Spatio-temporal modelling of rainfall fields ; application to daily rainfall data from the Loire River area | Modélisation spatio-temporelle d'un champ de pluie ; Application aux pluies journalières du bassin versant de la Loire

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAU [Encadrant_IRSTEA]Leblois, E.

English. Water resource management for a watershed necessitates to both assess high flow volumes and the impact of the management of water resource between different stakeholders (hydropower, irrigation, ecology...). To test different management strategies, hydrologists have developed hydrological distributed models incorporating different computational objects as digital elevation model, subbasins, and distances to the outlet. A good characterization of rainfall variability in space and time plays an important role in the relevance of such a model as a basis for the choice of water management strategy Climatological references of rainfall hazard must be built from observation over decades. Despite the recent availability of radar estimates, daily rainfall measurements from raingauge networks are therefore still an invaluable source of information for a precise representation of precipitation hazard. Either from raingauge or radar estimates, it is possible to mathematically model rainfall field as a space-time intermittent process (superposition of inner variability field and rainfall indicator field, both influenced by advection). Geostatistics enables to investigate the link between an instantaneous process space-time structure and the evolution of spatial structure with time aggregation. A method is proposed to infer a relevant instantaneous process from observed rainfall statistics. From this, an avenue is open to simulate homogeneous rainfall fields which respect major statistical characteristics for hydrologists : expectation and variance of rainfall distribution and spatial variogram for different durations. Benefits and limits of this approach are investigated using daily rainfall data from the Loire basin in France. Two sub-regions are highlighted. A downstream zone where a quite homogeneous rainfall process can be modeled by the space-time model, and an upstream zone where interaction with orography is more present and the homogenity assumption questionable. Suggestions are given to take into account spatial and temporal heterogeneity so that an operational space-time model of daily rainfall on the Loire basin can be achieved.

French. Les références d'aléa climatique, si elles doivent être représentatives de plusieurs décennies, doivent encore aujourd'hui valoriser les informations spatialement éparses et temporellement agrégées que sont les valeurs journalières observées sur les réseaux pluviométriques patrimoniaux. La présentation clairsemée de ces informations n'empêche pas, si l'on prend au sérieux le fait que les précipitations se déploient dans le temps et dans l'espace, d'élaborer une perspective du champ précipitant comme processus spatio-temporel intermittent (superposition d'un champ de variabilité en soi et d'un champ d'indicatrice de pluie, ensemble soumis à l'advection). La géostatistique permet d'établir les liens entre la structure de ce processus et la façon dont les caractéristiques statistiques observables évoluent avec le support de mesure autant support temporel (cumul pluviométrique) que support spatial (pluie de bassin). Une stratégie est proposée pour l'inférence des paramètres permettant de retrouver, après agrégation temporelle, un champ de caractéristiques données. Ce travail pose donc les bases d'une modélisation spatio-temporelle effective des champs pluvieux, basée sur l'identification d'un processus à partir des caractéristiques statistiques les plus importantes pour l'hydrologie : l'espérance mathématique et la variance des pluies pour différentes durées et différentes superficies. Les limites de l'approche sont détaillées dans le contexte du bassin de la Loire. Deux régions ont été mises en avant : l'aval du bassin de la Loire avec des processus homogènes où l'influence de l'advection est prépondérante, l'amont du bassin de la Loire marqué par une plus forte orographie. Des suggestions sont faites pour rendre compte de ces aspects, et permettent d'aboutir à une modélisation spatio-temporelle des champs de pluie journalières sur le bassin.