Soutenance mémoire
Il existe plusieurs types d’institutions `a travers le monde qui ´emettent des pr´evisions hydrologiques. Il existe donc des routines de traitement des pr´evisions construites `a l’interne sp´ecifiques `a l’institution qui les ´emet. Depuis 1983, la division Production d’Hydro-Qu´ebec ´emet des pr´evisions hydrologiques d’ensemble produites `a l’interne et appel´ees les s´eries-m`eres. La derni`ere mise-`a-jour majeure du syst`eme `a eu lieu en 2005.
Les s´eries-m`eres
Les s´eries-m`eres sont le r´esultat d’un traitement statistique des pr´evisions m´e ´eorologiques d´eterministes issues du du centre m´et´eorologique canadien qui sont ensuite pass´ees `a travers le mod`ele hydrologique HSAMI (V. Fortin, 2000). La conception de la pr´evision m´et´eorologique probabiliste d’Hydro-Quebec Production peut ˆetre consult´ee dans la pr´esentation technique interne (Hydro-Qu´ebec, 17 janvier 2013).
La premi`ere ´etape consiste `a recueillir les pr´evisions m´et´eorologiques ´eterministes provenant du mod`ele r´egional et global d’Environnement Canada. Une analyse des contextes m´et´eorologiques actuels et pass´es ainsi que d’une analyse des pr´evisions m´et´eorologiques provenant d’autres centres m´e ´eorologiques est e↵ectu´ee. Suite `a ces analyses, le m´et´eorologue fait des modifications manuelles bas´ees sur son expertise. Par la suite, des grilles expertiées de pr´evisions de temp´erature minimale, temp´erature maximale et de pécipitation totale sont produites pour un horizon de 5 `a 9 jours. Ensuite, apr`es éparation de la pr´ecipitation totale en neige et pluie, l’interpolation des grilles déterministes sur les bassins versants est effectu´ee.
La deuxi`eme ´etape consiste `a construire des sc´enarios m´et´eorologiques ´equiprobables `a partir des pr´evisions m´et´eorologiques d´eterministes expertisées produites `a la premi`ere ´etape. La m´ethode de construction des sc´enarios requiert de chercher des couples observations-pr´evisions dans l’historique d’Hydro-Qu´ebec bas´ee sur les pr´evisions actuelles. Ces analogues se doivent de respecter un seuil de comparaison afin que les sc´enarios soient consid´er´es comme analogues. C’est-`a-dire qu’il y a une tol´erance pour consid´erer deux sc´enarios comme ´etant analogues. Par exemple, cette tolérance peut-ˆetre exprim´ee sous forme d’une différence de temp´erature, pr´ecipitation totale ou emplacement des champs de basse pression.
Cette fa¸con de proc´eder s’apparente `a la m´ethode des analogues. Cette m´ethode sert `a cr´eer des pr´evisions d’ensemble `a partir de pr´evisions d´eterministes en utilisant l’historique m´et´eorologique (climatologie). La m´ethode des analogues consiste `a utiliser l’historique d’une variable en particulier (ex. les champs de pression) afin de pr´evoir l’´etat de cette mˆeme variable `a di↵´erents horizons. Pour ce faire, le pr´evisionniste se doit de trouver des situations atmosp ´eriques initialement tr`es similaires l’une de l’autre selon un certain crit`ere particulier. La m´ethode des analogues se veut une alternative aux mod`eles num´eriques de l’atmosph`ere qui se base sur les tendances d´etermin´ees empiriquement grˆace aux bases de donn´ees climatiques au lieu d’avoir recours `a la mod´elisation de la dynamique de l’atmosph`ere. L’article de Van den Dool (1989), traite de l’utilisation de la m´ethode des analogues en restreignant les limites ´eographiques de recherche `a un rayon donn´e. Ceci a pour e↵et d’accroˆıtre le nombre d’ analogues possibles pour une pr´evision.
Cette m´ethodologie comporte certaines limitations dont le fait qu’elle ne soit pas basee sur l’incertitude des mod`eles atmosph´eriques et plutˆot sur l’erreur historique du m´et´eorologue. Ceci fait que l’on n’a pas une vraie estimation de l’incertitude liee aux mod`eles atmosph´eriques, ce qui pourrait induire la pr´evision en erreur. De plus, les analogues s´electionn´es sont ind´ependants d’un bassin `a l’autre. Ce manque de coh´esion ne nous permet donc pas de d´eterminer quelles sont les vraies sources d’incertitude. Finalement, l’historique d’Hydro-Qu´ebec est relativement court (50 ans). Par cons´equent il est l´egitime de se demander si cette base de donn´ees est susante pour ´evaluer l’incertitude des pr´evisions meteorologiques par la m´ethode des analogues.
Il y a d´ej`a eu par le pass´e des projets pour int´egrer les pr´evisions d’ensemble met´eorologiques dans le processus op´erationnel de gestion des ressources hydriques d’HydroQu´ebec, notamment en 2005 (Evora, 2005). Cependant, ce projet s’est sold´e par les constations suivantes :
1) Les pr´evisions d’ensemble sont bias´ees et sous-dispers´ees.
2) Les diff´erents membres des pr´ecipitations d’ensemble ne sont pas equiprobables.
Depuis cet essai en 2005, les mod`eles m´et´eorologiques de tous les centres de prevision atmosph´erique dans le monde se sont beaucoup am´elior´es en termes de repr´esentation de la physique des ph´enom`enes du climat, de la r´esolution spatiale des grilles ainsi que dans la m´ethodologie de perturbation des ´etats initiaux des mod`eles.
Vers une nouvelle approche de pr´evision hydrologique
sur les pr´evisions m´et´eorologiques d’ensemble op´erationnelles
L’am´elioration notoire des mod`eles atmosph´eriques laisse entrevoir un potentiel `a utiliser les pr´evisions m´et´eorologiques comme base `a la pr´evision hydrologique `a la place d’utiliser des m´ethodes d’analogues bas´ees sur l’historique alors que le climat n’est pas stationnaire.
Plusieurs organismes utilisent les pr´evisions m´et´eorologiques de court `a moyen terme comme intrants `a un mod`ele hydrologique pour produire des pr´evisions de debit en contexte pr´e-op´erationnel ou op´erationnel. Une liste de ces organismes a et´e publi´ee dans Cloke et Pappenberger (2009). L’exemple le plus abouti est EFAS (European Flood Awareness System), ce syst`eme ´emet les pr´evisions hydrologiques `a travers l’Europe (Thielen, Bartholmes, Ramos, & Roo, 2009 ; Bartholmes, Thielen, Ramos, & Gentilini, 2009). Ce syst`eme de pr´evision ´emettant des pr´evisions jusqu’`a un horizon de 10 jours en avance est op´erationnel depuis l’automne 2012. La motivation qui a pouss´e `a la cr´eation d’un tel syst`eme sont les crues sur les rivi`eres du Danube et de l’Elbe en 2002. En fait, la gestion de ces crues importantes crue a ´et´e marqu´ee par des pr´evisions non-coh´erentes provenant de diverses sources et de qualit´e variable car produites de mani`ere differente. L’objectif de EFAS est pouvoir anticiper les crues importantes afin de mettre en place des mesures pr´eventives `a travers l’Europe. Le mod`ele EFAS a donn´e des r´esultats encourageants pour la pr´evision de crues importantes. Par exemple, les pr´evisions EFAS ont ´et´e en mesure d’anticiper la crue jusqu’`a 8 `a 10 jours `a l’avance pour la crue de 2006 sur le bassin tch`eque Elbe (Younis, Ramos, & Thielen, 2008). Ce qui est d’autant plus encourageant est que cette crue a ´et´e caus´ee par la fonte des neiges, cas souvent retrouv´e dans les bassins `a regime nordique du Qu´ebec. Il serait int´eressant de voir si les pr´evision m´et´eorologiques d’ensemble de court `a moyen terme peuvent ´egaler voire rivaliser les s´eries-m`eres. La question est de savoir si les pr´evisions d’ensemble hydrologiques produites avec les sorties des centres m´et´eorologiques pourraient donner une estimation plus ad´equate de l’incertitude et ainsi servir `a la gestion des ressources hydriques. L’hypoth`ese adopt´ee dans ce travail c’est que l’utilisation des pr´evisions d’ensemble serait plus ad´equate scientifiquement et plus performante lorsque compar´ee aux s´eries-m`eres.
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Table des matières
1 Introduction
2 Probl´ematique et objectifs
2.1 Probl´ematique principale
2.2 Le d´eveloppement des pr´evisions d’ensemble chez Hydro-Qu´ebec
2.2.1 Les s´eries-m`eres
2.2.2 Vers une nouvelle approche de pr´evision hydrologique sur les pr´evisions m´et´eorologiques d’ensemble op´erationnelles
2.3 Objectifs principaux
2.4 Bassins versants
3 La pr´evision hydrologique d’ensemble : ´etat de l’art
3.1 Introduction
3.2 Pr´evisions m´et´eorologiques
3.3 Mod`eles hydrologiques
3.4 Pr´evisions hydrologiques
3.5 Approche multimod`ele
3.5.1 Multi-mod`ele hydrologique
3.5.2 Multi-mod`ele m´et´eorologique
3.6 Qualit´e des pr´evisions d’ensemble
3.7 M´ethodes de post-traitement
4 Approche m´ethodologique
4.1 Consid´erations g´en´erales
4.2 Le mod`ele hydrologique HSAMI
4.3 Pr´evisions m´et´eorologiques
4.3.1 Meteorological Service of Canada (MSC)
4.3.2 Centre M´et´eorologique Am´ericain (NCEP)
4.3.3 European Center of Medium-range Weather Forecasts (ECMWF)
4.4 Mesure de la performance des pr´evisions
4.4.1 Le Continuous Ranked Probability Score (CRPS)
4.4.2 Histogramme de rang
4.4.3 Erreur absolue moyenne
4.5 Pr´e-traitement et post-traitement
4.5.1 Pr´e-traitement
4.5.2 Bayesian Model Averaging (BMA)
5 R´esultats
5.1 Pr´evisions m´et´eorologiques
5.1.1 Baskatong
5.1.2 La Grande 4
5.1.3 Outardes 4
5.2 Pr´evisions hydrologiques brutes et post-trait´ees
5.2.1 Baskatong
5.2.2 La Grande 4
5.2.3 Outardes 4
5.3 Pr´evisions hydrologiques pr´e-trait´ees
5.3.1 Baskatong
5.3.2 La Grande 4
5.3.3 Outardes 4
6 Conclusion
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