Partie III. Seconde phase du diagnostic
5.3. Recherche d’explications du côté de la qualité des données
5.3.2. Sensibilité des résultats au choix des données climatiques
Les erreurs d’estimation des données d’entrées des modèles hydrologiques (c.-à-d. précipita- tions, températures et/ou évapotranspiration potentielle) peuvent avoir des conséquences très néfastes sur la capacité d’un modèle hydrologique conceptuel à simuler des débits en accord avec les observations (cf. section 5.1.2).
Ces erreurs peuvent provenir directement de problèmes de mesure ou d’estimation (ex. sous- captation par un poste pluviométrique ou formulation inadaptée pour le calcul d’une ETP).
Elles peuvent également provenir des méthodes d’interpolation et d’extrapolation utilisées pour obtenir des champs de forçages climatiques sur tout le territoire du bassin versant à partir d’observations ponctuelles (ex. polygones de Thiessen, krigeage, réanalyses).
Une étude ciblant les problèmes de qualité des mesures pourrait être menée (sur quelques cas) où la stationnarité des erreurs sur chaque appareil serait scrupuleusement suivie. Une telle approche n’a cependant pas été menée car elle ne rentrait pas dans le cadre général de nos travaux dans lesquels de très nombreux cas sont étudiés simultanément. Nous nous reposons donc sur les contrôles de qualité (déjà nombreux) menés par les producteurs de ces données.
À la place, nous nous concentrons directement sur les données qui alimentent nos modèles : les séries issues des modèles de réanalyses climatiques (ex. SAFRAN etSPAZM en France ou SILO Data Drill en Australie). Nous optons pour cela une approche multi-sources (similaire à celle utilisée pour étudier le rôle des erreurs de modélisation) puisque nous avons la chance de disposer de deux bases de forçages distinctes sur le territoire français : SAFRAN et SPAZM.
Présentation des bases disponibles et retour sur les choix précédents
Depuis le début de nos travaux sur les bassins français, deux bases de données climatiques sont à notre disposition :
• La base SAFRAN, créée par Météo-France, combine des observations de surface et des analyses de modèles météorologiques pour produire des données horaires de température, humidité, vent, précipitations et rayonnement, interpolées sur une grille de 8 km x 8 km cou- vrant la France métropolitaine (Quintana-Seguí et al., 2008). Dans le cadre de nos travaux, nous utilisons la version journalière de SAFRAN pour laquelle nous disposons également d’un calcul de l’évapotranspiration potentielle de Penman-Monteith.
• La base SPAZM, créée par EDF, est une réanalyse des observations journalières de tem- pérature et précipitations issue des travaux de Gottardi (2009). En repartant des mesures des réseaux de Météo-France et d’EDF, cette base a été construite dans le but d’améliorer l’estimation des champs de température et précipitations en zone de montagne. Elle fournit ces champs au pas de temps journalier sur une grille de 1 km x 1 km couvrant une large moitié sud de la France (cf. section 2.2.2 pour plus de détail).
Dès l’initiation des travaux de cette thèse, nous souhaitions travailler sur un large échan- tillon de bassins mais avec la volonté particulière d’y inclure des bassins montagneux. Ceux-ci présentent plusieurs avantages. D’une part, les signaux du changement climatique global y semblent particulièrement marqués, ce qui permet des contrastes plus importants entre diffé- rentes périodes temporelles, or nous recherchons justement ces contrastes pour notre analyse de capacité d’extrapolation climatique des modèles. D’autre part, le fonctionnement hydrologique de ces bassins montagneux est thermosensible du fait des processus de stockage saisonniers d’eau sous forme de neige, puis relargage lors d’une crue de fonte printanière. Étudier l’impact d’un changement de température sur la capacité des modèles hydrologiques à suivre les modi- fications de régime d’écoulement est donc très intéressant, notamment pour EDF qui utilise de tels modèles pour gérer sa production d’hydroélectricité. Dans ce contexte, notre choix s’est orienté vers la base SPAZM qui semble mieux adaptée à fournir des données de précipitations en altitude. Elle nous permet également de disposer de forçages sur des zones de plaines plus faiblement influencées par les reliefs.
Nous souhaitons revenir ici sur ce choix en nous interrogeant sur l’impact de l’origine des données de forçages dans nos interprétations. Bien que les réseaux de mesure utilisés dans la
construction des bases SPAZM et SAFRAN soient partiellement communs, la méthode de réanalyse reste très spécifique à chacune d’elle. Au-delà de la question des écarts entre les données de ces bases, du point de vue de l’alimentation des modèles, nous souhaitions surtout déterminer si nous aurions obtenu des résultats différents en utilisant la baseSAFRAN plutôt que la base SPAZM.
Configurations testées
De nouveaux tests de transfert sont menés pour évaluer la sensibilité de nos analyses au choix de la base de forçages. Ceux-ci sont conduits avec le modèle GR4J, couplé avec le module CemaNeige. Dans la continuité des tests menés précédemment, les paramètres de CemaNeige ne sont pas calés ici (cf. section 3.1.3). GR4J est alimenté avec des données de précipitation et d’ETP de bassin, cette dernière étant couramment calculée dans nos tests par la formule d’Oudin et al. (2005), principalement à partir des séries de température de l’air. Pour ces nouveaux tests, nous comparons également l’influence du changement de la formulation d’ETP, puisqu’un calcul de l’évapotranspiration potentielle de Penman-Monteith est disponible avec la base SAFRAN au pas de temps journalier (Monteith, 1965). Précisons enfin que le même découpage en sous-périodes glissantes de 10 ans est utilisé pour ces nouvelles utilisations du GSST.
Les trois configurations testées sont les suivantes : 1. Base de forçages SPAZM + ETPOudin
Entrées de CemaNeige : précipitations et températures journalières SPAZM à 1 km moyennées sur cinq bandes d’altitudes de surfaces égales en entrée de CemaNeige.
Entrées de GR4J : lames d’eau journalières de bassin issues de CemaNeige et ETPs journalières de bassin calculées sur les températures SPAZM avec la formule d’Oudin.
2. Base de forçages SPAZM + ETPP enman−M onteith
Entrées de CemaNeige : précipitations et températures journalières SPAZM à 1 km moyennées sur cinq bandes d’altitudes de surfaces égales en entrée de CemaNeige.
Entrées de GR4J : lames d’eau journalières de bassin issues de CemaNeige et ETPs journalières de bassin de Penman-Monteith issues de la base SAFRAN.
3. Base de forçages SAFRAN + ETPOudin
Entrées de CemaNeige : précipitations et températures journalières SAFRAN à 8 km moyennées par bassin puis redécomposées sur cinq bandes d’altitudes de surfaces égales en utilisant les gradients altitudinaux moyens issus de Valéry (2010).
Entrées de GR4J : lames d’eau journalières de bassin issues de CemaNeige et ETPs journalières de bassin calculées sur les températures SAFRAN avec la formule d’Oudin.
Ces travaux ont été initiés dans l’optique de comparer les données de précipitation et tempé- rature issues des basesSPAZM et SAFRAN.Ils pourraient être repris pour cibler la question du choix de la formulation d’ETP en ajoutant par exemple une quatrième configuration dans laquelle nous considérerions les précipitations et températures de la base SAFRAN et l’ETP de Penman-Monteith (également calculée sur des données SAFRAN).
La figure 5.4 donne un aperçu des différences constatées entre les données issues de la base SAFRAN et celles issues de la base SPAZM. Nous y retrouvons notamment des différences quant à l’estimation des précipitations sur les bassins les plus arrosés, les volumes de préci- pitation estimés étant plus élevés pour SPAZM que pour SAFRAN. Ces différences ne sont pas surprenantes au regard des travaux Gottardi (2009), concepteur de la base SPAZM, qui travailla justement à améliorer l’estimation des précipitations en altitude et corriger les sous- estimations constatées sur les reliefs pour la réanalyse SAFRAN.
Afin de faciliter l’analyse des résultats duGSST pour les trois configurations considérées, nous nous concentrerons ici encore sur une sélection composée de bassins sur lesquels nous avions détecté une corrélation entre les erreurs de modélisation et l’écart de température entre les périodes de calage et validation (cf.section 3.3.2). Ces bassins ont l’avantage de constituer des nuages de points marqués par les tendances et ils facilitent ainsi les comparaisons rapides. Un sous-groupe de 93 bassins français où les trois configurations de forçages sont disponibles est donc constitué et utilisé pour mener notre étude de sensibilité au choix de la base de forçages.
Comparaison des résultats
Les résultats obtenus lors de ces tests sont illustrés à la figure 5.5. La situation utilisée dans tous les tests présentés jusqu’ici a été placée au centre (données de précipitations et tempé- ratures issues de SPAZM et formulation d’Oudin pour le calcul de l’ETP). Les deux autres configurations nouvellement testées sont placées de part et d’autre.
Les graphiques composant les colonnes de gauche et du centre ont en commun l’utilisation des champs de précipitations et température de la base SPAZM et diffèrent sur l’ETP fournie au modèle. Malgré des différences (parfois grandes) entre les de séries d’ETP considérées ici, la forte similitude entre les nuages obtenus révèle que le remplacement de la formulation d’ETP ne semble pas impacter les problèmes de robustesse auxquels sont confrontés les modèles sur ces bassins. Les graphiques composant les colonnes de droite et du centre ont seulement en commun la formule utilisée pour l’ETP (celle d’Oudin), et diffèrent quant aux champs de précipitations et température (SPAZM ou SAFRAN) qui servent à alimenter le modèle et à calculer l’ETP. En ce qui concerne les variations du critère MRC, les différences sont plus marquées que lors de la comparaison précédente. Bien qu’une tendance similaire reste visible, la nette augmentation de la hauteur des boîtes indique un nuage plus diffus avec des situations
Comparaison des précipitations moyennes annuelles de bassin
1000 1500 2000 2500
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SAFRAN SPAZM
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SPAZM / SAFRAN
Comparaison des températures moyennes annuelles de bassin
0 5 10 15
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SAFRAN SPAZM
−1.0 −0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SPAZM − SAFRAN
Comparaison des ETP moyennes annuelles de bassin
400 600 800 1000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SAFRAN Oudin SAFRAN Pen.M.
SPAZM Oudin
0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SPAZM Oudin / SAFRAN Oudin SPAZM Pen.M./ SAFRAN Oudin
Figure 5.4.: Aperçu des différences de données entre les bases SAFRAN et SPAZM sur les 365 bassins français de l’échantillon
de pertes de performance pouvant être élevées même avec des△TSAF RAN proches de 0. Enfin, une augmentation de hauteur des boîtes est visible sur les graphiques concernant les erreurs de volume, mais y est nettement moins prononcée, tandis que la relation entre Q/Qb et △T reste d’ampleur similaire.
Discussion
En dépit de données de mesures partiellement communes, nous avons remarqué des différences non négligeables entre les deux bases de forçages françaises à notre disposition (SPAZM et SAFRAN). Pourtant, le test de changement de base de données mené sur 93 bassins versants n’a pas mis en évidence de différence radicale vis-à-vis des erreurs sur les volumes moyens constatées lors du transfert des paramètres du modèle GR4J.
Nous pensions que la méthode de calcul de l’ETP pouvait constituer un point explicatif des erreurs de modélisation liée à des transferts entre des périodes de températures moyennes différentes. Parmi nos a priori, nous jugions que la formule d’Oudin, qui dépend uniquement de la température et du rayonnement extraterrestre, pouvait manquer une partie du signal qu’aurait capté une formule plus complexe telle que celle de Penman-Monteith (Oudin et al., 2005; Monteith, 1965). Nos comparaisons laissent penser que ce n’est pas le cas mais des travaux complémentaires sur cette question de l’évapotranspiration paraissent maintenant essentiels.
MRC = 1 − KGE [θ] RD − 1 1 − KGE [θ] RR
−2°C 0°C +2°C
0%
100%
200%
300%
400%
500%
Config. 2
TSP AZM PSP AZM
ETP(P en.M ont)SAF RAN
−2°C 0°C +2°C
0%
100%
200%
300%
400%
500%
Config. 1
TSP AZM PSP AZM
ETP(Oudin)SP AZM
−2°C 0°C +2°C
0%
100%
200%
300%
400%
500%
Config. 3
TSAF RAN PSAF RAN
ETP(Oudin)SAF RAN
Q [θ] / Q RDR
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
T D − T R
σ QR [θD] / µ QR [θD] σ QR / µ QR
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
T D − T R
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
T D − T R
−2°C 0°C +2°C
0.8 1 1.2
Figure 5.5.: Comparaison des pertes de performances lors des transferts entre périodes selon la base de forcages utilisée (SPAZM ou SAFRAN)
Résultats obtenus pour GR4J-CemaNeige (θneige fixés) sur une sélection de 93 bassins français.
Les boîtes à moustaches indiquent les quantiles 5, 25, 50, 75 et 95% sur chaque bande veticale.