Évaluation de l’apport des pluies prévues par le système opérationnel AROME-PI dans le système Vigicrues-Flash | Evaluating the use of AROME-PI forecasts into the Vigiecrues-Flash system

Francés. Cette étude a été réalisée pour le SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations) pour analyser l’amélioration du système d’avertissement sur la possibilité de crues rapides en intégrant des prévisions de pluie future à courte échéance et fine résolution spatio-temporelle et en prenant en compte leurs incertitudes. Le SCHAPI développe actuellement un service d’avertissement automatisé valable sur l’ensemble de la France, appelé Vigicrues-Flash, qui devrait être complété par un service expertisé d’avertissement sur des bassins dits prioritaires, avec des enjeux particuliers. Pour améliorer la caractérisation et l’anticipation des crues soudaines, l’objectif est d’intégrer des prévisions immédiates (appelées nowcasts) de courte échéance et à haute résolution spatio-temporelle, notamment les prévisions du modèle AROME de Météo-France. La fine résolution d’AROME permet de modéliser les processus convectifs, qui sont essentiels pour les alertes aux crues rapides. Les prévisions de pluie mises à disposition par Météo-France sont les prévisions immédiates du modèle AROME, dites AROME-PI, de type déterministe, au pas de temps de 15 minutes pour une échéance de 6 heures, réactualisées toutes les heures (Auger et al. 2015). Ces prévisions sont produites actuellement à la résolution d’environ 1,3 km (0.01 degré lat/lon), et précédemment (jusqu’en avril 2015), à la résolution d’environ 2,5 km (0.025 degré lat/lon). Elles sont reprojetées sur une grille régulière de 1km de résolution dans la projection Lambert 2 étendu pour leur intégration dans le système d’avertissement. Les prévisions déterministes successives sont utilisées pour produire des prévisions d’ensemble au pas de temps horaire par décalage temporel, appelées AROMEPI-timelag, avec un maximum de 6 membres (les prévisions d’AROME-PI plus anciennes étant complétées par la pluie nulle pour les plus longues échéances non couvertes par AROME-PI). L’utilisation de prévisions d’ensemble de pluie et débit a permis de définir des prévisions probabilistes en fonction du nombre de membres dépassant le seuil considéré. L’analyse de l’apport des prévisions de pluie immédiate a porté sur 8 événements de crue de septembre 2014 jusqu’à février 2016. Les simulations et prévisions de débit sont issues du modèle hydrologique semi-distribué actuellement utilisée dans le système Vigicrues-Flash, avec les paramètres calibrés et régionalisés de 2015 (Organde 2014 et 2015), ainsi que la modélisation hydrologique distribuée continue développée dans l’étude d’Organde de 2016. L’analyse a concerné 781 bassins versants jaugés de surface comprise entre 5 km2 et 1548 km2. Pour analyser l’apport des prévisions déterministes AROME-PI et prévisions d’ensemble AROMEPI-timelag, différentes prévisions déterministes de référence sont également évaluées : la prévision de pluie nulle, la prévision de pluie persistante (en maintenant sur les échéances de prévision de +1h à +6h, la dernière pluie observée au moment de l’initialisation de la prévision), et la prévision de pluie « parfaite » (i.e. pluie observée) pour montrer l’impact des erreurs et des incertitudes des prévisions d’ensemble de pluie. L’évaluation de la qualité des alertes s’est basée sur le dépassement d’un seuil de débit relatif correspondant aux périodes de retour de 2 ans et 5 ans (l’échantillon étant trop réduit pour l’analyse de la période de retour de 10 ans). L’utilisation de seuils relatifs de débit permet de « débiaiser » les sorties du modèle hydrologique. L’évaluation des avertissements a inclus différents critères de contingence pour décrire la fiabilité, la précision et le biais en fréquence des dépassements prévus de seuil de débit, ainsi que l’anticipation des dépassements. Les scores de contingence sont estimés par 2 approches complémentaires : 1) sur chaque événement dans son ensemble (i.e. pour toutes les dates d’initialisation de prévision de l’évènement) pour la contingence dite globale, qui correspond à une évaluation a posteriori du système d’avertissement, lorsque, pour un événement donné, on peut comparer le premier dépassement de seuil qui a été observé, au premier dépassement de seuil qui a été prévu ; 2) pour chaque pas de temps horaire des différents évènements, pour la contingence dite horaire, correspondant à une évaluation plus stricte du système d’avertissement qui peut être réalisée en temps réel, dès que les observations de débit sont disponibles. Pour la contingence globale, les scores de contingence prennent en compte l’anticipation des dépassements prévus : si le dépassement est prévu en retard vis-à-vis du dépassement observé, il est considéré comme une alerte manquée. On définit également une valeur maximale d’anticipation pour les dépassements simulés et prévus afin de comparer, de façon plus cohérente, un dépassement simulé avec le dépassement observé lui correspondant sans pénaliser l’anticipation du modèle hydrologique. Par ailleurs, afin de prendre en compte les incertitudes sur les valeurs de seuils de débit, les scores de contingence ont également été estimés en intégrant une tolérance de 10% sur ces valeurs de seuil. Dans ce cas, on considère comme des alertes correctes, d’une part, les cas de dépassements observés et manqués de peu par la prévision (le débit prévu dépassant les 90% de la valeur du seuil mais restant inférieur au seuil), et, d’autre part, les cas de fausses alertes presqu’observées (pour des dépassements prévus et non observés, le débit observé dépassant les 90% de la valeur du seuil). Cette approche (proposée par le Centre d’Écologie et d’Hydrologie de Wallingford en Grande-Bretagne) permet de juger de l’amélioration potentielle des performances dans une approche expertisée du système d’avertissement, pour laquelle un prévisionniste ou un utilisateur peut ajuster la production aux avertissements de crue ou la réaction à ces avertissements en abaissant la valeur du seuil. L’évaluation a permis de comparer les avertissements basés sur les prévisions AROME-PI et AROMEPI-timelag avec les avertissements du système Vigicrues-Flash actuel (utilisant le modèle GRSD sans prévision de pluie) et les avertissements produits avec les différentes pluies futures. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : - les gains en anticipation avec la prévision déterministe AROME-PI et la prévision d’ensemble AROMEPI-timelag sont très significatifs pour les 2 modèles, même si le modèle GRSD permet une meilleure anticipation que le modèle GRDc (pour le seuil de 2 ans, anticipation médiane de +7h avec le modèle GRSD et +4h avec le modèle GRDc en intégrant AROME-PI déterministe). Egalement, la proportion de dépassements prévus en retard est significativement diminuée. L’anticipation est davantage améliorée lorsque les prévisions AROME-PI des 3 dernières heures sont intégrées dans les ensembles timelag, en complément de la prévision AROME-PI la plus récente. - en contingence globale, les prévisions déterministes AROME-PI améliorent significativement la détection des dépassements mais avec, généralement, une augmentation du nombre de fausses alertes et donc, une perte de fiabilité (pour le seuil de 2 ans, la Probabilité de Détection s’améliore de 51% à 80% avec GRSD en comparaison au système actuel, alors que le taux de succès se dégrade de 48% à 34%). Les prévisions d’ensemble, avec les différents niveaux de probabilité (définis par le nombre de membres de l’ensemble dépassant le seuil de débit), permettent de moduler le gain en détection et la perte concomitante de fiabilité, les meilleurs scores de détection étant obtenus avec le niveau de probabilité le plus faible (i.e. un seul membre de l’ensemble dépassant le seuil de débit). - pour la contingence horaire, plus stricte (car elle concerne tout l’hydrogramme de chacun des 8 événements), les scores de fiabilité sont globalement meilleurs qu’en contingence globale, alors que les scores de détection sont globalement plus faibles, en particulier pour le modèle GRSD. En comparaison à la prévision de pluie nulle, on obtient par exemple, pour le seuil de 2 ans et le modèle GRDc, une détection de 60% pour une fiabilité de 59% avec la prévision d’ensemble à 6 membres et le niveau de probabilité le plus faible (dépassement prévu par au moins un membre). Pour toutes les prévisions de pluie non nulles, et notamment pour les prévisions AROME-PI déterministes et ensemblistes, les scores de détection et de fiabilité sont meilleurs avec le modèle GRDc qu’avec GRSD, avec des écarts entre les 2 modèles plus importants en fiabilité qu’en détection. - les résultats obtenus en intégrant, d’une part, les pluies AROME-PI et, d’autre part, les pluies observées, sur toute l’échéance de +6h ont montré l’impact des erreurs des prévisions de pluie AROME-PI sur les prévisions de débit et les dépassements de seuil, avec une tendance plus marquée à surestimer les plus fortes pluies (mais le biais n’est pas systématique). Ce biais entraîne un nombre plus important de fausses alertes et donc, une perte de fiabilité, mais permet également d’améliorer la détection et l’anticipation des dépassements observés. En conclusion, cette étude montre l’intérêt d’inclure, dans la modélisation hydrologique du système Vigicrues-Flash, les prévisions immédiates de pluie AROME-PI et les prévisions d’ensemble AROMEPI-timelag. Ces prévisions permettent d’améliorer significativement l’anticipation des dépassements de seuil vis-à-vis de ceux du système actuel sans pluie future, ainsi que le taux de détection, même si elles dégradent partiellement la fiabilité. L’approche pragmatique de construction de prévisions d’ensemble en utilisant les prévisions déterministes successives a permis de définir des avertissements avec différents niveaux de probabilité afin de moduler le niveau de probabilité déclenchant l’avertissement (défini par le nombre minimum de membres de l’ensemble dépassant le seuil). Il est nécessaire d’analyser le taux de détection et la fiabilité des dépassements prévus en fonction du niveau de probabilité pour définir les dépassements avec les prévisions d’ensemble, afin de gagner en anticipation tout en conservant une fiabilité acceptable. Ce type d’optimisation de la qualité des avertissements, pour une meilleure détection des dépassements avec une anticipation améliorée et une fiabilité acceptable, doit également prendre en compte les enjeux pour l’ensemble de la chaîne d’avertissement et les besoins des utilisateurs. Des pistes d’amélioration sont également discutées en conclusion, notamment : la combinaison des prévisions immédiates avec des prévisions de pluie à plus longue échéance, la prise en compte des incertitudes de source hydrologique (en utilisant des prévisions d’ensemble multi-modèles et des jeux de paramètres équiprobables), l’amélioration des conditions initiales du modèle hydrologique, en particulier avec l’assimilation des débits observés, et l’utilisation des informations post-crue de dégâts pour une évaluation du système d’avertissement sur des bassins non jaugés. Le présent rapport constitue le livrable 00050 de la commande n°4500271150 du 21/03/2016 du marché « Mise en oeuvre de la méthode AIGA » n°2014-01-16, conclu entre IRSTEA UR RHAX et Hydris Hydrologie.