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International audience; The Mediterranean region is frequently affected by heavy precipitation events (HPE) associated with flash-floods (FF), landslides and mudslides each year that cost several thousands millions of euros in damage and causing too often casualties. Within the framework of the 10-year international HyMeX program dedicated to the hydrological cycle and related processes in the Mediterranean, a major field campaign has been dedicated to heavy precipitation and flash-floods from September to November 2012. The 2-month field campaign took place over the Northwestern Mediterranean Sea and its surrounding coastal regions in France, Italy and Spain. The observation strategy aimed at documenting four key components leading to heavy precipitation and flash-flooding in that region: (i) the marine atmospheric flows that transport moist and conditionally unstable air towards the coasts; (ii) the Mediterranean Sea as a moisture and energy source; (iii) the dynamics and microphysics of the convective systems; (iv) the hydrological processes during flash-floods. The presentation will briefly provide the rationale for developing this field campaign and an overview of the design and execution of the field campaign (Ducrocq et al, 2013). Highlights on specific Intense Observations Periods (IOPs) will illustrate some first results using aircraft and ground-based observations and associated modeling studies in terms of (i) atmospheric process understanding, (ii) HPE and FF predictability studies and (iii) NWP validation and improvement. HyMeX is endorsed by WWRP-THORPEX and WWRP JSC.

The northwestern Mediterranean is prone to heavy rainfall events that lead to flash-floods over the small to medium basins of the region. The first part of the thesis is to assess the benefit of using the ISBA-TOPMODEL coupled system to simulate this type of flooding on three watersheds of the Cévennes-Vivarais region. mediterranean flash-floods. The potential of convective-scale deterministic forecasts (such as those provided by the French AROME model) for flow forecasting is discussed in the second part of the Ph.D work. It is shown that location errors in the rainfall forecast propagate into the hydrologic model to grow. In the last part, to quantify these uncertainties, a perturbation method of the AROME precipitation forecast is is developed. The rainfall scenarios are then igested into ISBA-TOPMODEL to generate an ensemble of dicharge forecasts. The resulting discharge ensembles are found better than the discharge simulation driven by the single deterministic operational AROME forecast.; Les régions méditerranéennes sont soumises au risque de crue-éclair à l'automne. Le premier volet de cette thèse a permis d'évaluer l'apport du système couplé ISBA-TOPMODEL pour la simulation de ce type de crues sur trois bassins versants cévenols. Le potentiel des prévisions déterministes à fine échelle (telles que celles fournies par le modèle AROME) pour la prévision des débits est examiné dans le deuxième volet de la thèse. On montre que les erreurs de localisation de la prévision de pluie se propagent dans le modèle hydrologique en s'amplifiant. Finalement, pour quantifier ces incertitudes, une méthode de perturbation des pluies prévues par AROME est développée et utilisée pour générer des ensembles de débits prévus. La prévision d'ensemble des débits s'est montrée meilleure qu'une prévision de débits partant de la prévision déterministe de pluie.

A comprehensive hydrometeorological dataset is presented spanning the period 1 January 201131 December 2014 to improve the understanding of the hydrological processes leading to flash floods and the relation between rainfall, runoff, erosion and sediment transport in a mesoscale catchment (Auzon, 116 km(2)) of the Mediterranean region. Badlands are present in the Auzon catchment and well connected to high-gradient channels of bedrock rivers which promotes the transfer of suspended solids downstream. The number of observed variables, the various sensors involved (both in situ and remote) and the space-time resolution (similar to km(2), similar to min) of this comprehensive dataset make it a unique contribution to research communities focused on hydrometeorology, surface hydrology and erosion. Given that rainfall is highly variable in space and time in this region, the observation system enables assessment of the hydrological response to rainfall fields. Indeed, (i) rainfall data are provided by rain gauges (both a research network of 21 rain gauges with a 5 min time step and an operational network of 10 rain gauges with a 5 min or 1 h time step), S-band Doppler dual-polarization radars (1 km(2), 5 min resolution), disdrometers (16 sensors working at 30 s or 1 min time step) and Micro Rain Radars (5 sensors, 100m height resolution). Additionally, during the special observation period (SOP-1) of the HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment) project, two X-band radars provided precipitation measurements at very fine spatial and temporal scales (1 ha, 5 min). (ii) Other meteorological data are taken from the operational surface weather observation stations of Meteo-France (including 2m air temperature, atmospheric pressure, 2 m relative humidity, 10m wind speed and direction, global radiation) at the hourly time resolution (six stations in the region of interest). (iii) The monitoring of surface hydrology and suspended sediment is multi-scale and based on nested catchments. Three hydrometric stations estimate water discharge at a 2-10 min time resolution. Two of these stations also measure additional physico-chemical variables (turbidity, temperature, conductivity) and water samples are collected automatically during floods, allowing further geochemical characterization of water and suspended solids. Two experimental plots monitor overland flow and erosion at 1 min time resolution on a hillslope with vineyard. A network of 11 sensors installed in the intermittent hydrographic network continuously measures water level and water temperature in headwater subcatchments (from 0.17 to 116 km(2)) at a time resolution of 2-5 min. A network of soil moisture sensors enables the continuous measurement of soil volumetric water content at 20 min time resolution at 9 sites. Additionally, concomitant observations (soil moisture measurements and stream gauging) were performed during floods between 2012 and 2014. Finally, this dataset is considered appropriate for understanding the rainfall variability in time and space at fine scales, improving areal rainfall estimations and progressing in distributed hydrological and erosion modelling., Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe, 671

Intense precipitation events in the Mediterranean often lead to devastating flash floods. The affected watersheds are characterized by steep slopes and a short response time. Flash floods can be violent and destructive. Dedicated meteorological and hydrological systems are thus necessary to anticipate those flash floods. The ISBA -TOP coupled system was developed to simulate the hydrological reaction of fast responding rivers. It is a coupling between the ISBA surface scheme and a version of the TOPMODEL hydrological model dedicated to mediterranean flash floods simulation.A first part of the thesis aims at assessing the benefit of a better representation of hydrological processes within the soil for discharge simulation with ISBA-TOP. Moreover, it would allow the use of ISBA-TOP for any watershed even ungauged. A version of ISBA-TOP based on ISBA-DF (the diffusive version of ISBA that discretizes soil columns in multiple layers) has been compared to the original ISBA-TOP that relies on ISBA-3L (with only 3 soil layers). On 18 study cases, better discharge simulations are obtained basically using the new ISBA-TOP version. So this improved representation of hydrological processes in the soil allows to improve discharge simulations and to be confident into the results obtained for small ungauged catchments.The second part of this PhD work concerns the uncertainty that affects ISBA-TOP simulations. For flash floods, rainfall data used to drive an hydrological model are the major source of uncertainty. But initial soil moisture knowledge is also uncertain and the hydrological model himself is affected by uncertainty. The sensitivity of ISBA-TOP model to its parameters and initial soil moisture is investigated to document those two sources of uncertainty. First an academic case is used to verify some preliminary hypotheses and then real cases are studied to properly consider the different data heterogeneities. Discharge simulations with ISBA-TOP are sensitive to three hydro dynamical parameters : the saturated soil water content, the saturated hydraulic conductivity and the rate of decrease of the transmissivity with depth. This sensitivity is found very dependant on initial soil moisture conditions.Perturbation methods varying the 3 parameters that have the highest impact on discharge simulations as well as initial soil moisture allow to design an ensemble prediction system. This ensemble has been assessed for 6 real cases. Using this ensemble-based approach for discharge simulation lead to better results than using the deterministic version. The skill of the ensemble with 30 to 50 members is close to the skill of this ensemble with 100 members whereas it outerperfoms an ensemble with 10 members.The last part of the thesis is the conception of a complete hydrometeorological ensemble prediction system (HEPS). The hydrological ensemble defined in the second part of the thesis is used to take the uncertainty that affects the hydrological modelling and initials soil moisture into account. The uncertainty that affects precipitation fields is sampled using the AROME ensemble prediction system (AROME-EPS). The skill of this complete chain is better than an HEPS based on AROME-EPS and the deterministic version of ISBA-TOP. But both HEPS exhibit a low bias for discharge simulation on the study cases sample. This bias can come from a low bias that is found for the AROME-EPS rainfall forecasts. A simple bias correction applied on rainfall forecasts improves the bias on discharge forecasts.; Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises au risque de crues rapides. Ces crues sont provoquées par des pluies intenses pouvant être stationnaires et qui affectent des bassins versants à la topographie marquée et aux temps de réponses courts.Ces crues peuvent être très violentes, dévastatrices voire meurtrières. Il est donc important de disposer de systèmes de prévision adaptés pour l'anticipation des pluies et des débits des cours d'eau méditerranéens. Le système couplé ISBA-TOP a été particulièrement conçu pour simuler la réponse hydrologique de bassins versants à dynamique rapide.Il s'agit d'un couplage entre le modèle de surface ISBA et une version du modèle hydrologique TOPMODEL adaptée aux crues rapides.Une première étape du travail de thèse a été d'évaluer l'apport d'une meilleure représentation des processus hydrologiques dans le sol pour la simulation des débits avec ISBA-TOP. Une version d'ISBA-TOP basée sur la version diffusive d'ISBA (ISBA-DF qui découpe verticalement les colonnes de sol en de multiples couches) a donc été comparée à la version originale d'ISBA-TOP qui utilisait l'approche ISBA-3L où 3 couches de sol sont représentées. Sur un échantillon d'une vingtaine de cas d'étude, on montre une légère amélioration des simulations de débits avec la nouvelle version d'ISBA-TOP. Cette nouvelle version permet de s'affranchir du calage de deux paramètres gérant la répartition verticale de l'eau dans les colonnes de sol qu'il était nécessaire de réaliser pour chacun des bassins étudiés. La simulation de petits bassins versants non jaugés, pour lesquels on ne dispose pas d'observations pour réaliser le calage des paramètres, peut donc être envisagée. Il n'en reste pas moins que la modélisation hydrologique avec ISBA-TOP (comme avec tout autre modèle) reste entachée d'incertitude.La seconde partie de cette thèse vise à identifier ces incertitudes et à les quantifier. Dans le cas des crues rapides, les données de précipitation utilisées en entrée du modèle hydrologique constituent la source majeure d'incertitude mais elle n'est pas la seule.La connaissance des conditions initiales d'humidité des sols est également incertaine et le modèle hydrologique, lui-même, est entaché d'incertitude de par la "paramétrisation"' des processus physiques et de par sa structure. Afin d'explorer ces deux sources d'incertitude et de les hiérarchiser, une étude de sensibilité du modèle ISBA-TOP à ses paramètres et à ses conditions initiales d'humidité des sols a été menée. Cette étude de sensibilité a d'abord été conduite pour un cas idéalisé, d'interprétation plus facile, avant de confirmer et d'approfondir les résultats sur des cas réels. Les simulations de débit avec ISBA-TOP se sont avérées particulièrement sensibles à trois des paramètres hydrodynamiques : le contenu en eau à saturation, la conductivité hydraulique à saturation et le taux de décroissance de la transmissivité avec la profondeur. Cette sensibilité, toutefois, est très dépendante des conditions initiales d'humidité des sols. Sur la base des résultats de l'étude de sensibilité, une méthode de perturbation des paramètres du modèle hydrologique a été conçue afin de tenir compte des erreurs de modélisation. Elle est complétée par une méthode de perturbations des conditions initiales en humidité des sols afin de constituer un système de simulation hydrologique d'ensemble. Évalué sur six cas réels, il a été montré que cet ensemble a un apport pour la simulation des débits par rapport à la version déterministe du modèle. Le nombre optimal de membre se situe autour 30 ou 50. Dans cette configuration, la performance de l'ensemble est proche de celle d'un ensemble de 100 membres mais nettement meilleure qu’avec seulement 10 membres. Le dernier volet de cette thèse porte sur la conception d'une prévision d'ensemble hydrométéorologique complète. L'incertitude sur les prévisions de précipitation en entrée, est échantillonnée en utilisant des précipitations prévues par les membres de la prévision d’ensemble AROME (PEARO). Les performances de ce système de prévision d'ensemble sont meilleures que si les membres de la PEARO sont utilisés en entrée de la version déterministe d'ISBA-TOP. Ces deux systèmes de prévision d'ensemble des débits ont montré un biais bas sur l'échantillon d'étude (constitué de quatre évènements). Ce biais peut être expliqué en partie par un biais bas de la PEARO pour les quantités de pluies prévues sur les bassins versants. Une méthode de correction simple de ce biais sur les pluies prévues permet de corriger partiellement le biais sur les débits prévus.