'inverse sur la
moitié Nord de la carte. On peut donc déjà affirmer que le radar de Bollène complète la zone
de visibilité au Nord très difficilement couverte par le radar de Nîmes. La carte de biais met
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donc en évidence des difficultés d'observation des radars lorsque les zones de mesure sont
éloignées. On peut relier ce constat aux effets de structure verticale de la pluie qui
apparaissent pour de grandes distances de mesure ainsi qu'à la présence du relief induisant
zones de masques. En revanche il serait hâtif de conclure sur une éventuelle quantification de
la qualité relative des mesures de chaque radar sur les zones identifiées car on ne sait pas si
l'étalonnage des radars est le même pour Nîmes et Bollène.
La carte de comparaison entre les deux radars présente quelques structures singulières qui
peuvent être associées à la présence d'échos fixes et de masques. En particulier la présence de
points isolés de fort ou faible biais dans des zones de visibilité communes semblent
correspondre avec les premiers reliefs du massif.
En outre chaque radar présente dans un rayon proche (10 à 20km) un biais indiquant une
surestimation des mesures. Les radars ne sont pas éloignés donc devraient mesurer la même
intensité l'un sur l'autre. En outre l'absence de relief autour des radars exclut un écho de sol. Il
doit donc y avoir des facteurs d'influence de la mesure autre que le relief autour de chaque
radar.
Comparaison radar-pluviomètres
Afin de confirmer et affiner ces remarques, il s'avère nécessaire de ne plus comparer
seulement les radars entre eux mais de prendre la mesure au sol comme référence de
comparaison indépendamment pour chaque radar. Lorsque l'on compare les cartes krigées aux
cartes radar par le critère de biais, les résultats sont éloquents.
La mise en évidence des échos fixes et des masques est quasiment immédiate. En particulier
la comparaison pour Bollène présente des points isolés de forts biais semblant dessiner les
crêtes du relief et la structure linéaire de la partie Nord s'accorde avec la forme des masques
modélisés par Surfillum. On peut d'ailleurs aussi vérifier que les échos de sol simulés
correspondent bien aux points singuliers identifiés. Dans le cas de Nîmes, on distingue les
points d'échos fixes au milieu de forts biais caractérisant déjà la présence de masques au delà
du deuxième site de mesure. Il reste tout de même une zone de faible biais autour des
antennes que nous avions repérée lors de la comparaison radar-radar. Dans un rayon proche
du radar, là où la visibilité devrait être bonne, les précipitations sont surestimées, notamment
pour Bollène dont la mesure est fortement biaisée sur un rayon d'une vingtaine de kilomètres.
Les facteurs influençant la mesure doivent être des obstacles purement anthropiques qui
créent des zones d'échos fixes qui ne sont pas représentés dans la modélisation de Surfillum. Il
est vrai que l'environnement du radar de Bollène en particulier, est fortement anthropisé et se
caractérise par de grosses structures telles que l'autoroute A7 ou les centrales hydroélectriques
de la Compagnie Nationale du Rhône et la centrale nucléaire de Tricastin.
Les problèmes de structure verticale de la pluie aux grandes distances sont à nouveau
repérables et les valeurs de biais éloignées sont encore augmentées par les masques, mais à
ces effets s'ajoute une incertitude non négligeable du krigeage si l'on en croît la position de
l'écart type de référence à 45% dessiné sur les cartes. On remarque notamment pour les deux
radars une zone de sous-évaluation commune au Sud-Est, qui n'est pourtant ni éloignée, ni
masquée mais qui possède peu de pluviomètres. Cette zone est donc tributaire des difficultés
de spatialisation des données du réseau pluviométrique. Les autres critères présentent souvent
les mêmes singularités et permettent encore une fois de mettre en évidence les masques et les
échos associés à chaque radar. Certains sont très sensibles à l'inhomogénéité du réseau comme
la corrélation ou le critère de Nash.
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Cette première série de résultats sur le pas de temps horaire a permis d'identifier et localiser les zones de mesures biaisées par le relief et les effets de distance. Les échos fixes, qui semblaient absents des cartes au pas de temps cinq minutes, sont mis ici en évidence par l'assemblage des données. Il apparaît donc que l'éliminateur d'échos fixes seul ne suffit pas à s'affranchir de l'influence des cibles parasites. L'effet des masques est très facilement repérable en particulier pour Nîmes dont les difficultés de mesure pour le troisième site influent sur une estimation correcte dans la partie Nord de la carte. c) Etude des cumuls des épisodes Les données horaires sont nombreuses donc présentent le sérieux avantage de fournir des statistiques robustes. Mais l'exploitation de l'ensemble des critères calculés heure par heure est difficile car très dense. Afin de faciliter l'analyse des résultats, nous avons donc recentré notre étude sur l'estimation par les radars des cumuls des épisodes. Si cette orientation permet de synthétiser les données, elle apparaît aussi comme nécessaire à l'évaluation de la qualité des mesures radar. Nous devons en effet savoir, avant même de connaître la qualité d'estimation à des pas de temps fins, si les précipitations cumulées sur des pas de temps plus élevés sont correctement estimées par les radars. Il nous a donc fallu chercher un pas de temps permettant de représenter correctement les épisodes disponibles. La durée de 8 heures semblait adaptée pour partager les longs épisodes et représenter correctement les plus courts. En revanche, il ne faut pas chercher de signification hydrologique à cette durée. Etude qualitative d’épisode du 19 Septembre 2000 (figure 4.1) Cet épisode fait partie des plus intenses pour l'année 2000, il se caractérise par la formation de pluie sur la moitié Est de la fenêtre et les plus fortes intensités suivent la diagonale en bordure des premiers reliefs des Cévennes ou se situent dans le proche Nord du massif. Pour la carte de la pluie au sol, on distingue nettement les popriétés d'interpolateur du krigeage par les formes lissées des intensités. En revanche les cartes radar ont des formes plus irrégulières, on peut notamment voir la présence de stries montrant le déplacement des cellules pluvieuses au cours de l'épisode. Il est important de signaler qu'à ce stade, aucune procédure d'advection n'a été mise en oeuvre afin de ne pas risquer d'advecter les échos fixes. La comparaison des cartes permet ensuite de signaler la bonne similitude de la morphologie d'ensemble de l'épisode. Celle-ci est respectée pour les deux radars et pour les pluviomètres. Pour la carte de la pluie au sol, la forme étirée le long du relief justifie l'application du krigeage anisotrope. La densité du réseau sur les zones pluvieuses permet de distinguer nettement les deux principaux foyers intenses très distincts sur la carte de Bollène et un peu moins visibles sur la carte de Nîmes. La comparaison des deux cartes radar confirme les résultats obtenus grâce aux données horaires. L'épisode est dans un rayon proche du radar de Bollène (
Figure 4.1 : Comparaison radar-radar et radar pluviomètres pour l’évènement du 19/09/2000
Les pluviomètres qui sont une référence en terme d'intensité locale, ne permettent pas de
représenter correctement la morphologie spatiale de la pluie au delà du réseau. Tandis que les
radars permettent une bonne représentation de la forme des épisodes mais leur zone de
visibilité est limitée et les intensités pour les données choisies ne s'accordent pas toujours avec
la référence au sol. Ce dernier point justifie donc de préciser les éventuels problèmes
d'étalonnages étudiés dans la partie suivante.
Mise en évidence des problèmes d'étalonnage
Avec les données cumulées, nous avons souhaité traiter en priorité les éventuels problèmes
d'étalonnage des radars et du choix de la relation Z-R qui peuvent fortement modifier les
valeurs de précipitations déterminées par les radars.
Afin de traiter correctement cette partie de l'étude, il est nécessaire de limiter les données aux
zones où la mesure n'est pas influencée par le relief, la pression anthropique ou la distance.
Nous avons pour cela tiré profit des résultats obtenus au pas de temps horaire qui nous ont
permis la localisation précise des surfaces concernées.
L'étude des cumuls s'est donc restreinte aux zones
- exemptes de tout écho fixe et de masques supérieurs à 20%
- limitées par un écart type d'estimation de krigeage à 40%
9
- dans un rayon relativement proche des radars afin de limiter les effets de structure
verticale de la pluie.
La construction des masques permettant la sélection de ces zones pour chacun des radars a
donc pris en compte respectivement:
- les résultats de la simulation de Surfillum auquel on a ajouté l'élimination des échos
fixes « anthropiques » dans un rayon proche des radars (20 km autour de Bollène et 10
km autour de Nîmes)
- les cartes d'écart type d’estimation et une limitation à l'observation radar dans un
rayon de 80km autour de chaque radar (cette distance reste tout de même élevée
puisque la mesure peut encore être influencée par la structure verticale de la pluie,
mais dans le souci d'un échantillonnage suffisant, nous ne la diminuerons pas plus).
Les points d'intensité pluvieuse strictement nulle ont été écartés des calculs. La validation des
mesures radar sur l'estimation des cumuls pluvieux a été réalisée cumul par cumul.
Analyse des résultats
Les nuages de corrélation obtenus pour la zone d'étude sont ensuite tracés. On différenciera à
gauche et à droite les nuages de points comparant respectivement le radar de Bollène et le
radar de Nîmes à la pluie au sol, et au milieu le nuage de points comparant entre eux les deux
radars sur la totalité de la fenêtre (intensités nulles exclues). Enfin l'ensemble des résultats
numériques calculés sont disponibles dans un tableau.
Les nuages de points permettent dans un premier temps de tirer quelques informations
pertinentes. Le premier constat que l'on peut établir concerne la vision globale des résultats de
la comparaison des mesures entre chaque radar. Au delà de la cohésion des nuages qui n'est
pas toujours optimale puisque l'on considère toute la fenêtre pluvieuse, on remarque une
tendance de la droite de régression des nuages pour chaque année. En 2000 la droite de
régression tend vers une surestimation des mesures de Bollène par rapport au radar de Nîmes,
alors qu'en 2001, la tendance s'inverse et Nîmes semble plutôt surestimer par rapport à
Bollène.
Une modification du mode de mesure de l'un ou des deux radars entre les deux années a donc
dû être effectuée. Afin de mieux préciser les tendances, on peut se référer aux nuages de
points comparant les radars à la pluie au sol. L'étude des nuages de comparaison entre la pluie
radar et la pluie au sol, confirme la tendance observée précédemment.
On peut tout d'abord constater que plusieurs épisodes présentent une assez bonne corrélation
entre les précipitations radar et les précipitations au sol, mais qu'un biais est très souvent
perceptible pour les deux radars. Ainsi la pente de la droite de régression de Nîmes est très
semblable sur l'ensemble des épisodes 2000 et 2001, indiquant une certaine constance dans la
mesure du radar de Nîmes vers une tendance de franche sous-estimation des précipitations.
Pour Bollène, l'année 2000 se caractérise par quelques droites de pente proche de la première
bissectrice et une alternance de sur et sous-estimation plus ou moins forte des précipitations.
Pour l'année 2001 une tendance aigüe à la sous-estimation de la pluie est observée sur chaque
épisode. La régularité des observations sur le biais apparent des mesures semble indiquer des
erreurs constantes de chaque radar dans la mesure des précipitations.
10Avant d'évoquer l'allure des courbes, les valeurs moyennes du facteur d’étalonnage
permettent de confirmer le résultat pressenti concernant l'étalonnage des radars. Pour le radar
de Nîmes, les valeurs moyennes de 2000 et 2001 sont très proches, on ne peut donc pas
conclure sur un changement d'étalonnage du radar. En revanche les doutes sont permis pour le
radar de Bollène où le décalage entre l'année 2000 et 2001 est très fort.
On confirme aussi par ces valeurs moyennes, la constante sous-estimation de Nîmes sur les
deux années. Tandis que Bollène surestime légèrement les valeurs de pluie pour 2000 et sous
estime fortement la pluie sur l'année 2001. On remarque dans l'allure des courbes obtenues
une cofluctuation évidente des valeurs de Nîmes et de Bollène. Cette évolution commune
traduit le lien qu'il existe entre l'erreur d'étalonnage et la pluie elle même. En effet, si les
défauts d'étalonnage suivent les mêmes évolutions c'est parce qu'ils comparent une même
pluie sur des régions proches. La caractérisation de ces pluies par la relation Z-R unique
choisie (relation de Marshall-Palmer cf. 2.2.3) n'est donc pas toujours adaptée au type de
pluie. Cela se traduit pour Nîmes et Bollène par des variations cofluctuantes du coefficient
d'étalonnage. A la relation Z-R s'ajoute aussi certainement à nouveau les problèmes de
structure verticale de la pluie qui influencent les deux radars et participent à l'évolution
commune des défauts d'étalonnage.
Les valeurs moyennes de la différence permettent d'avoir un ordre de grandeur du décalage
entre l'étalonnage de Nîmes et de Bollène. On remarque alors comme on pouvait l'attendre
que le décalage est fort pour l'année 2000 et reste très faible en 2001. La mise en évidence des
défauts d'étalonnage permet de démontrer dans un premier temps la sous-estimation anormale
de Nîmes sur les années 2000 et 2001 et une modification de l'étalonnage de Bollène en début
2001, qu'il sera bon de vérifier auprès des services de Météo France.
Ces résultats donnent des pistes d'orientation pour approfondir la démarche suivie. En
particulier, il semble maintenant nécessaire d'évaluer l'influence de la relation Z-R sur la
mesure et continuer à quantifier cette influence par le critère d'étalonnage. Afin de
correctement réaliser ce travail, il sera utile de restreindre les surfaces d'étude à des zones
communes à Nîmes et Bollène pour lesquelles les problèmes de structure verticale de la pluie
seront minimisés.
5- Les mesures hydrométriques
La collecte des données limnimétriques des cours d’eau des départements de l’Ardèche et du
Gard a concerné les années 2000 à 2002. Les points de mesure sont à la charge des DIREN
d’une part et des Services d’Annonce des Crues d’autre part et concerne les bassins versants
suivants : Vidourle, Gard (et Gardons), Cèze, Ardèche et les bassins versants du Vivarais. La
liste des points de mesure est récapitulée dans le Tableau 5.1. Le travail s’est appuyé sur une
enquête auprès des producteurs de données et une visite de la plupart des points de mesure. Il
s’agissait de recueillir des informations sur chaque station hydrométrique et de collecter les
données hydrométriques de chaque station. Cette enquète auprès des gestionnaires de données
s’est concrétisée par l ‘établissement d’une fiche station pour chacune des stations
hydrométriques. Cette fiche station regroupe les principales caractéristiques de chaque
station : type de mesure, suivi de la station, commentaires éventuels du gestionnaire, zone de
fiabilité de la courbe de tarage, une photo du point de mesure, la (ou les) courbe de tarage et
sa zone de fiabilité. La critique et la validation des données s’est faite visuellement et par
comparaison aux données pluviométrique proches: i) en supprimant les valeurs visiblement
anormales, ii) en vérifiant la concomitance des pointes de pluie et des pointes de débit, iii) en
11vérifiant le cohérence des informations fournies par les différentes stations d’un même cours
d’eau. Ce travail de critique-validation ne constitue qu’une première étape qui ne permet pas
de porter un jugement sur la qualité de la mesure des débits. En effet, la zone de fiabilité des
courbes de tarage se limite souvent aux crues les plus faibles ; certaines stations de mesure ne
disposent que de courbes de tarage estimés. Les fiches stations regroupent les informations
permettant à l’utilisateur de sa faire une idée de la qualité des mesure disponibles. Le recueil
des données hydrométriques a été complété par un travail de documentation détaillé des
bassins versants : cartographie des bassins à l’aide des MNT, extraction du réseau
hydrographique qui est en cours. Il est cependant très clair qu’une validation plus approfondie
des données hydrométriques reste nécessaire. La modélisation hydrologique des bassins
versants et la comparaison des débits observés aux débits simulés contribue ainsi à la
validation des données.
Références bibliographiques
Bois, P., C. Obled, M.F. De Saintignon, and H. Mailloux, 1997: Atlas expérimental des risques de
pluies intenses :Cévennes Vivarais. LTHE-LAMA, Pôle Grenoblois d'étude et de recherche pour la
prévention des Risques Naturels, EDF-DTG, 19 p.
Delrieu, G., J.D. Creutin, H. Andrieu, 1995: Simulation of Radar Mountain Return Using a Digitized
Terrain Model. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 12, 1038-1049
Gelbert-Barancourt, C.,1990: Etude de l'intermittence et de la variabilité des champs de précipitation
par une approche stochastique. Thèse de Doctorat, Université Joseph Fourier, 151-154
Lebel T., C. Obled, J.D. Creutin,1987: On the accuracy of areal raifall estimation: a case study. Water
Resources Resaerch, 1038-1049
Pellarin T.,2001: Visibilité hydrologique de radars météorologiques opérant en régions montagneuses:
application au bassin versant de l'Ardèche.Thèse de Doctorat, Université Joseph Fourier, 175 p.
Pellarin T., G. Delrieu, G.M. Saulnier, H. Andrieu, B. Vignal, J.D. Creutin 2001: Hydrologic visibility
of weather radar systems operating in mountainous regions: case study for the Ardèche catchment
(France). Revised manuscript submitted to Journal of Hydrometeorology, 46 p.
12Bassin versant Cours d’eau Stations de mesure
hydrométrique
Cance Annonay
Cance Sarras
Eyrieux Cheylard
Eyrieux Ollières
Vivarais Doux Lamastre
Doux Colombier-le-Vieux
Doux Tournon
Glueyre Gluiras
Ardèche Meyras
Ardèche Pont de Labeaume (2)
Ardèche Vogüe
Ardèche Ucel
Ardèche Ardèche Vallon Pont d’Arc
Ardèche Saint-Martin d’Ardèche
La Beaume Rosières
Volane Vals les Bains
Chassezac Gravières
Cèze Barrage de Sénéchas
Cèze Bessèges
Cèze Tharaux
Cèze Montclus
Cèze Cèze Roque sur Cèze
Cèze Bagnols sur Cèze
Cèze Chusclan
Auzonnet Les Mages
Gagnière Banne
Gardon d’Alès Barrage de Ste Cécile
Gardon de Mialet Mialet
Gardon de Mialet Générargues
Gardon St-Jean Saumane
Gardon St-Jean Corbès
Gardons Gardon d’Anduze Anduze
Gardon St-Hilaire de Brethmas
Gardon Remoulins
Garde Boncoiran (pont de Ners)
Alzon Uzès
Vidourle Barrage de Ceyrac
Vidourle Barrage de Conqueyrac
Vidourle Sauve
Vidourle Quissac
Vidourle Vidourle Vic le Fesq
Vidourle Salinelles
Vidourle Sommières
Vidourle Marsillargues
Crieulon Barrage de Rouvière
Tableau 5.1 : Points de mesure de la zone Cévennes-Vivarais
Concernés par la collecte des données 2000-2001
13FICHE DE STATION : PONT DE LABEAUME
Identification de la station:
Nom du cours d'eau : l'Ardèche
Référence HYDRO : ????????
Département : Ardèche (07)
Commune (lieu dit) : Pont-de-Labeaume
Année de mise en service : ????????
Producteur : DDE 07
Altitude : 295 m
B.V. (km²) : 280
Fréquences de passage :
Pas de jaugeages
Entretien des stations et du matériel : tous les 3 mois
Courbe de tarage :
Zone de fiabilité : la courbe étant uniquement théorique, il n'y a pas de zone de fiabilité. Le
jaugeage suivant servant à caler cette courbe ; il peut être considéré comme limite supérieure.
Jaugeage maximum (mesuré par la CNR) :
h = 2 m 30 pour Q = 232 m3/s en 1994
Commentaires sur l'acquisition des mesures et sur la station :
Limnimètre : capteur de pression "bulle à bulle"
Pas de temps de l'enregistrement (à la centrale) : toutes les 6 minutes. Compactage des données
toutes les 1/2 h si pas de variation de hauteur d'eau.
Remarque : deux logiciels sont employés pour dépouiller et archiver les données : NOE, et
HYDRO. Les données ne sont pas traitées aprés télétransmission.
Horaire : heure locale
Jaugeages en "hautes" eaux : pas de jaugeage. Les seuls débits mesurés utilisés ont été jaugés
par la CNR.
Remarque : en amont de la station, deux affluents, la Fontaulière et le Lignon, rejoignent
l'Ardèche. Jusqu'à Aubenas, la rivière coule dans d'étroites gorges où affleure le socle rocheux : la
station est donc stable. Le temps de réponse aux évènements pluvieux est très court (lit encaissé,
pentes raides et faible végétation).
Exemple de la fiche station de pont de Labeaume (Ardèche)
14FICHE DE STATION (Photos et courbe de tarage) : PONT DE LABEAUME
Station du Pont de Labeaume, vue aval, avec l'échelle limnimétrique et la centrale
d'acquisition à droite de la photo.
La courbe de tarage est sous forme de tableau :
Courbe de tarage point par point
Pont de Labeaume
Zéro échelle en m NGF : 294,84
COURBE DE TARAGE - HAUTEUR (en m) et DEBIT (en m3/s) - valable à partir du 01 janvier 1999
HAUTEUR 0 10 20 30 40 50
m cm cm cm cm cm cm
0 1 2 3 3 4 5
1 24 30 37 48 60 78
2 187 213 239 268 298 327
3 475 505 534 564 593 623
4 771 801 830 860 889 919
5 1070 1099 1128 1157 1186 1215
6 1360 1390 1420 1450 1480 1510
7 1660 1689 1718 1747 1776 1805
8 1950 1983 2016 2049 2082 2115
9 2280
HAUTEUR 60 70 80 90
m cm cm cm cm
0 7 11 15 19
1 97 118 140 164
2 357 386 416 446
3 652 682 711 741
4 949 979 1010 1040
5 1244 1273 1302 1331
6 1540 1570 1600 1630
7 1834 1863 1892 1921
8 2148 2181 2214 2247
9
Exemple de la fiche station de pont de Labeaume (Ardèche)
15Chapitre 2
Développement d’un système d’exploration d’une base
de fichiers de données
1. INTRODUCTION
Le Laboratoire d’études des Transferts en Hydrologie et Environnement1 (LTHE) étudie les
phénomènes météorologiques au niveau mondial (effets du réchauffement atmosphérique sur
le climat, fonctionnement et évolution des phénomènes météorologiques extrêmes...). Piloté
par le LTHE, l’Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais2
(OHM-CV) dispose d’une base de fichiers de données hydro-météorologiques : l’objectif du
stage de trois mois que j’ai effectué au sein de cet organisme a consisté à développer un outil
d’exploration (d’observation) convivial du contenu de la base de fichiers de données de
l’OHMCV. Ce système devra être accessible via Internet (depuis le site web de l’OHM-CV)
de manière à ce que les différents partenaires du LTHE, mais aussi à des utilisateurs
« extérieurs », puissent connaître les principales caractéristiques des épisodes pluvieux
disponibles ainsi que les systèmes d’observation utilisés
Afin de permettre une véritable valorisation de l’ensemble des données pour les besoins de la
recherche, l’OHM-CV a deux objectifs essentiels :
- d’une part, l’amélioration de la surveillance hydro-météorologique de la région
- d’autre part, la constitution d’une base de données opérationnelles et de recherche
pendant une période suffisamment longue
Le développement d’un système d’exploration de l’ensemble des données permet de répondre
en partie à ces deux objectifs et d’aider à la définition de la base de données OHM-CV.
2. LA BASE DE FICHIERS DE DONNEES
a) Types de données
Les données se présentent sous la forme de fichiers qui sont stockés de manière arborescente
sous LINUX et font l’objet de diverses mises en forme : inventaire et géo-référencement des
capteurs, lecture et conversion des données brutes selon des formats OHMCV3 standard,
développement d’outils de visualisation, critique de données. Les données, stockées dans des
fichiers, sont :
o fichiers .xml
o fichiers .xls
o Divers produits graphiques sont associés à ces données sous forme de :
fichiers .gif (images gif et animations gif)
fichiers .pdf
1
http://www.lthe.hmg.inpg.fr
2
http://www.lthe.hmg.inpg.fr/OHM-CV
3
Formats OHM-TS et OHM-IM qui sont propres à l’OHMCV de manière à uniformiser l’ensemble des données
brutes recueillies.
16b). Organisation
L’arborescence débute en /DATA/OHMCV/. Ensuite, les fichiers sont organisés dans trois
répertoires principaux qui sont respectivement BRUT, ELAB1 et ELAB2 (en fonction du
niveau de leur élaboration).
DATA
OHMCV
BRUT
ELAB1
ELAB2
Figure 2.1 : Organisation du répertoire OHMCV
Le répertoire BRUT : il stocke les données collectées auprès des fournisseurs de données
(METEO-FRANCE, DDE07, DDE30...). Les données sont organisées par année, puis par
fournisseurs. En fonction de ces organismes, les formats des fichiers diffèrent et les données
sont organisées différemment.
BRUT
2000
ARAMIS
BOLLENE
NIMES
SEMBADEL
DDE07
LIMNI
PLUVIO
STATIONS
DDE30
METEO_FRANCE
2001
Figure 2.2 : Organisation du répertoire BRUT
17Le répertoire ELAB1 : il contient les données converties au format OHMCV, ainsi que les
images associées à ces données. Il est structuré de la manière suivante :
ELAB1/année/capteur/. Les fichiers de ce répertoire ont subi une première étape
d’élaboration : il s’agit d’une étape de normalisation (avec un format unique, une base de
temps TU…).
ELAB1
2000
ARAMIS
BOLLENE
NIMES
SEMBADEL
DEBIT
LIMNI
PLUVIO
2001
Figure 2.3 : Organisation du répertoire ELAB1
Le répertoire ELAB2 : il contient les produits « élaborés » de 2ème niveau issus d’un
traitement des données de ELAB1. Ce répertoire étant en cours d’élaboration, nous avons
proposé d’organiser les données de la façon suivante (ELAB2/année/évènement/variables/) :
ELAB2
2000
FICHES_STATIONS
CARTES_METEO
EVT1
BOLLENE
NIMES
SEMBADEL
DEBIT
PLUVIO_QUOT
PLUVIO_HOR
EVT2
Figure 2.4 : Organisation du répertoire ELAB2
183. LE SYSTEME D’EXPLORATION
a) Objectifs
Il s’agit de développer un système d’exploration convivial du contenu de la base de fichiers
données de l’OHM-CV. A terme, ce système devra être accessible via Internet (depuis le site
web de l’OHM-CV) .
Figure 2.5 : Site Web de l’OHM-CV
Ce système devra permettre de visualiser des cartes météorologiques, des cartes de cumuls
pluviométriques et de cumuls radar, des animations de cumuls (avec un pas de temps de 5
minutes, 15 minutes, 1 heure…), des graphiques de pluie/débit ainsi que des informations
concernant des stations de mesures pluviométriques et limnimétriques, des radars.
La réalisation d’un tel système permettra ainsi aux différents partenaires du LTHE, mais aussi
à des utilisateurs « extérieurs », de connaître les principales caractéristiques des épisodes
pluvieux disponibles ainsi que le système d’observation utilisé.
L’interface devra être simple et intuitive pour un utilisateur qui ne sera pas forcément
spécialisé.
b) Fonctionnalités attendues
L’outil à développer devra permettre de visualiser un certain nombre de données : cartes,
informations textuelles, graphiques. Il n’y aura pas de données rentrées par l’utilisateur : ce
dernier ne pourra visualiser que des données déjà prédéfinies.
Les données à visualiser peuvent être rattachées soit à une année soit à un évènement
pluvieux. De plus, certaines vont concerner la ‘visualisation de données’ et d’autres sont
propres aux ‘systèmes d’observation’.
19Données concernant chaque évènement pluvieux : ‘Visualisation de données’
Un évènement pluvieux peut durer un jour ou plusieurs. Les évènements pluvieux
actuellement répertoriés4 se situent pendant la saison pluvieuse c’est à dire de Septembre à
Décembre pour chaque année. Cependant, il est fort possible que pour les années suivantes
des évènements soient considérés en dehors de la saison pluvieuse.
Ainsi, pour chaque évènement pluvieux, un certain nombre de données pourront être
visualisées :
- Cartes météorologiques observées pour la période de l’événement (fichier.pdf) : en
théorie, pour chaque événement plusieurs fichiers de cartes devraient être visualisées :
• un fichier précédent l’épisode
• un fichier par jour d’épisode
• un fichier succédant l’épisode
Les cartes météorologiques sont stockées dans des fichiers .pdf : ils sont constitués
chacun de deux pages et comprennent plusieurs cartes.
- Cartes de cumuls pluviométriques sur l’épisode (fichiers .gif) : le nombre de cartes à
visualiser va dépendre de la durée de l’événement:
Si l’épisode dure un jour :
• une carte du jour de l’épisode
Si l’épisode dure plus d’un jour :
• une carte par jour d’épisode
• une carte de cumuls pour l’ensemble de l’épisode
- Cartes de cumuls radar sur l’épisode pour chaque radar (fichiers .gif) : actuellement,
le réseau ARAMIS se compose de trois radars (BOLLENE, NIMES et SEMBADEL)
- :
Si l’épisode dure un jour :
• une carte du jour de l’épisode
Si l’épisode dure plus d’un jour :
• une carte de cumuls par jour d’épisode
• une carte de cumuls pour l’ensemble de l’épisode
- Tableau de valeurs de cumul maximum atteint, d’intensités horaires maximum et de
leur localisation (pas encore disponible).
- Animations radar pour les trois radars (pré-sélection du radar : BOLLENE, NIMES
ou SEMBADEL) (fichiers .gif) :
• Il s’agirait de visualiser des animations soit d’images
« instantanées » ou soit d’images des cumuls jusqu’au pas de
temps en cours (deux fichiers .gif par radar)
• Il serait intéressant de pouvoir contrôler l’animation en cours
avec : play, rewind, stop, pause, pas à pas...
- Séries pluie-débit :
• Pour chaque année, visualisation de la carte du réseau
limnimétrique de la région Cévennes-Vivarais avec les grands
4
Les évènements pluvieux répertoriés sont fonction des données recueillies auprès des fournisseurs.
20bassins versants et les rivières sur fond de MNT (Modèle
Numérique de Terrain), avec localisation des capteurs de débit.
• Pour chaque bassin versant : il serait intéressant de faire
apparaître la zone du bassin versant sélectionné sur la carte et
d’afficher parallèlement la liste des noms des stations pour le
bassin en question (classées et numérotées => correspondance
avec le numéro sur la carte).
• Sélection d’une station parmi la liste de chaque bassin versant
ou bien sélection par un clic sur la carte => visualisation d’un
graphique (pas encore disponible) de la série temporelle pluie-
débit pour la station en question.
Données relatives aux ‘Systèmes d’observation’
- Limnimètres :
• Informations récapitulatives pour chaque station limnimétrique
(ces informations sont stockées dans des fichiers Excel pour
chaque station limnimétrique).
- Pluviomètres :
• Pour chaque année, visualisation d’une carte du réseau
quotidien et/ou d’une carte du réseau horaires des pluviomètres
avec pictogramme/fournisseur.
• Liste des pluviomètres : sélection de l’un d’entre eux pour
visualiser ses principales caractéristiques (ces informations sont
stockées dans des fichiers xml).
• Possibilité d’interroger le type d’un pluviomètre particulier.
- Radars :
• Pour chaque année, sélection d’un radar (BOLLENE, NIMES,
SEMBADEL) : visualisation d’informations sur le radar (géo-
référencement, protocole de balayage...) (ces informations sont
stockées dans des fichiers xml).
De plus, une fonctionnalité d’impression est à envisager pour l’impression des images et de
certaines informations.
c) Choix techniques
Après concertation avec mes encadrants du Laboratoire LSR, le choix du langage Java s’est
imposé pour développer une telle application.
Au départ, il était convenu de développer un système basé sur la technologie servlet5 : mais,
étant donné que les servlets ne peuvent générer que des pages HTML et qu’un tel système
nécessitait une interface graphique assez élaborée, je me suis orientée sur le développement
d’une applet.
5
Servlet est la contraction de « server applet » : il s’agit d’un programme Java qui s’exécute sur le serveur et qui
permet de construire dynamiquement des pages HTML (qui seront envoyées à un navigateur).
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