Application des pr´evisions d’ensemble `a l’hydrologie

Si la pr´evision d’ensemble est couramment utilis´ee en m´et´eorologie, comme on vient de le voir, pour la pr´evision `a moyen terme depuis une vingtaine d’ann´ees, son application `a l’hy- drologie est beaucoup plus r´ecente. La production de pr´evisions d’ensemble hydrologiques et leur utilisation op´erationnelle sont actuellement en plein d´eveloppement dans la communaut´e internationale scientifique. En effet, une n´ecessit´e de mieux pr´evoir et se prot´eger des crues rend obligatoire la mise en œuvre d’efforts suppl´ementaires, afin de limiter les cons´equences de ces crues.

Plusieurs actions internationales r´ecentes en cours t´emoignent de l’´emergence de ces pr´evi- sions d’ensemble hydrologiques.

HEPEX :

Mis en place en 2004, le projet HEPEX (Hydrological Ensemble Prediction EXperiment, Schaake et al. (2007)), qui rassemble les communaut´es hydrologique et m´et´eorologique, vise `a l’am´elioration des pr´evisions d’ensemble hydrologiques. Dans ce cadre, des exp´eriences d’in- tercomparaisons, des conf´erences, et des groupes de travail, sont organis´es autour de questions telles que ”Quelles sont les sources d’incertitude en hydrologie ? Comment les prendre en compte ? Comment utiliser au mieux les syst`emes de pr´evisions d’ensemble m´et´eorologiques dans des syst`emes coupl´es hydrom´et´eorologiques ? Comment v´erifier des pr´evisions d’en- semble hydrologiques ? Comment utiliser de telles pr´evisions et sous quelle(s) forme(s) les communiquer aux utilisateurs (services de s´ecurit´e civile, gestionnaires de l’eau, grand pu- blic) ?”.

FIGURE 3.1 – Sch´ema des composants d’un syst`eme de pr´evision d’ensemble de d´ebits (Schaake et al. (2007)).

pr´evisions d’ensemble de d´ebits sur lesquels se penche le projet HEPEX. En effet, ce pro- jet s’int´eresse `a la fois `a l’utilisateur final (post-processing), `a la v´erification statistique des pr´evisions hydrologiques, `a la g´en´eration des produits hydrologiques de la pr´evision d’en- semble, aux mod`eles hydrologiques eux-mˆemes, `a l’assimilation de donn´ees hydrologiques et au pre-processing des donn´ees m´et´eorologiques utilis´ees dans de tels syst`emes (Schaake et al. (2007)).

COST :

Au niveau europ´een, dans le cadre de la coop´eration scientifique COST (European Coope- ration in Science and Technology, http ://www.cost.esf.org/), une nouvelle action a ´et´e lanc´ee en 2005 et prendra fin en juin 2010 (COST Action 731 : Propagation of Uncertainty in Ad- vanced Meteo-Hydrological Forecast Systems). Cette action s’int´eresse aux questions li´ees `a l’incertitude dans les syst`emes m´et´eorologiques et `a son impact sur les syst`emes coupl´es hy- drom´et´eorologiques, `a des fins de pr´evision hydrom´et´eorologique.

EFAS :

Suite `a des crues dramatiques de l’Elbe et du Danube en 2002, la Communaut´e Europ´eenne a mis en place un syst`eme d’alerte europ´een pour les crues (EFAS, European Flood Alert System, http ://natural-hazards.jrc.it/), d´evelopp´e au JRC (Joint Research Center, Ispra, Italie). Ce syst`eme met `a disposition des ´etats europ´eens partenaires des pr´evisions hydrologiques, d´eterministes d’une part, bas´ees sur les pr´evisions m´et´eorologiques du CEPMMT `a 10 jours et sur celles du DWD (Deutscher Wetter Dienst, le service m´et´eorologique allemand) `a 7 jours, et d’ensemble d’autre part, bas´ees sur le Var-EPS (Variable Resolution Ensemble Prediction System) du CEPMMT, d’´ech´eance 10 jours.

Le syst`eme EFAS est pr´e-op´erationnel depuis 2005. Ses buts sont d’une part de fournir des pr´evisions hydrologiques `a l’´echelle de l’Europe, en particulier pour les bassins trans- frontaliers, et d’autre part d’´etendre l’´echelle temporelle des pr´evisions hydrologiques habi- tuellement produites et utilis´ees dans les diff´erents services europ´eens en charge de l’annonce et de la pr´evision des crues (g´en´eralement de l’ordre de deux jours) (Ramos et al. (2007)).

Les donn´ees fournies aux ´etats partenaires ne sont pas des d´ebits ou des hauteurs d’eau simul´es, mais des tableaux d’alerte gradu´ees en fonction du risque d´ecel´e et de l’´ech´eance de pr´evision. En effet, comme les d´ebits simul´es ne sont pas forc´ement du mˆeme ordre de gran- deur que les d´ebits observ´es, il a ´et´e d´ecid´e de ne pas les communiquer aux services des ´etats membres. La d´ecision de d´eclencher une alerte ou non a ´et´e calibr´ee sur des ´ev`enements du pass´e.

Initiatives nationales :

Enfin, au niveau national, de nombreux pays ont lanc´e la production de pr´evisions d’en- semble hydrologiques, que ce soit en mode exp´erimental, pr´e-op´erationnel, ou un peu plus rarement op´erationnel.

Parmi les syst`emes existant dans divers pays, la plupart ont une approche similaire, qui consiste `a forcer un mod`ele sol-hydrologie plus ou moins d´etaill´e, par une pr´evision d’en- semble m´et´eorologique. Les pr´evisions m´et´eorologiques utilis´ees sont alors variables selon les nations et leurs besoins (g´eographie, hydrologie et taille des bassins).

Le service m´et´eorologique suisse (Swiss Federal Office of Meteorology and Climatology, MeteoSwiss, http ://www.meteosuisse.ch/web/fr/meteo/previsions numeriques/probabilites.html) a constitu´e un syst`eme de pr´evisions d’ensemble hydrologiques bas´e sur l’ensemble de pr´evi- sion atmosph´erique COSMO-LEPS (16 membres d´eriv´es de l’ensemble du CEPMMT `a haute r´esolution, sur l’Europe Centrale et du Sud).

Le service m´et´eorologique su´edois (SMHI, Swedish Meteorological and Hydrological Ins- titute) dispose quant `a lui d’un syst`eme de pr´evision d’ensemble hydrologique op´erationnel depuis 2004 nomm´e AEGIR (http ://www.smhi.se). Ce syst`eme s’appuie sur les pr´evisions d’ensemble atmosph´eriques du CEPMMT qui forcent un mod`ele hydrologique (HBV, Lind- strom et al. (1997)), et produit un ensemble de 51 pr´evisions de d´ebit `a 9 jours, sur 58 bassins du pays. L’´evaluation des performances de ce syst`eme a ´et´e r´ealis´ee au SMHI (Olsson and Lindstr¨om (2008)).

Aux Pays-Bas, un syst`eme bas´e sur les pr´evisions d’ensemble du CEPMMT pour le contrˆo- le des bassins r´egulant les inondations (Van Andel et al. (2008)) a ´et´e mis en place. Cette ´etude a montr´e l’apport du CEPMMT en terme de scores tels que le Hit Rate, les Fausses Alarmes et les Non Pr´evisions. Une ´etude de coˆuts est en cours.

Enfin, en Belgique, une exp´erience de pr´evision d’ensemble des d´ebits de deux petits bas- sins a ´et´e men´ee sur une p´eriode de 6 ans (1996-2002) (Roulin and Vannitsem (2005)). Dans le cadre de cette exp´erience, les pr´evisions d’ensemble atmosph´eriques du CEPMMT `a 10 jours ont ´et´e directement coupl´ees avec un mod`ele hydrologique. L’analyse statistique des r´esultats de cette exp´erience a montr´e la capacit´e du syst`eme pour la pr´evision `a moyen terme, en particulier en hiver, et ce malgr´e la faible r´esolution du champ de pr´ecipitation pr´evu par le syst`eme de pr´evision d’ensemble du CEPMMT. Elle a ´egalement mis en ´evidence l’apport d’une pr´evision d’ensemble par rapport `a la pr´evision d´eterministe, et a montr´e l’int´erˆet d’un tel syst`eme pour la pr´e-alerte.

Pour ˆetre complet, on peut citer d’autres syst`emes de pr´evision d’ensemble hydrologiques op´erationnels ou pr´e-op´erationnels, qui sont en place en Finlande (Vehvilainen and Huttunen (2002)), aux Etats-Unis (Mcenery and al. (2005)), en Hongrie (Balint et al. (2006)), ou en Autriche (Komma et al. (2007)). Une revue plus compl`ete et critique de ces syst`emes a ´et´e effectu´ee par Cloke and Pappenberger (2009).

Dans tous ces syst`emes, les pr´ecipitations constituent la principale source d’incertitude prise en compte (avec parfois la temp´erature de l’air). N´eanmoins, d’autres aspects sont source d’incertitude : l’incertitude sur les conditions initiales hydrologiques, ou sur la repr´esentation des processus hydrologiques dans les mod`eles, par exemple. Ceci n’est pas repr´esent´e dans ces syst`emes de pr´evision d’ensemble, et contribue ainsi `a une dispersion souvent trop faible dans les pr´evisions d’ensemble de d´ebits. Introduire un moyen de prendre en compte ces sources d’incertitude permettrait vraisemblablement une am´elioration de ces syst`emes dans le futur (Schaake (2006)).