Outils de modélisation de la physique de l atmosphère. Outils d analyse statistique et/ou géostatistique
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- Élodie Lussier
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1 Outils de modélisation de la physique de l atmosphère Outils d analyse statistique et/ou géostatistique Sandrine Anquetin, Etienne Leblois, Jean-Dominique Creutin, Gilles Molinié Eddy Yates (Thèse 2006), Julien Vetter (Thèse 2007), Angélique Godart (Thèse 2010) Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre 2010
2 Outils de modélisation de la physique de l atmosphère Eléments de compréhension du régime de précipitation dans la région Méditerranéenne Outils d analyse statistique et/ou géostatistique Sandrine Anquetin, Etienne Leblois, Jean-Dominique Creutin, Gilles Molinié Eddy Yates (Thèse 2006), Julien Vetter (Thèse 2007), Angélique Godart (Thèse 2010) Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre 2010
3 Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes - Vivarais Evénements hydrométéorologiques extrêmes Hydrologie : Evaluation de la variabilité de la pluie à l échelle d un bassin; Genèse du ruissellement; Processus hydrologiques à l échelle du bassin. Meteorologie Processus atmosphériques; Prévisibilité. Climatologie : Régime de pluie et tendance Observations opérationnelles - 3 radars bande S (ARAMIS network - Météo-France) pluviomètres horaires (Météo-France, DDE 30-07, DIREN, EdF) pluviomètres journaliers (Météo-France, DDE 30-07, DIREN, EdF) - 50 points de mesure de débit (DDE30-07, DIREN) Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
4 Estimation des pluies extrêmes pour des temps de retour de 100 ans Intensité horaire Intensité journalière Molinié et al., 2010 Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
5 Estimation des pluies extrêmes pour des temps de retour de 100 ans Intensité horaire Intensité journalière Convection Pas de localisation particulière Signature du relief Forte intermittence Faible intermittence Molinié et al., 2010 Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
6 Contexte Classe de temps Contribution Analyse de sensibilité Processus de convection Convection profonde - 1h Convection peu profonde en bandes - 24h h Cumulated precipitation (mm 2000 Extended Lambert II coordinates (km) Mont Aigoual Nîmes m Kg/kg E-03 Extended Lambert II coordinates (km) E-02.90E-03.85E E-03.75E E-03.65E E-03.55E E-03.45E-03.40E E-03.30E E-03.20E E-03.10E E-03 0 Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre m Anquetin et al.,
7 Contexte Classe de temps Contribution Analyse de sensibilité Processus de convection Convection profonde - 1h Convection peu profonde en bandes - 24h h Cumulated precipitation (mm 2000 Propriétés princpale : - Forte intensité pluviométrique ( 100 mm.h-1) and forte intermittence - Dépend du forçage grande échelle (SST, PV, etc...) et de la présence du relief (renforcement, locatisation) Extended Lambert II coordinates (km) Mont Aigoual Nîmes m Kg/kg E-02 Extended Lambert II coordinates (km) Propriétés principales : - Faible intensité pluviométrique ( 10mm.h-1) et faible intermittence - Depend du flux incident et des stuctures fines du relief (déclenchement).95e E-03.85E E-03.75E E-03.65E E-03.55E E-03.45E-03.40E E-03.30E E-03.20E E-03.10E E-03 0 Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre m Anquetin et al.,
8 Objectifs Quelle est la contribution des pluies de relief au régime pluviométrique de la région? Constitution d une classe de temps Quels sont les processus dominants? Analyse de sensibilité Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
9 Objectifs et moyens Quelle est la contribution des pluies de relief au régime pluviométrique de la région? Constitution d une classe de temps Quels sont les processus dominants? Analyse de données Méthodes statistiques Validation : Modélisation physique + analyse géostatistique Analyse de sensibilité Méthodes statistiques Modélisation physique Validation : analyse géostatistique Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
10 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
11 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; Godart et al., 2009, Met. Atm. Phys. Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
12 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; Critères atmospheriques 880 sondages verifient - vent de sud soutenu - vitesse > 7m/s 350 Godart et al., 2009, Met. Atm. Phys. Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
13 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; Critères pluviométriques Parmi les 350 sondages pour lesquels nous disposons de données pluviomètriques,121 verifient - Intensité moyenne horaire augmente avec l altitude Godart et al., 2009, Met. Atm. Phys. - L intermittence diminue avec l altitude Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
14 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; Comment analyser ces sondages pour lesquels nous ne disposons pas de données pluviométriques? Godart et al., 2010, JAMC Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
15 Fouille de données: Analyse Factorielle Discriminante (AFD) et Réseaux de Neurones (RN) Extraire un savoir à partir d un grand nombre de données Utiliser ce savoir dans des modèles prédictifs Nos objectifs: 1. Apprendre dans les radiosondages ce qui distingue «nos» évènements des autres évènements 2. Déterminer le groupe d appartenance des radiosondages restants Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
16 Méthodes statistiques: Classification + Interprétation physique Problème: le RN est difficilement interprétable Variables de base Groupe 1 (CPP) Groupe 2 (Autres évènements pluvieux) AFD RN Indice de Réussite Probabilité de détection Spécificité Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
17 Méthodes statistiques: Classification + Interprétation physique Problème: le RN est difficilement interprétable Connaissances: Recherche de variables élaborées Variables de base Groupe 1 (CPP) Groupe 2 (Autres évènements pluvieux) AFD RN Indice de Réussite Probabilité de détection Spécificité Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
18 Méthodes statistiques: Classification + Interprétation physique Problème: le RN est difficilement interprétable Connaissances: Recherche de variables élaborées Variables de base Variables élaborées Groupe 1 (CPP) Groupe 2 (Autres évènements pluvieux) Groupe 1 (CPP) Groupe 2 (Autres évènements pluvieux) AFD RN Indice de Réussite Probabilité de détection Spécificité AFD RN Indice de Réussite Probabilité de détection Spécificité Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
19 Identification de 16 variables discriminantes Les flux d humidité potentialisés entre m et m (FHP) La vitesse moyenne du vent sur le radiosondage (VM) Le cisaillement unidirectionnel entre m (Cis uni) Le cisaillement directionnel (Cis dir) Les gradients de température potentielle équivalente par couche de 1000m Les géopotentiels 950hPa à 700hPa Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
20 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; Utilisation conjointe de l AFD et du RN - 16 variables discriminantes - Extraction de 133 sondages Godart et al., 2010, JAMC Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
21 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution % sondages à Nîmes Pluviomètres horaires ; ; # % 19% 11% DJF MAM JJA SON Season 224 Godart et al., 2010, JAMC Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
22 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation Modélisation non-hydrostatique 3/ Contribution de l atmosphère (MesoNH) Résolution : 4 km Résolution : 1 km 224 Sondage moyen ou 26 sondages individuels Turbulence 1D Microphysique froide Convection profonde résolue explicitement Turbulence 3D Microphysique froide Convection résolue explicitement Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre 2010 Paramétrisation de la convection peu profonde Pas de paramétrisation de la convection peu profonde Godart et al., 2010, JAMC 17
23 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution 224 Sondage moyen ou 26 sondages individuels Modélisation non-hydrostatique de l atmosphère (MesoNH) Analyse géostatistique (structure des bandes, intermittences,...) Extended Lambert II Coordinates (km) Intensité pluviométrique moyenne Extended Lambert II Coordinates (km) Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre 2010 Godart et al., 2010, JAMC 18
24 Convection orographique organisée en bandes Méthodologie: 1/ Construction d une classe de temps 2/ Validation/Evaluation 3/ Contribution réanalysessafran (Météo-France) x 8 km 2 ± 12h autour du sondages Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
25 ACP Apport des analyses statistiques #2 # #1 Vitesse moyenne et Flux d humidité potentialisés #2 (13%)!e(3000m-2000m) #3 (8%)!e(3000m-2000m) #1 (40%) Cisaillement unidirectionnel Géopotentiel (1500m-3000m) Flux d humidité potentialisés (0-1000m) et (1000m-3000m # # # Variables élaborées - Bonne discrimination - 3 premiers axes : 61% variance Sondages répondant aux critères dynamique Sondages des évènements convection orographique Figure 7-11 : Même légende que la figure 7-10, mais ACP sur les 880 radiosondages caractérisés par les 16 variables discriminantes Interprétation de l AFD Tout comme pour l ACP, l interprétation de l AFD se fait en analysant les corrélations entre les variables initiales et l axe discriminant. Le fichier de données est le fichier utilisé en entrée de l AFD lors de la phase de prédiction, c'est-à-dire les 174 radiosondages (91 du groupe 1 et 83 du groupe 2) caractérisés par les 16 variables discriminantes. Le tableau 7-2 donne le détail des corrélations variables/facteurs. Plus la valeur absolue du coefficient de corrélation est grande, plus la variable contribue à la formation de l axe. Ainsi, les variables les plus discrimantes parmi les 16 sont : le flux d humidité potentialisé entre m (FHP0-1), la vitesse moyenne du vent, le flux Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
26 ACP Apport des analyses statistiques #2 # #1 Vitesse moyenne et Flux d humidité potentialisés #2 (13%)!e(3000m-2000m) #3 (8%)!e(3000m-2000m) #1 (40%) Cisaillement unidirectionnel Géopotentiel (1500m-3000m) Flux d humidité potentialisés (0-1000m) et (1000m-3000m # # # Variables élaborées - Bonne discrimination - 3 premiers axes : 61% variance Sondages répondant aux critères dynamique Sondages des évènements convection orographique Figure 7-11 : Même légende que la figure 7-10, mais ACP sur les 880 radiosondages caractérisés par les 16 variables discriminantes. AFD Coefficient de corrélation entre les 16 variables et l axe factoriel Variables discriminant nos évènements Interprétation de l AFD Cis uni Tout comme pour l ACP, FHP l interprétation m de l AFD se fait en analysant les corrélations Z700 entre les variables initiales et l axe m discriminant. Le fichier de données est le fichier utilisé en entrée de FHP m Θe(4000m) θe(3000m) l AFD lors de la phase de prédiction, c'est-à-dire les 174 radiosondages (91 du groupe 1 et 83 du 0 groupe 2) caractérisés par les 16 variables discriminantes. Le tableau 7-2 donne le détail des Variables discriminant les autres évènements pluvieux corrélations variables/facteurs. Plus la valeur absolue du coefficient de corrélation est grande, plus la VM variable contribue à la formation de l axe. Ainsi, les variables Θe(1000m) les plus θe(0m) discrimantes parmi les Z sont : Z900 Θe(3000m) θe(2000m) Cis dir le flux d humidité potentialisé Θe(5000m) entre m θe(4000m) (FHP0-1), la vitesse moyenne du vent, le flux Z950 Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre Z800 Z850 Θe(2000m) θe(1000m) Corrélation
27 Analyse de sensibilité sur les processus dominants Coordonnées Lambett II étendu (km) a) RS générique b) q10rh c) q90rh d) Profv e) Vfaib f) Vfort Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
28 Analyse de sensibilité sur les processus dominants Coordonnées Lambett II étendu (km) a) RS générique b) q10rh c) q90rh Même flux d humidité d) Profv e) Vfaib f) Vfort Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
29 Analyse de sensibilité sur les processus dominants Coordonnées Lambett II étendu (km) a) RS générique Même vitesse moyenne b) q10rh c) q90rh Même flux d humidité d) Profv e) Vfaib f) Vfort Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
30 Comparaison entre les évènements orographiques et les autres événements pluvieux Vitesse moy Cisaillement uni Cisaillement dir FHP FHP m Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
31 Comparaison entre les évènements orographiques et les autres événements pluvieux Z500hPa Z850hPa RH500hPa RH850hPa Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
32 Conclusions Outils de modélisation de la physique de l atmosphère Validation d une classe de temps Compréhension des processus physiques Outils d analyse statistique et/ou géostatistique Elaboration d une classe de temps Validation des simulations physiques Identification des processus dominants Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre 2010
33 Perspectives Géopotentiel 500hPa + Vent 925hPa + Humidité relative 925hPa Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
34 Perspectives Classification «type de temps» Occurrence dans le climat présent Evaluation dans un climat futur Modification de l occurrence et de la contribution Géopotentiel 500hPa + Vent 925hPa + Humidité relative 925hPa Journée Climat / Hydrologie / Biodiversité - OSUG - 11 Octobre
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