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Urban floods due to intense precipitation are a major problem in many tropical regions as in Africa. The flood risk is increasing due to extreme rainfall, land use change and increasing population density, especially in urban areas. To anticipate these phenomena and their impacts, monitoring rainfall and its evolution is needed, with a dedicated observing system. In West Africa, most rainfall is provided by organized convection during the monsoon period. To characterize rainfall within these propagative systems with an intense front of convective cells, observation at fine space and time scale is needed (kilometric and sub-hourly) is needed. In tropical regions and especially in Africa, the operational hydrometeorological network is insufficient: the data access and density of pluviograph networks are problematic; meteorological radars are not available and even if satellite observation provides essential information on convective systems, the rainfall estimation lacks precision at convective scale and in real time. In this context a promising technique has emerged: rainfall measurement based on signal fluctuations on the mobile phone network. The method is based on estimating attenuation of microwave signal due to rainfall between relay antennas. The technique has been tested in several prospective studies in Africa, linked to the Rain Cell project. The main purpose of this PhD is analysing the potential contribution of these measurements for urban hydrology in Africa (or other poorly observed regions). After the introduction, the first part of this thesis analyses uncertainties in rainfall measurement from commercial microwave links, and their propagation in hydrological simulation. The analysis is based on emulating synthetic microwave links to characterize two sources of uncertainty: i) the signal accuracy given by the telephone operator ii) the networks geometrical setup, defined by link positions, length, and orientation in a watershed. The distributed hydrological model Athys is used to test the propagation of the uncertainties in the simulated discharge with a case test in Ouagadougou, Burkina Faso. The second part of the thesis illustrates rainfall estimation from commercial microwave links over an urban area, thanks to a real dataset acquired in Niamey, Niger, in collaboration with the telephone operator Orange. A hundred microwave links are exploited around Niamey (100 km²). The rainfall derived from this 15 minutes data is compared with three pluviographs from the AMMA-Catch network for eight intense organized rainfall systems recorded in 2017. The excellent capacity to quantify and reproduce the spatio-temporal rainfall structure by the microwave links network is highlighted by this study.[...]; Les inondations pluviales sont un fléau en zone tropicale et tout spécialement en Afrique où elles causent chaque année des dégâts humains et matériels majeurs, impactant le développement de ces régions. Le risque d'inondation est en recrudescence, notamment dans les zones urbaines, sous l'effet combiné de phénomènes de pluies extrêmes, des changements d'occupation du sol et de la démographie galopante. Pour anticiper ces phénomènes et leur impact, il est essentiel de bien observer les évènements pluvieux à l'origine des inondations. Au Sahel la saison pluvieuse est caractérisée par une convection organisée en période de Mousson. Ces systèmes convectifs propagatifs génèrent des champs de pluie extrêmement variables spatialement et temporellement, qu'il faudrait caractériser à des échelles fines : kilométrique et infra-horaire. Les systèmes d'observations actuels dans les régions tropicales, et singulièrement en Afrique, sont insuffisants : les réseaux de pluviomètres sont peu denses et l'accès aux données est problématique ; les radars météorologiques utilisés dans les pays industrialisés ne sont pas disponibles ; l'observation satellitaire apporte une information essentielle mais encore entachée d'incertitude aux échelles convectives et en temps réel. Dans ce contexte une technique prometteuse a émergé : la mesure de pluie à partir de fluctuations de signaux observées sur les réseaux de téléphonie mobile. La méthode exploite l'atténuation mesurée entre les antennes relais, dans le domaine des micro-ondes, très sensible à la pluie. Dans le cadre du projet Rain Cell cette technique de mesure a été validée dans plusieurs chantiers pilotes en Afrique. L'objet central de cette thèse est d'analyser l'apport de ces mesures pour l'hydrologie urbaine. Après avoir présenté le contexte, une première partie de la thèse est consacrée à l'analyse des incertitudes dans l'estimation de pluie basée sur les liens micro-ondes commerciaux, et leur propagation dans la simulation hydrologique. Un simulateur de données de liens synthétiques a été réalisé et mis en œuvre pour caractériser l'impact de deux sources d'incertitudes : i) la précision des signaux bruts obtenus de l'opérateur de téléphonie et ii) la configuration géométrique du réseau, position, longueur et orientation des liens au sein du bassin. Pour analyser la propagation des incertitudes, les données sont utilisées en forçage d'un modèle hydrologique distribué, ATHYS, mis en place sur la ville de Ouagadougou au Burkina Faso. La seconde partie de la thèse illustre l'intérêt des liens micro-ondes commerciaux en analysant un jeu de données effectivement acquis au Niger, à Niamey grâce à une collaboration avec l'opérateur Orange. Sur l'agglomération de Niamey, de 100 km2 environ, les données d'une centaine de liens micro-ondes ont pu être exploitées. Ces données acquises au pas de temps de 15 minutes sont comparées à trois pluviographes du réseau AMMA-Catch à Niamey, pour huit systèmes pluvieux organisés intenses enregistrés en 2017. L'étude met en évidence l'excellente capacité du réseau de liens à quantifier les pluies, et à caractériser leur structure spatiale et temporelle. [...]

Trockenheiten und Hitzewellen beeinflussen unsere Gesellschaft und die Vegetation. Insbesondere im Zusammenhang mit dem Klimawandel sind die Auswirkungen auf die Vegetation von besonderer Bedeutung. Im globalen Kohlenstoffkreislauf sind terrestrische Ökosysteme normalerweise Senken von Kohlenstoffdioxid, können sich aber während und nach Klimaextremereignissen in Kohlenstoffquellen verwandeln. Ein entscheidender Aspekt hierbei ist die Rolle verschiedener Pflanzenarten und Vegetationstypen auf verschiedenen Skalen, die die Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen. Obwohl durch physiologische Unterschiede zwischen verschiedenen Pflanzenarten unterschiedliche Reaktionen auf Extremereignisse naheliegen, sind diese Unterschiede auf globaler Ebene nicht systematisch ausgewertet und vollständig verstanden. Ein weiter Aspekt ist, dass Klimaextremereignissen von Natur aus multivariat sind. Beispielsweise kann heiße Luft mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. Extremereignisse mit starken Auswirkungen waren in der Vergangenheit häufig multivariat, wie beispielsweise in Europa 2003, Russland 2012, oder den USA 2012. Diese multivariate Natur von Klimaextremen erfordert eine multivariate Perspektive auf diese Ereignisse. Bisher werden meistens einzelne Variablen zu Detektion von Extremereignissen genutzt und keine Kovariation oder Nichtlinearitäten berücksichtigt. Neue generische Workflows, die solche multivariaten Strukturen berücksichtigen, müssen erst entwickelt oder aus anderen Disziplinen übertragen werden, um uns eine multivariate Perspektive auf Klimaextreme zu bieten. Das übergeordnete Ziel der Dissertation ist es, die Erkennung und das Verständnis von Klimaextremen und deren Auswirkungen auf die Vegetation zu verbessern, indem eine breitere multivariate Perspektive ermöglicht wird, die bisherige Ansätze zur Erkennung von Extremereignissen ergänzt.

In the TERrestrial ENvironmental Observatories (TERENO) prealpine region, the temporal and spatial variability of water and energy fluxes is highly influenced by the heterogeneity of land-surface characteristics. In this region, ecohydrometeorological variables and processes like soil moisture, evapotranspiration (ET), vegetation type and dynamics, and surface heat fluxes exhibit rapid changes within short distances. This is mainly due to the heterogeneity in topography, soil-landuse properties, and land-surface interactions. The energy –and water budgets in such environments are thus highly controlled by the domain characteristics. Therefore, accurate spatial variability of the hydrometeorological variables can be only achieved with a distributed physically-based high resolution hydrologic modelling approach. Such models take into account all domain characteristics by simultaneously solving the water and energy balance over complex mountain terrain. This PhD thesis investigates: i) the turbulent flux variability and energy balance closure, ii) the spatiotemporal variability and dependence structure of the coupled water –and energy fluxes (via forward modeling), iii) and the sensitivity and uncertainty pertaining to hydrological model parameters (via inverse modeling) in the TERENO prealpine region, southern Germany. This is achieved by i) using the Eddy Covariance technique (EC), ii) application of the distributed hydrological model GEOtop and empirical Copulas, iii) and a combination of GEOtop and the Parameter ESTimation tool (PEST) for this complex region. To obtain the above research objectives as best as possible, this thesis is structured and organized into three main- result parts as follows: In the first part, the turbulent flux variability and energy balance closure (EBC) is characterized for the TERENO EC sites during 2013-2014. The main goals are to characterize the multiscale variations and derivers of the turbulent fluxes, as well as to quantify the EBC. The results show significant differences in the mean diurnal variations of the turbulent fluxes. The radiation (29.5%) and temperature (41.3%) components are found as the main drivers of turbulent fluxes. A general lack of EBC is observed. On average, 80% of the flux footprint is emitted from a radius of 250 m around the EC stations. In the second part, the spatiotemporal variability and dependence structure patterns of the coupled water and energy fluxes are quantified using the GEOtop model and empirical Copulas for the Rott (~55 km2) and Upper-Ammer (~300 km2) catchments in the TERENO prealpine region over two summer episodes in 2013 and 2015. GEOtop is capable of quantifying the temporal and spatial variability of the water and energy budgets with consideration for elevation-gradient effect of this heterogeneous landscape, which is confirmed by the linear statistical metrics applied for the model performance evaluation. Furthermore, the empirical Copula-based dependence structures of the measured and simulated hydrometeorological variables indicate that the highest densities are found in the lower and upper ranks. This suggests a reasonable performance of the model for the low and high values, which, the model has poorer performance in the middle ranks of the data. In the third part, an inverse modeling of the streamflow and turbulent fluxes together with the associated parameter sensitivity and uncertainty analysis is performed using the developed GEOtop-PEST interface in the Rott catchment over two summer episodes in 2013 and 2015. Using this interface, the value added by including turbulent flux data in the parameter estimation process is particularly investigated, and the impact of the additional flux data on the uncertainty bounds is analyzed. A set of model parameters that allowed reproducing both observed streamflow and turbulent heat fluxes were identified. The majority of the estimated parameters were highly sensitive to the considered variables. It was found that the confidence bounds of estimated parameters are narrowed significantly when considering not only streamflow observations, but additionally turbulent flux measurements in the calibration process. Also, correlations between estimated parameters could be reduced. The results presented in this thesis contribute to further improve our understanding of the hydrometeorological impacts, land-atmosphere interactions and the hydrological cycle in time and space over the TERENO prealpine region.

International audience; The French part of the Meuse River catchment was identified as vulnerable to drought hazard by water managers, and this should be critically exacerbated in a changing climate where increasing drought magnitude is expected. Water managers need new statistical tools to better anticipate drought hazard, making best use of the available meteorological data and sometimes spatially scarce hydrological data. This issue is currently explored within the CHIMERE21 project supported by the Rhine-Meuse Water Agency, in which the impacts of climate change on water management are analysed. More specifically, simple and informative indicators are investigated to help decision in managing water scarcity on this international basin. In France, the meteorological services (Météo-France, MF) provide maps of diverse gridded hydro-meteorological indices at a 10-day or 1-month time-step directly to the Water Agencies, including maps of the Standardized Precipitation Index (SPI) and the Standardized Soil Wetness Index (SSWI). The SPI can be used to quantify meteorological drought while the SSWI can help characterising soil moisture drought. Hydrologists of DREAL Grand-Est (Direction Régionale de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement), the public body in charge of water management strategy in the Rhine-Meuse basins, are willing to use these maps for hydrological drought characterization in order to better understand drought hazard and adapt water management accordingly. To define drought hazard, DREAL Grand-Est generally uses a threshold approach, the threshold being calculated with a 3-day moving average minimum flow (VCN3) for different return periods (2, 5, 10, and 20 years). When river flow drops below one of these thresholds, a more or less severe drought state is declared and drought management measures are adopted consequently. The work presented here involves water managers and researchers to develop an innovative approach for drought characterization at the sub-catchment scale. It aims to use a logistic regression approach and build a relationship between the probability of reaching a given drought severity stage (VCN3 for different return periods) and observed hydro-meteorological indices (SPI and SSWI). The French Meuse River catchment is used as a case study to develop this approach. MF maps of SSWI and SPI are available on an 8-km grid. VCN3 indicators are spatially computed at the subcatchment scale based on observed discharge for 16 stations. Since the ultimate aim is to apply this method on ungauged catchments, regressions are built on a subset of these stations and assessed on the rest of them to estimate their transferability in space.

Sources of spring predictability of the hydrological system over France were studied on a seasonal time scale over the 1960–2005 period. Two random sampling experiments were set up in order to test the relative importance of the land surface initial state and the atmospheric forcing. The experiments were based on the SAFRAN-ISBA-MODCOU hydrometeorological suite which computed soil moisture and river flow forecasts over a 8-km grid and more than 880 river-gauging stations. Results showed that the predictability of hydrological variables primarily depended on the seasonal atmospheric forcing (mostly temperature and total precipitation) over most plains, whereas it mainly depended on snow cover over high mountains. However, the Seine catchment area was an exception as the skill mainly came from the initial state of its large and complex aquifers. Seasonal meteorological hindcasts with the Météo-France ARPEGE climate model were then used to force the ISBA-MODCOU hydrological model and obtain seasonal hydrological forecasts from 1960 to 2005 for the entire March-April-May period. Scores from this seasonal hydrological forecasting suite could thus be compared with the random atmospheric experiment. Soil moisture and river flow skill scores clearly showed the added value in seasonal meteorological forecasts in the north of France, contrary to the Mediterranean area where values worsened.

This paper describes an integrated, high-resolution dataset of hydro-meteorological variables (rainfall and discharge) concerning a number of high-intensity flash floods that occurred in Europe and in the Mediterranean region from 1991 to 2015. This type of dataset is rare in the scientific literature because flash floods are typically poorly observed hydrological extremes. Valuable features of the dataset (hereinafter referred to as EuroMedeFF database) include i) its coverage of varied hydro-climatic regions, ranging from Continental Europe through the Mediterranean to Arid climates, ii) the high space-time resolution radar-rainfall estimates, and iii) the dense spatial sampling of the flood response, by observed hydrographs and/or flood peak estimates from post-flood surveys. Flash floods included in the database are selected based on the limited upstream catchment areas (up to 3000 km2), the limited storm durations (up to 2 days), and the unit peak flood magnitude. The EuroMedeFF database comprises 49 events that occurred in France, Israel, Italy, Romania, Germany, and Slovenia, and constitutes a sample of rainfall and flood discharge extremes in different climates. The dataset may be of help to hydrologists as well as other scientific communities because it offers benchmark data for the identification and analysis of the hydro-meteorological causative processes, evaluation of flash flood hydrological models and for hydro-meteorological forecast systems. The dataset also provides a template for the analysis of the space-time variability of flash flood-triggered rainfall fields and of the effects of their estimation on the flood response modelling. The dataset is made available to the public as a "public dataset" with the following DOI: (https://doi.org/10.6096/mistrals-hymex.1493).

The Tana River basin (TRB) is both vulnerable and prone to hydrological extremes of floods and droughts. Yet, the TRB is an extensive agricultural area that also contributes to more than half of Kenya’s hydropower production. The basin is thus a contributor to the population’s food security in this region and to Kenya’s economy in general. This calls for proper understanding of the basin’s hydrometeorology as a mean’s of managing and mitigating the impacts of the extremes mentioned above. This PhD study contributes to a qualified and improved knowledge of the basin’s atmospheric-terrestrial water balance. This is achieved through the application of the regional climate model Weather Research and Forecasting (WRF) and the coupled WRF-Hydro modeling system to this area. The WRF model’s ability to reproduce the 4-year (2011-2014) precipitation and tem-perature basin’s climatology is analysed. The simulation results are compared with Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM), Climate Hazards Group Infrared Precipi-tation with Station data (CHIRPS), Climate Research Unit (CRU), Global Land Evapo-ration Amsterdam Model (GLEAM) and station data. Further, the uncoupled WRF-Hydro model is calibrated in order to identify a set of parameters in which it can mimic the hydroclimatology of the upper TRB. The calibration is based on stream flow data from the Tana Rukanga’s river gauge station (RGS) 4BE10 at the outlet of the delineated Mathioya-Sagana subcatchment (3279 km²). The WRF’s model ability to reproduce the TRB’s 4-year precipitation and temperature climatology is investigated in two stages: the identification of suitable configuration of set of parameterizations and the better configuration based on the impact of two different land use classifications i.e., the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and the U.S Geological Survey (USGS) at two horizontal resolutions (50 km and 25 km). The parameterizations investigated are three cumulus convection schemes: Kain-Fritsch (KF), Grell Freitas (GF) and Bett Miller Janjic (BMJ); two microphysics schemes: WRF Single Moment 6-class (WSM6) and Lin et al. (LIN) while other schemes are uniform for all the 6 configurations. The KF, WMS6, ACM2 (KWA) configuration provides more reasonable results in simulating the seasonal and annual amounts of precipitation. In case of temperature all the considered six configurations simulate similar results with a cold bias compared to both station and CRU temperature. The land-use impact-based experiments show that all WRF simulations capture well the annual as well as the interannual and spatial distribution of precipitation in the TRB according to station data and the TRMM estimates. The results show that by increasing the horizontal resolution of the WRF model from 50 km to 25 km, together with the use of the MODIS land use classification, a significant improvement in the precipitation results can be achieved. However, in the case of temperature, there is no discernible difference between the various experiments. In general, the WRF model reproduces reasonably the spatial patterns and seasonal cycle with a systematic cold bias with respect to both station and CRU data. The results from this study thus contribute to the identification of suitable and regionally adapted regional climate models (RCMs) for East Africa. The WRF and coupled WRF-Hydro simulations focusing on the Mathioya-Sagana sub-catchment at 5 km horizontal resolution show good results in terms of precipitation, streamflow and evapotranspiration ET. The simulated precipitation is slightly closer to that derived from CHIRPS than TRMM. For ET, the WRF and coupled WRF-Hydro captures the temporal evolution of GLEAM dataset, although with some underestimation. The coupled WRF-Hydro accumulated discharge (323 mm/yr) is very close to that of observed discharge (333 mm/yr), however with a low but acceptable Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) equal to 0.02 and a good ratio of the root man-square error to the standard deviation of measured data (RSR) of 0.99 at daily time step. Finally, a method is developed to investigate the joint atmospheric-terrestrial water bal-ance of the Mathioya-Sagana subcatchment based on the WRF and WRF-Hydro simu-lations. The analysis shows that the coupled WRF-Hydro slightly reduces precipitation, evapotranspiration and the soil water storage, but increases runoff, as compared to WRF. The precipitation recycling and efficiency measures between WRF and coupled WRF-Hydro are very close and comparatively small. This suggests that most of the precipitation in the region comes from moisture advection from the outside of the anal-ysis domain, so that potential land-precipitation feedback mechanisms may have only small impacts in this region.

National audience; This work proposes a comparison of different hydrometeorological reconstruction datasets built on the downscaling of the NOAA 20th century global extended reanalysis (20CR, Compo et al., 2011). It aims at assessing the quality of these reconstructions and improving our knowledge of the multi-decadal hydrometeorological variability over the 20th century. The historical depth of hydrological observations is generally limited to the last 50 years, which is not enough to properly explore the natural hydrometeorological variability, a key to better understand the effects of anthropogenic climate change. In order to overcome this limit, downscaling methods are used to bridge the scale gap between extended large scale reanalyses that are available from the late 19th century onwards, such as 20CR, and local meteorological variables relevant for catchment-scale hydrology. A continuous hydrological modelling using the high-resolution meteorological reconstructions as forcings allows then to reconstruct 20th century streamflow time series. The results from two downscaling methods and two hydrological models are here compared for a reference network of stations in France over the whole 1900-2012 period. The statistical downscaling methods provide either probabilistic or deterministic meteorological fields used as forcings in a conceptual lumped or a physically-based distributed hydrological model. Comparing the different hydrometeorological time series allows (1) quantifying the uncertainties related to the downscaling and the hydrological modelling, and (2) assessing their relative contributions across catchments and across time periods.

In this thesis, we are interested in representing and taking into account uncertainties in medium term probabilistic hydrological prediction systems.These uncertainties mainly come from two sources: (1) from the imperfection of meteorological forecasts (used as inputs to these systems) and (2) from the imperfection of the representation of the hydrological process by the rainfall-runoff simulator (RRS) (at the heart of these systems).The performance of a probabilistic forecasting system is assessed by the sharpness of its predictions conditional on its reliability. The statistical approach we follow provides a guarantee of reliability if the assumptions it implies are complied with. We are also seeking to incorporate auxilary information to get sharper.We propose, for each source of uncertainty, a method enabling this incorporation: (1) a meteorological post-processor based on the statistical property of exchangeability and enabling to take into account several (ensemble or determistic) forecasts; (2) a hydrological post-processor using the RRS state variables through a Probit model arbitrating between two interpretable hydrological regimes and thus representing an uncertainty with heterogeneous variance.These two methods demonstrate adaptability on the various application cases provided by EDF and Hydro-Québec, which are partners and funders of the project. Those methods are moreover simpler and more formal than the operational methods while demonstrating similar performances.; Dans cette thèse, nous nous intéressons à la représentation et à la prise en compte des incertitudes dans les systèmes de prévision hydrologique probabilistes à moyen-terme. Ces incertitudes proviennent principalement de deux sources : (1) de l’imperfection des prévisions météorologiques (utilisées en intrant de ces systèmes) et (2) de l’imperfection de la représentation du processus hydrologique par le simulateur pluie-débit (SPQ) (au coeur de ces systèmes).La performance d’un système de prévision probabiliste s’évalue par la précision de ses prévisions conditionnellement à sa fiabilité. L’approche statistique que nous suivons procure une garantie de fiabilité à condition que les hypothèses qu’elle implique soient réalistes. Nous cherchons de plus à gagner en précision en incorporant des informations auxiliaires.Nous proposons, pour chacune des sources d’incertitudes, une méthode permettant cette incorporation : (1) un post-traitement des prévisions météorologiques s’appuyant sur la propriété statistique d’échangeabilité et permettant la prise en compte de plusieurs sources de prévisions, ensemblistes ou déterministes ; (2) un post-traitement hydrologique utilisant les variables d’état des SPQ par le biais d’un modèle Probit arbitrant entre deux régimes hydrologiques interprétables et permettant ainsi de représenter une incertitude à variance hétérogène.Ces deux méthodes montrent de bonnes capacités d’adaptation aux cas d’application variés fournis par EDF et Hydro-Québec, partenaires et financeurs du projet. Elles présentent de plus un gain en simplicité et en formalisme par rapport aux méthodes opérationnelles tout en montrant des performances similaires.

Extreme low-flow events have significant consequences on numerous socio-economic fields. Hydroclimate projections for the 21st century suggest an increase in low-flow severity and frequency. Nevertheless, projected events as well as recent observed events can hardly be put into a sufficiently long historical perspective due to the lack of hydrometeorological data before the 1970s. This work proposes to improve the knowledge on past extreme low-flow events having affected France since the end of the 19th century thanks to a hydrometeorological reconstruction. It also provides a new methodological framework to study these extreme events.Information on the atmospheric synoptic situation since the end of the 19th century have recently been released to the scientific community through extended global reanalyses like the Twentieth Century Reanalysis (20CR). This work introduces the SCOPE method that provides local meteorological reconstructions on the entire France derived from the 20CR reanalysis. SCOPE produces a 25-member ensemble of spatially coherent meteorological series of daily precipitation, temperature and evapotranspiration over the 1871-2012 period and on a 64 km² grid covering France. This dataset, called SCOPE Climate, is then used as forcings to run continuous hydrological simulations over more than 600 near-natural French catchments leading to a 25-member ensemble of daily streamflow time series -- called SCOPE Hydro -- between 1871 and 2012. SCOPE Climate and SCOPE Hydro show a relatively high skill during validation experiments against independent data.Spatio-temporal extreme low-flow events are finally identified and characterised from SCOPE Hydro reconstructed series. The events are first locally identified based on deficit characteristics under a novel combination of a fixed threshold and a daily variable threshold. A spatial matching procedure at the scale of France is developed in order to spatially assemble local extreme events into the same spatio-temporal event. After these steps, an event can either be studied at the local or national scale through its spatial extent, duration or severity characteristics. This work identified past and little known exceptional extreme events (1878, 1893, 1942-1949) or recent but poorly documented events (1972, 1978, 1985) besides well-known events (1921, 1976, 1989-1990, 2011). The evolution of these events since 1871 shows that a greater proportion of the French territory is affected by extreme low-flow events since the 1940s. A good coherence is found between reconstructed events and documentary sources on historical droughts.This work contributes to timely scientific issues, especially within the context of climate change and its hydrological impacts. This work proposes two innovative methods on multivariate statistical downscaling and spatio-temporal identification of extreme low-flow events. It also produced two reference hydroclimatic datasets that may be used in any study requiring long hydrometeorological series., Les étiages extrêmes entraînent souvent des conséquences importantes sur de multiples secteurs socio-économiques. Les récentes études liées au changement climatique semblent indiquer que ces événements risquent de devenir plus sévères et plus fréquents au cours des prochaines décennies. Malheureusement, le peu de données hydrométéorologiques disponibles avant les années 1970 ne permet pas de remettre dans un contexte historique les derniers événements observés ni ceux projetés par les études d'impact. Ces travaux de thèse s'attachent ainsi à améliorer l'état des connaissances sur les étiages extrêmes historiques ayant touché le territoire français depuis la fin du XIXe siècle grâce à une reconstruction hydrométéorologique. Ils proposent aussi un nouveau cadre méthodologique pour l'étude de ces extrêmes.Des informations sur la situation synoptique atmosphérique depuis la fin du XIXe siècle ont récemment été mises à disposition de la communauté via des réanalyses globales étendues comme la Twentieth Century Reanalysis (20CR). Ces travaux introduisent la méthode SCOPE qui permet de reconstruire la météorologie locale sur l'ensemble de la France à partir de la réanalyse 20CR. Elle produit un ensemble de 25 chroniques météorologiques spatialement homogènes de précipitations, température et évapotranspiration sur la période 1871-2012 et sur une grille de 64 km² recouvrant la France. Ces séries constituent le jeu de données SCOPE Climate, qui est ensuite utilisé comme forçage d'un modèle hydrologique sur un large échantillon de plus de 600 bassins versants français faiblement anthropisés. Un ensemble de 25 reconstructions de débits journaliers, appelé SCOPE Hydro, est ainsi produit entre 1871 et 2012. SCOPE Climate et SCOPE Hydro ont tous deux montré de bonnes performances en comparaison de données indépendantes de leur construction.Des événements spatio-temporels d'étiage extrême sont finalement identifiés et caractérisés à partir des chroniques de débit de SCOPE Hydro. Ces événements sont tout d'abord définis localement comme une période où le débit se trouve en-dessous d'un seuil mixte, combinaison d'un seuil fixe et d'un seuil variable avec la saison. Un regroupement spatial des événements locaux au sein du même événement spatio-temporel d'étiage extrême est effectué à l'échelle de la France, suivant une méthode spécialement mise au point dans le cadre de ces travaux. A l'issue de ces étapes, un événement peut être étudié localement ou à l'échelle nationale, grâce à des caractéristiques d'étendue, de durée ou de sévérité. Cette méthodologie permet d'identifier des événements exceptionnels d'étiage extrême anciens et peu connus (1878, 1893, 1942-1949), ou relativement récents mais peu documentés (1972, 1978, 1985), en plus de ceux connus (1921, 1976, 1989-1990, 2011). L'étude de l'évolution de ces événements sur 140 ans montre une plus grande proportion du territoire français touchée par des étiages extrêmes après les années 1940. Une comparaison des événements reconstruits à des sources documentaires faisant mention des sécheresses passées montre une bonne cohérence entre reconstructions et réalité.Ce travail de thèse contribue aux questions scientifiques d'actualité, notamment dans le cadre de la variabilité climatique et du changement climatique d'origine anthropique et de leurs conséquences hydrologiques. Ces travaux proposent deux méthodes innovantes sur la descente d'échelle statistique multivariée et l'identification spatio-temporelle des événements d'étiage extrême. Ils ont par ailleurs produit deux jeux de données hydroclimatiques ensemblistes de référence utilisables pour tout type d'étude climatique et hydrologique requérant une profondeur historique importante.

Les flux radiatifs descendants et les précipitations sont partitionnés au niveau des surfaces terrestres en stockage et en flux. Ces échanges d'eau et d'énergie pilotent les processus à l'interface comme le réchauffement et l'humidification de la couche limite planétaire, l'évolution du manteau neigeux, les transferts de chaleur dans le sol et les cycles de gel-dégel, la photosynthèse, les sources et puits de carbone, les échanges radiatifs, etc... La thématique de mes recherches porte sur la compréhension et l'amélioration de la représentation des processus des surfaces continentales et hydrologiques ainsi que leurs couplages avec l’atmosphère. Pour atteindre cet objectif, j'ai amélioré la composante de surface (schéma de surfaces continentales ou land surface model, LSM) de divers modèles numériques atmosphériques et hydrologiques ainsi que leur couplage. La compréhension et la prévision des processus de surface est ainsi améliorée grâce à une combinaison entre la théorie, la modélisation, l'analyse et observations (données provenant de campagnes de terrain, des ré-analyses et de télédétection spatiale) à de multiples échelles.Dans la première partie de cette présentation, je résumerai divers développements que j'ai réalisé autour du schéma de surface ISBA (Interactions entre la Biosphère de Surface et l'Atmosphère), en mettant l'accent sur une initiative récente visant à développer une nouvelle paramétrisation (plus) explicite de la végétation. Ce schéma représente le point culminant des améliorations physiques mentionnées ci-dessus en passant d'une approche conceptuelle à une représentation plus explicite des processus de surface. La seconde partie sera consacrée à mes activités dans divers projets internationaux d'intercomparaison de modèles (MIPS). Ces projets ont conduit à une amélioration significative des LSMs au cours des 20 dernières années. De plus, quand les LSMs sont forcés par des produits satellitaires, notamment les données pluviométriques et physiographiques, les sorties multi-modèles de surface sont équivalentes à une réanalyse et peuvent être utilisés pour obtenir une vue plus précise d'un système particulier, obtenir une mesure de l'incertitude de la modélisation, et même aider à améliorer la représentation des processus de surface dans les modèles couplés. Finalement, l'accent sera mis sur les méthodologies permettant de combiner de manière optimale les données de télédétection spatiale et la composante hydrologique dans les modèles de surface. Ces activités s’inscrivent dans un effort pour mieux comprendre et modéliser les processus spatialisés à l'échelle globale. Elles ont été menées dans le cadre de la préparation de la future mission spatiale commune au CNES et à la NASA : Surface Water Ocean Topography (SWOT), qui fournira des estimations globales des variations des stocks d'eau de surface en tant que produits ou en combinaison avec des modèles. Les perspectives associées à ces différents travaux de recherche sont ensuite présentées.

International audience; The Megha-Tropiques mission has been collecting observations of the water and energy cycle in the intertropical atmosphere since 2011. The use of these observations has demonstrated the relevance of its original orbit inclined over the Equator both for the precipitation estimates and for numerical weather prediction. The ongoing scientific exploration of the relationship between water vapor and clouds, the life cycle of tropical convective systems, and hydrometeorology has led to many advances that are briefly presented here. Many operational centres around the world are assimilating available mission data in real time thanks to recent advances in the interpretation of the 183 GHz measurement.; La mission Megha-Tropiques récolte des observations du cycle de l'eau et de l'énergie dans l'atmosphère intertropicale depuis 2011. L'utilisation de ces observations a démontré la pertinence de son orbite originale inclinée sur l'équateur, tant pour l'estimation des précipitations que pour la prévision numérique du temps. L'exploitation scientifique, toujours en cours, autour de l'étude des relations entre la vapeur d'eau et les nuages, le cycle de vie des systèmes convectifs tropicaux et l'hydrométéorologie a permis plusieurs avancées brièvement présentées ici. De nombreux centres opérationnels à travers le monde assimilent les données de la mission, disponibles en temps réel, grâce aux récents progrès de l'interprétation de la mesure à 183 GHz.

National audience; Est-il possible de prévoir, lors de crues importantes, quelles routes vont être submergées afin de limiter les risques de dommages matériels et humains et d'orienter les services de secours sur des itinéraires sûrs pour leurs missions d'intervention? Afin d'étudier les possibilités et les limites actuelles des modèles de prévision hydro-météorologique, un premier prototype de prévision des coupures de routes par submersion lors de crues majeures a été développé par la division Eau du LCPC pour le département du Gard. Cette recherche a fait l'objet d'une thèse de doctorat et a été réalisée en collaboration avec le Cereve (Ecole Nationale des Ponts et Chaussées) dans le cadre du projet européen Floodsite (6ème PCRD). Le département du Gard était particulièrement adapté pour ce premier test dans la mesure où il est fréquemment touché par des crues violentes engendrant des submersions de routes et où de nombreuses données recueillies par les services gestionnaires des routes sur ces submersions permettaient un calage et un test du prototype. Les premiers résultats très encourageants obtenus démontrent, au-delà de cette application particulière, que les modèles de prévisions hydrologiques, en particulier les modèles distribués, peuvent avoir une grande utilité pour la gestion des crises, malgré les fortes incertitudes attachées à leurs sorties. Ces possibilités sont encore largement inexploitées par les services de prévision des crues.

L'amélioration des moyens d'observation des précipitations à l'échelle régionale est l'un des enjeux forts de l'Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais. Les images recueillies par le radar météorologique opérationnel de Bollène du réseau ARAMIS à l'automne 2002 ont servi de support au développement d'une chaîne d'algorithmes dédiée à l'estimation quantitative des précipitations au sol. Cet article présente une synthèse de la contribution à ces traitements dans le cadre des travaux de thèse présentés au Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement en septembre 2008. Notre contribution concerne particulièrement une source d'erreur importante pour la mesure des précipitations par radar météorologique provoquée par l'hétérogénéité verticale des précipitations. Nous nous plaçons dans la continuité de la méthode à base statistique d'identification du profil vertical de réflectivité (PVR) qui caractérise cette hétérogénéité verticale proposée par Andrieu et Creutin (1995). Nous avons étendu cette méthode au cas de supports géographiques évolutifs dans le temps afin de considérer le type de précipitations (convectif, stratiforme). L'évaluation des traitements, par la caractérisation de l'incertitude de l'estimation de pluie par radar, est un aspect important du travail. Nous avons développé une technique basée sur la géostatistique pour établir une pluie de référence à partir de données pluviométriques. Nous avons également développé un modèle pour caractériser la structure statistique des erreurs ainsi que leur structure spatio-temporelle. Nous avons enfin développé une nouvelle approche d'identification du PVR à base physique. En diminuant le nombre de paramètre à déterminer et en introduisant des contraintes plus physiques, cette approche vise à améliorer la robustesse d'identification du PVR.

L'objectif de ce chapitre est celui de caractériser le milieu physique, les ressources naturelles, les zones agro-écologiques et le peuplement afin de comparer les dynamiques en cours avec l'exposition aux catastrophes hydro-climatiques.

Since the development of satellite based remote sensing in the 1970s, many missions have been dedicated to monitoring the terrestrial atmosphere and surfaces. Some of these satellites are dedicated to the Tropics with specific orbits. Megha-Tropiques (MT) is devoted to the water and energy cycle in the tropical atmosphere and provides an enhanced sampling for rainfall estimation in the tropical region. This PhD work was initiated within MT hydro-meteorological activities, with the objective of assessing the hydrological potential of satellite rainfall products in the Tropics. The world most important rivers lay in tropical areas where the in situ observation networks are deficient. Alternative information is therefore needed for water resource management and alert systems. The present work focuses on the Niger River a basin which has undergone drastic climatic variations leading to disasters such as droughts and floods. Since 1950, the Niger has been through 3 main climatic periods: a wet period (1950-1960), a long and intense drought period (1970-1980) and since 1990 a partial recovery of the rainfall. These climatic variations and the anthropic pressure, have modified the hydrological behaviour of the basin. Since 2000, the middle Niger River has been hit by an increase of floods hazards during the so-called Red flood period. In Niamey city, the highest river levels and the longest flooded period were recorded in 2003, 2010, 2012 and 2013, leading to heavy casualties and property damage. This study combines hydrological modelling and a variety of rainfall estimation products (satellite and in-situ) to meet several objectives: (i) the simulation of the Niamey Red flood and the detection of floods (during the recent period 2000-2013) (ii) the study of the propagation of satellite rainfall errors in hydrological modelling (iii) the evaluation of the role of rainfall variability, and surface conditions, in the changes of the Red flood in Niamey since the 50s. The global model ISBA-TRIP, is run with a resolution of 0.5° and 3h, and several rainfall products were used as forcing. Products derived from gauges (KRIG, CPC), pure satellite products (TAPEER, 3B42RT, CMORPH, PERSIANN) and mixed satellite products adjusted by rain gauges (3B42v7, RFE2, PERSIANN-CDR). This work confirms the hydrological potential of satellite rainfall products and proposes an original approach to overcome their biases. It highlights the need for documenting the errors associated with the rainfall products and the error structure. Finally, the hydrological modelling results since the 1950s have given a new understanding of the relative role of rainfall and surface conditions in the drastic increase of flood risk in Niamey.; Depuis le développement des mesures satellites de nombreuses missions spatiales sont dédiées au suivi de l'atmosphère et de la surface terrestre. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de la mission Megha-Tropiques dédiée au cycle de l'eau et de l'énergie en zone tropicale. L'objectif est d'évaluer le potentiel des estimations de précipitation par satellite pour des applications hydrologiques en zone tropicale. Les Tropiques réunissent les plus grands fleuves du globe, mais ne bénéficient pas de réseaux d'observation in-situ denses et continus permettant une gestion intégrée efficace de la ressource et des systèmes d'alertes. Les estimations des précipitations issues des systèmes d'observation satellite offrent une alternative pour ces bassins peu ou pas instrumentés et souvent exposés aux extrêmes climatiques. C'est le cas du fleuve Niger, qui a subi une grande variabilité climatique depuis les années 1950, mais aussi d'importants changements environnementaux et hydrologiques. Depuis les années 2000, le Niger moyen connaît une recrudescence des inondations pendant la période de crue Rouge (engendrée par ses affluents sahéliens pendant la mousson). A Niamey, des niveaux record de hauteur d'eau et de période d'inondation ont été enregistrés en 2003, 2010, 2012 et 2013, engendrant de nombreuses pertes humaines et matérielles. Ces travaux analysent l'influence du forçage pluviométrique sur les inondations liées à la crue Rouge à Niamey. Une gamme de produits pluviométriques (in situ et satellite) et la modélisation hydrologique (ISBA-TRIP) sont combinés pour étudier : (i) l'apport des produits satellite pour diagnostiquer la crue Rouge récente, (ii) l'impact des caractéristiques des produits et de leurs incertitudes sur les simulations et enfin (iii) l'évaluation du rôle des précipitations, face aux changements de conditions de surface, dans l'évolution de la crue Rouge à Niamey depuis les années 1950. L'étude a mis en évidence l'impact des caractéristiques des estimations des précipitations (cumul, intensité et distribution spatio-temporelle) sur la modélisation hydrologique et le potentiel des produits satellites pour le suivi des inondations. Les caractéristiques des précipitations se propageant dans la modélisation, la détection des inondations est plus efficace avec une approche relative à chaque produit plutôt qu'avec un seuil absolu. Ainsi des produits présentant des biais peuvent être envisagés pour la simulation hydrologique et la détection des inondations. Le nouveau produit TAPEER de la mission MT présente un fort potentiel hydrologique, en 2012 et pour la zone d'étude. D'autre part, l'étude de la propagation de l'erreur associée à ces précipitations a mis en évidence, la nécessité de déterminer la structure du champ d'erreur pour l'utilisation d'une telle information en hydrologie. Enfin la modélisation a été utilisée comme levier pour décomposer les sensibilités de la crue Rouge aux variations des précipitations et des conditions de surface. Pour simuler les changements hydrologiques entre les périodes 1953-1982 et 1983-2012, les changements d'occupation du sol et d'aire de drainage doivent être pris en compte. Puis les variations des précipitations peuvent expliquer les changements majeurs décennaux et annuels entre les années 1983 et 2012.

International audience; This paper presents a coupled observation and modelling strategy aiming at improving the understanding of processes triggering flash floods. This strategy is illustrated for the Mediterranean area using two French catchments (Gard and Ardèche) larger than 2000 km2. The approach is based on the monitoring of nested spatial scales: (1) the hillslope scale, where processes influencing the runoff generation and its concentration can be tackled; (2) the small to medium catchment scale (1–100 km2), where the impact of the network structure and of the spatial variability of rainfall, landscape and initial soil moisture can be quantified; (3) the larger scale (100–1000 km2), where the river routing and flooding processes become important. These observations are part of the HyMeX (HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment) enhanced observation period (EOP), which will last 4 years (2012–2015). In terms of hydrological modelling, the objective is to set up regional-scale models, while addressing small and generally ungauged catchments, which represent the scale of interest for flood risk assessment. Topdown and bottom-up approaches are combined and the models are used as “hypothesis testing” tools by coupling model development with data analyses in order to incrementally evaluate the validity of model hypotheses. The paper first presents the rationale behind the experimental set-up and the instrumentation itself. Second, we discuss the associated modelling strategy. Results illustrate the potential of the approach in advancing our understanding of flash flood processes on various scales.

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAU; International audience; This paper presents a coupled observation and modelling strategy aiming at improving the understanding of processes triggering flash floods. This strategy is illustrated for the Mediterranean area using two French catchments (Gard and Ardèche) larger than 2000 km2. The approach is based on the monitoring of nested spatial scales: (1) the hillslope scale, where processes influencing the runoff generation and its concentration can be tackled; (2) the small to medium catchment scale (1–100 km2), where the impact of the network structure and of the spatial variability of rainfall, landscape and initial soil moisture can be quantified; (3) the larger scale (100–1000 km2), where the river routing and flooding processes become important. These observations are part of the HyMeX (HYdrological cycle in the Mediterranean EXperiment) enhanced observation period (EOP), which will last 4 years (2012–2015). In terms of hydrological modelling, the objective is to set up regional-scale models, while addressing small and generally ungauged catchments, which represent the scale of interest for flood risk assessment. Topdown and bottom-up approaches are combined and the models are used as “hypothesis testing” tools by coupling model development with data analyses in order to incrementally evaluate the validity of model hypotheses. The paper first presents the rationale behind the experimental set-up and the instrumentation itself. Second, we discuss the associated modelling strategy. Results illustrate the potential of the approach in advancing our understanding of flash flood processes on various scales.

International audience; The hydrological model GRP has been developed at IRSTEA for almost 10 years. GRP was conceived to simulate continuous rainfall-runoff transformation and assimilate real-time discharge data, meeting a good compromise in terms of parsimony, efficiency, robustness and simplicity. The operational forecast platform containing GRP is managed by the French central hydrometeorological service for flood forecasting (SCHAPI). This platform is currently used by more than half of the local flood forecasting services (SPC). The objective of this paper is to present the evolution of the GRP model, focusing on the dynamics of transferring research results to operational services. Many research projects have been carried out to enhance the model performance and provide new functionalities. The feedback from the forecasters in charge of flood warning in the operational services is also constantly assessed to better adapt the system to their needs. This has revealed to be a valuable source of interaction to better develop not only the model and its mathematical representation but also the operational products intended to support decisions.

Understanding and predicting hydrological variability is becoming a major issue to improve water resources management at the watershed scale, as climate variability and multipurpose use of water increase stress on the available resources. In France, the Durance watershed (South part of the Alps) is both characterised by numerous water-related activities such as hydropower, irrigation, water supply, tourism, and by a wide range of meteorological contexts ranging from mountainous to dry Mediterranean watersheds. As a consequence, this watershed appears as very sensitive to observed and projected climate variability, with an impact on water resources sufficient to question the current balance between users. In order to better forecast the Durance watershed hydrological variability, tracing back its past evolution is an essential step. Indeed, historical knowledge provides a better understanding of how the watershed works, and put into perspective hydro meteorological projections for the next century. The main goal of this Ph.D. thesis is then to improve our knowledge of the hydrological variability of the Durance watershed over the last century. Two main themes have been developed.The first step focused on historical research, bringing to light 11 centennial time-series of daily streamflow on the Durance watershed. Those data were quite well documented, allowing us to follow the evolution of the methods used to construct some of those time-series. Based on recent streamflow time-series, a simulation process allowed us to quantify the uncertainty associated to the methods used in the past, and to highlight the significant biases they carried on some periods of time. A correction process was then developed, leading to the partial revision of some of the time-series. A second step involved reconstructing hydrological time-series at different points of the watershed. An original method, called ANATEM, has been introduced and exhaustively applied to rebuild climatological time-series at the watershed scale. This method is based on the use of large scale climatological variables (atmospheric pressure fields) combined with regional scale observations (observed precipitation or air temperature). Those reconstructed climatological time-series were then prescribed in a rainfall-runoff model, allowing the computation of hydrological simulations on the 1884-2010 period. The comparison of the simulated data with our 11 centennial observed time series allowed us to validate our hydro-climatological reconstruction chain over more than a century. Finally, the observed and simulated time-series illustrate the climatological and hydrological variability of the Durance watershed. This variability is characterised by the succession of alternatively dry and humid periods lasting for ten to fifteen years, and by a slight trend to streamflow decrease. These long-term hydrological time-series will then put into perspective future investigations on water resources available over the next century.; Dans un contexte de variabilité climatique et de multiplication des usages de l'eau, la compréhension et la prévision de la variabilité des débits des cours d'eau est aujourd'hui un enjeu majeur pour améliorer la gestion des ressources en eau à l'échelle des bassins versants. En France, le bassin versant de la Durance (Alpes du Sud), lieu de multiples usages de l'eau (hydroélectricité, agriculture, alimentation en eau potable, loisirs), fait l'objet d'une attention particulière en ce qui concerne les impacts du changement climatique qui pourraient être importants du fait de sa situation géographique et de son régime partiellement nival, et remettre en question les équilibres en place permettant le partage de la ressource. Dans l'optique d'une meilleure anticipation de la variabilité hydrologique d'un bassin versant, bien connaître le passé est une étape fondamentale permettant à la fois une meilleure connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin et une mise en perspective des projections hydro-climatiques futures. Cette thèse a pour objectif et résultat principal de faire progresser l'état des connaissances sur la variabilité hydrologique du bassin de la Durance à l'échelle du dernier siècle. Deux axes principaux ont été développés pour remplir cet objectif. Une première étape a été la recherche et la mise au jour d'un ensemble de longues séries hydrométriques concernant la Durance et ses affluents, permettant d'élever à 11 le nombre de séries centenaires de débits journaliers aujourd'hui disponibles sur ce bassin. Les nombreux documents accompagnant les données retrouvées nous ont par ailleurs permis de retracer, pour une partie de ces séries, l'évolution des méthodes utilisées pour les construire. Un processus de simulation des méthodes anciennes à partir de données horaires disponibles sur la période récente nous a permis de quantifier l'incertitude associée à ces méthodes et de mettre en évidence des biais importants causés par celles-ci sur certaines portions de séries. Une méthode de correction a été proposée et appliquée à plusieurs séries. Le deuxième axe de notre travail a consisté en la reconstitution de séries hydrologiques en différents points du bassin. À cette fin, nous avons présenté et appliqué une méthode originale appelée ANATEM de reconstitution de séries climatiques à l'échelle du bassin versant à partir de données climatiques de grande échelle (champs de pressions atmosphériques), combinées à des informations plus régionales (séries de précipitations ou de températures observées). Les séries climatiques ainsi reconstituées ont ensuite été utilisées en entrée d'un modèle hydrologique pour construire des séries de débits. Ce processus nous a permis d'obtenir une vingtaine de séries hydrologiques couvrant la période 1884-2010 sur le bassin de la Durance. La comparaison des reconstitutions hydro-climatiques avec les longues séries de débits observés aujourd'hui disponibles a permis de valider la chaîne de reconstitution sur une période de plus d'un siècle. Les séries observées et reconstituées illustrent finalement la variabilité hydrologique du bassin de la Durance qui se caractérise par une alternance de périodes sèches et humides à l'échelle de la décennie, ainsi que par une légère tendance à la baisse des débits. Ces longues séries de l'hydrologie du passé permettront de mettre en perspective les études prospectives sur les ressources en eau disponibles à l'échelle du siècle prochain.

Advances in the prevention of natural disasters in the rio Paute drainage, Ecuador The enormous Josefina landslide that dammed the Paute river in March 1993 and its terrible consequences have clearly shown the importance of recognising natural disaster phenomena and the lack or prevention studies. Based on this experience, the Swiss Disaster Relief Unit together with Ecuadorian institutions began a multidisciplinary pilot project in 1994 to run until 1997 to study and monitor the different natural phenomena that could affect the Paute river basin whose area is 3.700 km2. Here are located Cuenca, the third city of the country, and the rural regions for a total of 700.000 inhabitants. Some results of the first year of studies are herein presented for 2 of the 6 fields of research. The geological studies have identified the unstable terrains and mapped the geology, the phenomena and the hazards at 1:25.000 scale covering 380 km2. The unstable zones were classified as active, latent or relict which embrace volumes between 1 x 105 and 1 x 109 m3 . These instabilities are chiefly related to incompetent sedimentary and metamorphic rocks and coluvial deposits or eluvions. The phenomena are aggravated in the rainy seasons. Sixteen zones of major active landslides were identified, which were studied on a scale of 1:10.000 with speed vector maps. A special case is the Paccha landslide that attained movements up to 8.400 cm /year. A geodesic monitoring network has been installed to investigate more precisely these zones. In the area of hydrometeorology an automatic network is being implemented to monitor and give flood alerts. Also flood studies in the four rivers of the city of Cuenca (Pop. 400.000) shows its high vulnerability based upon flood propagation models for 10 yrs. and 1000 yrs. The regions of risk were identified in probable inundation maps, complemented with recommendations and conclusions. In addition the project strengthens the seismological network in Southern Ecuador and the limnological monitoring of the Josefina Lakes. Finally we are collaborating to improve Civil Defence and to transfer new technology with outside professional help and teaching. The interinstitutional collaboration and the continuos diffusion of the results have already promoted regional planning and infrastructure development., Premiers résultats sur la prévention des désastres naturels dans le bassin du rio Paute, Équateur L'énorme glissement de terrain de La Josefina, qui a barré la rivière Paute en mars 1993 et ses conséquences funestes, ont mis en évidence l'importance qui doit être prêtée aux catastrophes naturelles et au manque d'études de prévention. En se basant sur cette expérience, le Corps suisse de secours et diverses institutions équatoriennes ont lancé un projet pilote et pluridisciplinaire, pour la période 1994-1997. Celui-ci a pour but l'étude et le suivi des phénomènes naturels qui pourraient affecter le bassin de la rivière Paute sur une surface de 3.700 km2. Dans cet espace vivent 700 000 personnes, entre la population rurale et celle de Cuenca, troisième ville du pays. Les résultats de la première année d'activités sont présentés, sur 2 de ses 6 champs d'action. Géologiquement, on a pu identifier les zones de terrains instables en élaborant des cartes géologiques, des phénomènes et de dangers à une échelle de 1:25.000 sur une surface de 380 km2, les glissements de terrain ont été classés en actifs, potentiels et anciens avec des volumes entre 1 x 105 y 1 x 109 m3 . Les instabilités sont surtout liés á la présence des roches sédimentaires et métamorphiques incompétentes ou des colluvions et éluvions peu compacts, ces phénomènes s'aggravent dans la saison des pluies. Seize zones les plus actives ont été délimitées et étudiées au 1:10.000 avec des cartes de vecteurs de vitesse. Le glissement de Paccha est un cas particulier avec des mouvements pouvant aller jusqu'à 8.400 cm/an. Des réseaux de mesure géodésique ont été installés afin de suivre et d'étudier l'activité des principaux glissements. Dans le domaine de l'hydrométéorologie un réseau unifié de mesure et d'alerte de crues et d 'inondations sera implanté. Parallèlement des recherches sur des inondations dans la ville de Cuenca (400 000 hab.) montrent sa haute vulnérabilité, en considérant des récurrences décennales à millénaires pour la modélisation de la propagation et des inondations des quatre rivières qui la traversent. Les zones à risque ont été identifiées sur des cartes d'inondations et des recommandations ont été faites. De plus le projet complète le réseau de suivi sismologique au sud de l'Équateur et limnologique des lacs résiduels de La Josefina, et participe au renforcement de Défense Civile ainsi qu'à un transfert de technologie avec la présence des experts et des cours de formation professionnelle. Grâce au travail interinstitutionnel et à la diffusion continue des résultats, ceux-ci sont d'ores et déjà considérés dans la planification du territoire et les ouvrages d'infrastructure., El enorme deslizamiento de La Josefina que represó el río Paute en marzo de 1993 y sus funestas consecuencias, pusieron de manifiesto la importancia que se debe asignar a los fenómenos naturales desastrosos y la falta de estudios de prevención. Basados en esta experiencia, el Cuerpo Suizo de Socorro junto con instituciones ecuatorianas, llevan a cabo un proyecto piloto y multidisciplinario, desde 1994 hasta 1997, a fin de estudiar y monitorear los diferentes fenómenos naturales que pudieran afectar la cuenca del río Paute en una extensión de 3700 km2. En ella se ubica Cuenca, la tercera ciudad del país, y sectores rurales con un total de 700 000 habitantes. Se presentan los resultados del primer año de actividades, en dos de sus seis campos de investigación. Geológicamente, se ha logrado identificar las áreas de terrenos inestables elaborándose mapas geológicos, de fenómenos y de amenazas, a escala 1:25.000, que cubren 380 km2. Los deslizamientos fueron clasificados en activos, latentes y relictos, alcanzando volúmenes entre 1 x 105 y 1 x 109 m3. Las inestabilidades están ligadas sobre todo a la presencia de rocas sedimentarias y metamórficas incompetentes y a depósitos coluviales o eluviones, agravándose los fenómenos en la época de lluvias. Dieciséis zonas de mayor actividad fueron detectadas; su estudio establece mapas de vectores de velocidad, a escala 1:10.000. Un caso particular es el deslizamiento de Paccha que alcanza movimientos de hasta 8.400 cm/año. Se han instalado redes de monitoreo geodésico a fin de investigar dichas zonas. En el campo de la hidrometeorología se está implementando la red unificada de medición, monitoreo y alerta a inundaciones. Paralelamente, investigaciones sobre inundaciones en la ciudad de Cuenca (400 000 hab) indican su alta vulnerabilidad, considerando recurrencias desde decenales a milenales para la modelización de la propagación de las inundaciones en los cuatro ríos que la atraviesan. Las zonas de riesgo fueron identificadas en mapas de inundaciones probables, indicándose recomendaciones y conclusiones. Adicionalmente el proyecto complementa la red y el monitoreo sismológico del sur del Ecuador y el monitoreo limnológico de los lagos remanentes de La Josefina. Participa en el fortalecimiento de Defensa Civil y vela por la transferencia de tecnología con el apoyo de expertos y de cursos de formación profesional. Gracias al trabajo interinstitucional y la difusión continua de los resultados, éstos son desde ya tomados en cuenta en la planificación del territorio y de obras de infraestructura., Basabe Pedro, Almeida Eduardo, Ramón Patricio, Zeas Rodrigo, Álvarez Lénin. Avance en la prevención de desastres naturales en la cuenca del río Paute, Ecuador. In: Bulletin de l'Institut Français d'Études Andines, tome 25, N°3, 1996. Les risques naturels et leur gestion en Équateur. Diversité des exemples. Complémentarité des approches. pp. 443-458.

The last decade has seen growing research in producing probabilistic hydro-meteorological forecasts and increasing their reliability. This followed the promise that, supplied with information about uncertainty, people would take better risk-based decisions. In recent years, therefore, research and operational developments have also start putting attention to ways of communicating the probabilistic forecasts to decision makers. Communicating probabilistic forecasts includes preparing tools and products for visualization, but also requires understanding how decision makers perceive and use uncertainty information in real-time. At the EGU General Assembly 2012, we conducted a laboratory-style experiment in which several cases of flood forecasts and a choice of actions to take were presented as part of a game to participants, who acted as decision makers. Answers were collected and analyzed. In this paper, we present the results of this exercise and discuss if indeed we make better decisions on the basis of probabilistic forecasts.

International audience; D'initiative française, le projet international HyMeX a pour objectif d'améliorer la compréhension du cycle de l'eau en Méditerranée, de sa variabilité, de l'échelle de l'événement météorologique aux échelles saisonnières et interannuelles, et de ses caractéristiques sur une décennie, dans un contexte de changement global. Le projet est motivé par le rôle déterminant des processus de mésoéchelle, couplés entre l'atmosphère, la mer et la terre, sur la variabilité du système climatique et sur le déclenchement d'événements hydrométéorologiques extrêmes (précipitations et inondations, vents forts et convection océanique, canicules et sécheresses). Le projet vise enfin à évaluer les conséquences de ces événements extrêmes sur la vulnérabilité sociale et économique de cette région et sa capacité d'adaptation.

L'eau n'est pas seulement un bien précieux pour l'humanité, c'est aussi un objet d'intérêt commun entre de nombreuses disciplines, que ce soit l'hydrologie, les sciences de l'atmosphère, l'agronomie, la biogéochimie et même l'économie. Durant cette présentation, on s'intéressera essentiellement à la modélisation de la ressource en eau, tout d'abord d'un point de vue quantitatif, avec des applications sur la prévision des débits et des études d'impact du changement climatique, puis d'un point de vue plus qualitatif, avec notamment les problématiques de pollution diffuse par les nitrates et les pesticides, qui nécessitent une représentation intégrée et donc pluridisciplinaire de l'hydrosystème.

La reconstitution de la séquence hydrométéorologique ayant conduit à la crue de l'Isère des 1er et 2 novembre 1859 a été mené en quatre étapes. La première, conduite par Météo-France, a consisté à rechercher, collecter et critiquer les données encore disponibles, notamment, les stations mesurant la pression atmosphérique en France. Cela a permis de tracer pour tout le mois d'octobre 1859 les cartes de pression au niveau de la mer, et de les interpréter en termes de circulation et de types de temps. Pour chaque journée de 1859, ces cartes ont été utilisées par le Cemagref de Lyon pour rechercher, dans la période récente (1953-2005) des situations analogues (~35) mais dont on connaissait cette fois les précipitations sur le bassin de l'Isère, d'où une appréciation probabiliste des quantités potentiellement tombées en 1859. En utilisant ce signal, ainsi que les précipitations mesurées en 1859 en quelques stations, toutes situées en périphérie du bassin, l'INPG-LTHE a essayé de proposer un scénario vraisemblable des précipitations, mais aussi des températures, sur l'Isère et ses différents sous-bassins. Après expertise par EdF et Météo-France, ce scénario a été introduit dans un modèle Pluie-Neige-Débit par le SPC Alpes Nord. La comparaison entre débits simulés et observés à Grenoble sur le mois d'octobre 1859 a conduit à moduler encore un peu le scénario, insuffisamment contraint par les seules stations pluviométriques. Après assimilation de ces débits de crue, qu'il reproduit alors correctement, le scénario final illustre l'enchaînement et l'importance des périodes d'humectation du bassin par les pluies du 7 au 20 octobre, d'accumulation de neige à basse altitude entre le 21 et le 30, puis son relargage sous l'effet du réchauffement et des pluies intenses des 31 octobre et 1er novembre. C'est cette séquence exceptionnelle qui explique l'ampleur de la crue. / Reconstructing the hydrometeorological scenario that has lead to the 1859 historical flood of the Isère river has been performed in four steps. In the first one, Meteo-France has searched for, collected, and criticized old data sets still available, in particular at stations measuring the atmospheric pressure, in France or nearby. This allowed to reconstruct sea level pressure fields for the month of October 1859, and to interpret them in terms of circulation and weather types. For each single day of 1859, this pressure map was used by Cemagref to sort out, within the recent period (1953-2008), analog situations (~35) for which we further have the precipitations on the Isère catchment, giving therefore a probabilistic hint of what has potentially been received in 1859. Using this signal, combined with the precipitation actually observed in 1859 at a few stations, unfortunately all located outside the catchment, INPG-LTHE has proposed a likely scenario for precipitation amounts, but also for temperature, over the whole catchment and several subbasins. This scenario has gone through the expertise of EdF and MeteoFrance forecasters, and then defines inputs in a Snow-Rainfall-Runoff model developed by the SPC Alpes Nord. Comparisons between simulated and observed daily discharges lead to some further tuning of the scenario, insufficiently constrained by the few rain gauges available. After the assimilation of the downstream discharges, the resulting scenario reproduces well the flood peak and illustrates how important was the links between a wetting phase by the 7 to 20th October rainfalls, then the build up of a snowpack even at low elevation from the 21 to the 30th, and then its washing out by the strong warming and intense rains of October 31st and November 1st. This is this very unusual sequence that explain the high return period of this flood.

International audience; Dans le cadre de l’implémentation du modèle Soil and Water Assessment Tool (SWAT) sur le bassin versant de la rivière d’Auray, une méthode d’interpolation des précipitations a été testée. L’objectif de cette approche est de prendre en compte la variabilité spatiale de ce paramètre dans la modélisation. Cet article introduit tout d’abord le cadre de cette étude relative à l’estimation de la contribution des bassins versants à la contamination des eaux de la rivière d’Auray. Les modalités d’intégration des paramètres climatiques au modèle SWAT ainsi que la méthode d’interpolation utilisée sont ensuite décrits. Enfin, un comparatif entre une simulation mise en œuvre à partir de cette méthode et une seconde réalisée sur la seule base des stations météorologiques disponibles est présenté.

International audience; The calibration of rainfall-runoff models is commonly carried out on a single gauging station to reproduce streamflows only at this catchment outlet. Unfortunately, the use of a single site is usually not sufficient to derive robust parameter sets for distributed or semi-distributed models, which leads to large uncertainties in the parameter values and therefore limits model performance. This uncertainty may be reduced by using other gauging stations upstream on the catchment as complementary calibration targets. To test this assumption, a semi-distributed model was applied to 195 catchments in France where streamflow is measured at the main catchment outlet and at one upstream station. This dataset is quite varied in terms of catchment characteristics and, hydrometeorological conditions and ratios between the upstream and downstream catchments areas. Three different calibration strategies were compared: 1. In the benchmark strategy, the parameters are optimized to reproduce the streamflow at the main outlet only, without using internal streamflow measurements. 2. In a second approach, the model is calibrated sequentially: first, on the internal subcatchment against the internal streamflows, then on the remaining area against the streamflow at the outlet. 3. The last approach is a multiobjective optimization using simultaneously the streamflows at the two locations with the Multiobjective Shuffled Complex Evolution Metropolis algorithm (MOSCEM). Surprisingly, the results show that, on average, the use of internal streamflow measurements for model calibration did not provide substantial performance improvement compared to the benchmark strategy at the main outlet.

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAU; International audience; Standardized drought indices such as the Standardized Precipitation Index (SPI) have been shown to be highly relevant for drought reconstruction and drought monitoring. Such indices can be built to deal with different types of drought (meteorological, agricultural and hydrological) and to study droughts at different time and spatial scales. In this study, a 50-year multilevel and multiscale drought reanalysis over France recently built with Safran-Isba-Modcou hydrometeorological suite will serve as a basis for assessing the impact of climate change on droughts. An ensemble of climate projections have been statistically downscaled in order to force the Isba and Modcou hydrological models over France and generate 8-km gridded soil moisture time series as well as streamflow time series at more than 900 locations. Two different statistical downscaling methods have been applied using the Safran high resolution atmospheric reanalysis dataset over France: a method based on weather types and regressions, and a quantile-quantile method. As a first step, transient runs from only one general circulation model have been used under different climate scenarios. Three different standardized indices previously applied for the drought reanalysis are here used to estimate the evolution of droughts in the future: the commonly used SPI, the Standardized SoilWetness Index (SSWI) based on soil moisture simulated by Isba and the Standardized Flow Index (SFI) based on streamflow computed by Modcou. Changes in the characteristics (occurrence, intensity, duration, spatial scale) of meteorological, agricultural and hydrological droughts in France during the 21st century are here presented using the different drought indices. This panel of indices may provide useful information at the level of interest of different human activities (water supply, irrigation, hydropower, etc.).

Im Themenfeld des Globalen Klimawandels ist von besonderem Interesse, inwieweit Eigenschaften anormaler hydrometeorologischer Witterungsereignisse sich in den nächsten Jahrzehnten ändern werden. Starkniederschläge sind ein prominentes Beispiel. Regional können sich dabei kleinräumig Differenzierungen ergeben, die aus Resultaten grobmaschiger Globaler Klimamodelle (engl.: Global Circulation Models: GCMs, Abstand der Gitterpunkte über 100 km) nur indirekt abzuleiten sind. Im Besonderen gilt dies für zeitlich hoch aufgelöste Analysen. Die statistische Ableitung regionaler Niederschläge aus großräumigen Modelldaten (sog. Downscaling) ist insofern kritisch zu betrachten, als die Beziehung zwischen meteorologischer Konstellation und Niederschlag zeitlich wie räumlich starkem Wandel unterliegen kann. Folglich ist eine multivariate atmosphärische, an hydrologische Ereignisse gebundene Musterbildung Hauptziel dieses Projekts. In der zeitlichen Betrachtung wird in die meteorologisch relevante Tages-Dimension vorgestoßen. Basierend auf synoptischen Mustern der Realzeit (1950-1999) erfolgt mittels entsprechender GCM-Felder, ausdrücklich unter Ausschluss des Niederschlagsparameters, eine Abschätzung von systematischen Verzerrungen bzw. Ähnlichkeiten bei der Muster-Reproduktion zwischen den GCMs. Für das 20. Jahrhundert liegen zeitlich und räumlich hoch auflösende Stations- und Gitterfeld-Datensätze zu einer Vielzahl meteorologischer Parameter vor. Der Blick des Projekts fällt auf zwei ausgewählte Regionen der nordhemisphärischen Mittelbreiten, auf Mitteleuropa (0°-20°E/ 40°-60°N) und den Nordosten der USA (60°-90°W/ 32,5°-50°N). Im Übergangsgebiet zwischen sommertrockenen Subtropen und immerfeuchter Westwindzone könnten sich hydrometeorologische Wandlungen vergleichsweise einschneidend bemerkbar machen. Ein jahreszeitlich differenzierter Ansatz ist angebracht. Ausgangspunkt der Analyse sind täglich aufgelöste Datensätze beobachteter Niederschläge und Abflussvolumen aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Auf Basis verschiedener (semi-)statistischer Kriterien werden vielfältige Selektionen von Tagen mit anormalen hydrologischen Ereignissen getroffen. Starkereignisse werden durch hohe Tagesniederschläge, hohe Abflussvolumen, außergewöhnliche zwischenwöchentliche Abflusszuwächse (Hochwasserwellen) und Kombinationen daraus (verknüpfte Starkereignisse) repräsentiert. Trockenheit findet Ausdruck durch Tage mit fehlendem Niederschlag, mit geringem Abfluss (Niedrigwasser) und durch Kombinationen daraus (verknüpfte Trockenereignisse). Jedem dermaßen selektierten Tag werden aus dem Datensatz der NCEP/NCAR-Reanalyse meteorologische Felder zugeordnet, die sich aus mehreren Variablen zusammensetzen (gekoppelte meteorologische Felder). Bei der Reanalyse handelt es sich um eine global verfügbare, in Gitterfeldern über 28 Druckflächen angeordnete Datenbasis Hunderter atmosphärischer Parameter. Daraus fließen in diese Arbeit einige thermische, hygrometrische und druckbezogene Variablen ein, die in der Wettervorhersage zum gängigen Instrumentarium gehören. Gekoppelte meteorologische Felder bestehen jeweils aus einem Bündel solcher Variablen. Grundannahme ist, dass durch die Bündelung die Spezifität der Verknüpfung meteorologischer Anordnungen mit bestimmten anormalen hydrologischen Ereignissen gesteigert wird. Die multivariate Methode der Hauptkomponentenanalyse soll komprimierte Information zur Kovarianz der gekoppelten Felder liefern. Ergebnis der Methode sind Hauptkomponenten, die unabhängig voneinander maximierte meteorologische Variabilitäten auf sich vereinigen. In räumlicher Sicht erfolgt die Bildung spezifisch anormaler gekoppelter Muster (=SAGMs) aus Raumgewichten. Zeitliche Vertreter von SAGMs sind Zeitgewichte und Zeitgewicht-Zeitreihen. Zeitgewichte beschreiben Ähnlichkeiten zwischen SAGMs und einem beliebigen Feld räumlich gleichartigen Arrangements aufgrund von Korrelationskoeffizienten (=Pseudoladungen). Ein Mehrfachkriterium wird eingeführt, um die hydrometeorologische Eigentümlichkeit und Repräsentativität eines SAGMs zu gewährleisten. Zwei Anwendungen von SAGMs werden betrachtet: 1) Als Instrument zur kurzfristigen Unwettervorhersage: Die Voraussetzung eines (mehrtägigen) Zeitversatzes zwischen atmosphärischer Ursache und hydrologischem Effekt ist durch die Selektionskonzeption erfüllt. Die Prognosetauglichkeit eines SAGMs richtet sich nach dessen zu definierender hydrometeorologischer Eindeutigkeit. 2) Zweitens und als Hauptteil der Arbeit wird der Frage nachgegangen, inwieweit Zeittrends der SAGM-bezogenen Zeitreihen als Hinweis auf signifikante Wandlungen anormalen hydrologischen Verhaltens gedeutet werden dürfen. Es handelt sich um einen langfristigen (1950-2100), hydroklimatisch abschätzenden Ansatz. In Augenschein genommen wird, inwieweit sich nach Regionen, Jahreszeiten, Variablengruppen, Ereignistypen und nach 2 den sozioökonomischen Szenarien A2 und B2 Differenzierungen ergeben. Concerning regional climate change my special topic is: In what extent will abnormal hydrometeorological events change in the next few decades. Strong precipitation events are to be mentioned as prominent examples. Differences at a small spatial scale may arise, which can not be realized by raw GCM outputs (GCM: General Circulation Model, grid point distances more than 100 km). Deriving regional to local precipitation, particularly on small time scales (days to hours), from global model outputs is usually performed by indirect downscaling techniques. Changeable variable interaction between general mesoscale weather situations and regional scale hydrology has to be regarded as one crucial problem in downscaling. Consequently the initial point of this work is to create multivariate atmospheric patterns, which are bound to specific hydrologic event definitions. Changing from seasonal and monthly to daily scale emphasizes the meteorological importance of the study. In fact, congruences between atmospheric patterns and hydrologic occurrences are attained by linking binary event definitions. Based on recent synoptic patterns (1950-1999) three GCM outputs are checked for biases and similarities in pattern reproductions. Recent periods of observed and post-modelled data are available almost globally in high time and space resolutions. This project covers two selected regions of the northern hemispheric mid latitudes: The North-eastern USA (60° to 90°W/ 32,5° to 45°N) and Central Europe (0° to 20°E/ 40° to 60°N). In the transition zone between constant wetness and subtropical summer dryness, future modifications in seasonality and extremes could become noticeable in an outstanding way, seasonally separated analyses seem to be essential. In 1950 to 1999 observational databases comprise of precipitation and discharge series in daily resolution. Selections of hydrologically abnormal days are composed by several (semi-)statistical criteria. Strong events refer to heavy daily precipitation, high discharge volumes, extraordinary volume increases (flood waves), and to precipitation discharge combinations (coupled wet events). Dry events are expressed by zero precipitation days, by low discharge volumes, and by corresponding combinations (coupled dry events). Depending on the selected day corresponding meteorological fields consisting of several variables are assigned (coupled meteorological fields) from the NCEP/NCAR Reanalyses. The latter is a parametrised and gridded pool of hundreds of atmospheric parameters covering 28 vertical levels. From these some are thermal, moisture-, pressure related, and wind speed variables and are commonly used as tools in weather predictions. Respectively, coupled meteorological fields are also compiled of a bunch of such variables. The preferential conception is to receive collected atmospheric correlations in order to enhance the accuracy when combining meteorological constellations with abnormal hydrological events. By using the Principal Component Analysis as multivariate method the main objective is to gain intense information about the way in which coupled meteorological fields correlate. The results consist of principal components of any certain number. Apart from one another they exist of concentrated, maximised correlation information. Spatial representations consist of specifical abnormal multivariate patterns (=SAGM). Considering the way in which time is measured, SAGMs are represented by time weights and by associated time rows. A multiple criterion is implemented in order to assure SAGM's peculiarities. Two applications are to be examined in-depth: 1) Firstly, SAGMs may be applied to predict severe weather in short terms. The pre-condition of time lags between atmospheric predictors and hydrologic impacts (several days) is decisive for sample selections. Short term prediction is acceptable for a SAGM if its hydrometeorologic information features no ambiguities. 2) Secondly, and as main part of the project, the question arises to what extent temporal SAGM related trends are connected to significant linear changes of severe precipitation and discharge properties in the long run, specifically from about 1950 to 2100. Beside assessing future developments within socio-economic scenarios A2 and B2, the second approach incorporates model differences in reproducing severe weather patterns. Regarding regional SAGM populations, short and long term applications have to be considered and differences between regions, seasons, synoptic variable groups, event types and scenarios have to be compared.

Prix de l'Université Ibn Zohr, 7ème édition 2009-2010; The work of thesis has for objective to estimate exactly the quantity of water potentially produced by dew in the village of Mirleft in the South of Agadir (Morocco), to compare it with the other alternative resources of water collection (fog, rain) and estimate its quality. The implementation at Mirleft of a meteorological station, 4 condensers and a net with fog allowed obtaining data concerning the period between 05/01/2007 and the 04/31/2008. Very numerous events of dew were observed, with rare events of fog. The dew water represents 40% of the annual contribution of rain and thus appears as an essential component in the whole water balance. A mathematical approach to modeling the dew has ben used to estimat dew yield over a dozen sites scattered throughout the territory. A spatio-temporal analysis allowed a better understanding of the phenomenon of condensation across Morocco. The average pH of the dew and the rain are respectively equal at 7.40 (± 0.28) and 6.85 (± 0.21) with an average conductivity of 727.25 μS/cm (± 678.64) and 316 μS/cm (± 306.07), representing a total mineralization of 560 mg L-1 and 230 mg L-1. In this study, the ratio TA/TC, lower than 1, indicates the alkaline nature of these waters. The analysis of the major ions showed that the concentration of Cl- and Na+ are raised with regard to that of the other elements. An analysis in main constituent (ACP) was realized on the data to identify the possible origin of the ions. To estimate the contribution marine or not marine of these ions, the fraction of the salt resulting from the sea (SSF) was calculated. The weak percentages of the SSF of the dew suggested a considerable contribution of not marine origin for constituents such as Ca²+, K+, SO4 2- and NO3 - Cl- , Na+ and Mg2+. On the other hand in the rainwater, the values of the NSSF (No Sea Salt Fraction) indicate that only Ca²+ and NO3- are not influenced by the sea. The study of the neutralization factor revealed the decreasing order of the cations in the water of both sources NFCa ²+ > NFMg ²+ > NFK+. We noticed the influence of the climate on the chemistry of the dew and consequently the temporal variations where the seasons of transition and sandbanks are more concentrated in elements than the wet season characterized by high rates in dew water. The quantities of ions measured and biological analysis agrees with the World Health Organization requirements for potable water. The results in terms of yields associated with chemical analysis of dew and the successful demonstration of the condenser in different areas where our team has done this research led us to equip successful collection systems to Idousskssou (8 km SE of Mirleft).; Le travail de thèse a pour objectif d'estimer précisément la quantité d'eau que l'on peut espérer collecter par la rosée dans le village côtier de Mirleft, situé au sud d'Agadir (Maroc), de la comparer aux autres ressources renouvelables de récupération d'eau douce (brouillard, pluie) et d'estimer sa qualité. La mise en place à Mirleft d'une station météorologique, de 4 condenseurs et d'un filet à brouillard a permis d'obtenir des données concernant la période comprise entre le 01/05/2007 et le 31/04/2008. De très nombreux événements de rosée ont été observés, avec de rares événements de brouillard. L'eau de rosée représente 40 % de l'apport annuel en pluie et apparaît donc comme une composante essentielle de l'apport hydrique total. Une approche mathématique de la modélisation de la rosée a estimé son rendement sur une quinzaine de sites répartis sur tout le territoire du Maroc. Une analyse spatio-temporelle a permis une meilleure connaissance du phénomène de la condensation à l'échelle du Maroc. Concernant les analyses chimiques, les pH moyens de la rosée et de la pluie sont respectivement égaux à 7,40 (± 0.28) et 6,85 (± 0.21) avec une conductivité moyenne de 727,25 μS/cm (± 678.64) et 316 μS/cm (± 306.07), représentant une minéralisation totale de 560 mg L-1 et 230 mg L-1. Dans cette étude, le rapport TA/TC, inférieur à 1, indique la nature alcaline de ces eaux. L'analyse des ions majeurs a montré que la concentration du Cl- et Na+ est élevée par rapport à celle des autres éléments. Une analyse en composante principale (ACP) a été réalisée sur les données afin d'identifier l'origine possible des ions. Pour estimer la contribution marine et non marine de ces ions, la fraction du sel provenant de la mer (SSF) a été calculé. Les faibles pourcentages du SSF de la rosée ont suggéré une contribution considérable d'origine non marine pour des composants comme Ca²+, K+, SO4 2- et NO3 - exceptés le Cl-, Na+ et Mg2+. Par contre dans l'eau de pluie, les valeurs du NSSF (No Sea Salt Fraction) indiquent que seulement Ca²+ et NO3 - ne sont pas influencés par la mer. L'étude du facteur de neutralisation a révélé l'ordre décroissant des cations dans l'eau des deux sources NFCa²+ > NFMg²+ > NFK+. On a constaté l'influence du climat sur la chimie de la rosée et par conséquent les variations temporelles où les saisons de transition et sèches sont plus concentrées en éléments que la saison humide caractérisée par les taux élevés en eau de rosée. Les quantités d'ions mesurées et les analyses biologiques montrent que l'eau de rosée est potable vis-à-vis des recommandations de l'OMS. Les résultats en termes de rendements associés aux analyses chimiques de l'eau de rosée et le succès du condenseur de démonstration dans différentes régions où notre équipe a réalisé ces recherches nous ont incité à équiper avec succès des grands systèmes de collectes à Idousskssou (8 km SE de Mirleft) pour l'usage de la population locale.

Prix de l'Université Ibn Zohr, 7ème édition 2009-2010; The work of thesis has for objective to estimate exactly the quantity of water potentially produced by dew in the village of Mirleft in the South of Agadir (Morocco), to compare it with the other alternative resources of water collection (fog, rain) and estimate its quality. The implementation at Mirleft of a meteorological station, 4 condensers and a net with fog allowed obtaining data concerning the period between 05/01/2007 and the 04/31/2008. Very numerous events of dew were observed, with rare events of fog. The dew water represents 40% of the annual contribution of rain and thus appears as an essential component in the whole water balance. A mathematical approach to modeling the dew has ben used to estimat dew yield over a dozen sites scattered throughout the territory. A spatio-temporal analysis allowed a better understanding of the phenomenon of condensation across Morocco. The average pH of the dew and the rain are respectively equal at 7.40 (± 0.28) and 6.85 (± 0.21) with an average conductivity of 727.25 μS/cm (± 678.64) and 316 μS/cm (± 306.07), representing a total mineralization of 560 mg L-1 and 230 mg L-1. In this study, the ratio TA/TC, lower than 1, indicates the alkaline nature of these waters. The analysis of the major ions showed that the concentration of Cl- and Na+ are raised with regard to that of the other elements. An analysis in main constituent (ACP) was realized on the data to identify the possible origin of the ions. To estimate the contribution marine or not marine of these ions, the fraction of the salt resulting from the sea (SSF) was calculated. The weak percentages of the SSF of the dew suggested a considerable contribution of not marine origin for constituents such as Ca²+, K+, SO4 2- and NO3 - Cl- , Na+ and Mg2+. On the other hand in the rainwater, the values of the NSSF (No Sea Salt Fraction) indicate that only Ca²+ and NO3- are not influenced by the sea. The study of the neutralization factor revealed the decreasing order of the cations in the water of both sources NFCa ²+ > NFMg ²+ > NFK+. We noticed the influence of the climate on the chemistry of the dew and consequently the temporal variations where the seasons of transition and sandbanks are more concentrated in elements than the wet season characterized by high rates in dew water. The quantities of ions measured and biological analysis agrees with the World Health Organization requirements for potable water. The results in terms of yields associated with chemical analysis of dew and the successful demonstration of the condenser in different areas where our team has done this research led us to equip successful collection systems to Idousskssou (8 km SE of Mirleft).; Le travail de thèse a pour objectif d'estimer précisément la quantité d'eau que l'on peut espérer collecter par la rosée dans le village côtier de Mirleft, situé au sud d'Agadir (Maroc), de la comparer aux autres ressources renouvelables de récupération d'eau douce (brouillard, pluie) et d'estimer sa qualité. La mise en place à Mirleft d'une station météorologique, de 4 condenseurs et d'un filet à brouillard a permis d'obtenir des données concernant la période comprise entre le 01/05/2007 et le 31/04/2008. De très nombreux événements de rosée ont été observés, avec de rares événements de brouillard. L'eau de rosée représente 40 % de l'apport annuel en pluie et apparaît donc comme une composante essentielle de l'apport hydrique total. Une approche mathématique de la modélisation de la rosée a estimé son rendement sur une quinzaine de sites répartis sur tout le territoire du Maroc. Une analyse spatio-temporelle a permis une meilleure connaissance du phénomène de la condensation à l'échelle du Maroc. Concernant les analyses chimiques, les pH moyens de la rosée et de la pluie sont respectivement égaux à 7,40 (± 0.28) et 6,85 (± 0.21) avec une conductivité moyenne de 727,25 μS/cm (± 678.64) et 316 μS/cm (± 306.07), représentant une minéralisation totale de 560 mg L-1 et 230 mg L-1. Dans cette étude, le rapport TA/TC, inférieur à 1, indique la nature alcaline de ces eaux. L'analyse des ions majeurs a montré que la concentration du Cl- et Na+ est élevée par rapport à celle des autres éléments. Une analyse en composante principale (ACP) a été réalisée sur les données afin d'identifier l'origine possible des ions. Pour estimer la contribution marine et non marine de ces ions, la fraction du sel provenant de la mer (SSF) a été calculé. Les faibles pourcentages du SSF de la rosée ont suggéré une contribution considérable d'origine non marine pour des composants comme Ca²+, K+, SO4 2- et NO3 - exceptés le Cl-, Na+ et Mg2+. Par contre dans l'eau de pluie, les valeurs du NSSF (No Sea Salt Fraction) indiquent que seulement Ca²+ et NO3 - ne sont pas influencés par la mer. L'étude du facteur de neutralisation a révélé l'ordre décroissant des cations dans l'eau des deux sources NFCa²+ > NFMg²+ > NFK+. On a constaté l'influence du climat sur la chimie de la rosée et par conséquent les variations temporelles où les saisons de transition et sèches sont plus concentrées en éléments que la saison humide caractérisée par les taux élevés en eau de rosée. Les quantités d'ions mesurées et les analyses biologiques montrent que l'eau de rosée est potable vis-à-vis des recommandations de l'OMS. Les résultats en termes de rendements associés aux analyses chimiques de l'eau de rosée et le succès du condenseur de démonstration dans différentes régions où notre équipe a réalisé ces recherches nous ont incité à équiper avec succès des grands systèmes de collectes à Idousskssou (8 km SE de Mirleft) pour l'usage de la population locale.

National audience; Les crues éclair représentent un risque majeur dans le Sud-Est de la France, qui peut être soumis, essentiellement en automne, à des épisodes pluvieux intenses. Certaines crues ont marqué les mémoires et ont eu des conséquences dramatiques (Nîmes, 1988 ; Vaison la Romaine, 1992 ; Gard, Septembre 2002). Afin de progresser dans la compréhension des processus couplés à l'origine de ces épisodes intenses et d'améliorer les modélisations hydro-météorologiques correspondantes, l'Observatoire Hydrométéorologique Cévennes-Vivarais (OHM-CV) collecte depuis une dizaine d'années les données hydrométéorologiques sur la zone d'étude. Parmi ces données, celles issues des radars hydrométéorologiques jouent un rôle central. Des travaux récents ont en effet montré que les bassins les plus vulnérables étaient souvent des bassins versants de petite taille (

L'hydrométéorologie dans les Alpes est largement sous-instrumentée. Environ 80 % des pluviomètres installés dans les régions alpines (40 000 km²) sont concentrés entre les altitudes 250 et 1250 mètres. Contrairement à ce que l'on pense couramment, les Alpes sont donc assez peu observées. Ceci est évidemment contradictoire avec la hausse des préoccupations sociales et environnementales qui se posent compte tenu des changements globaux très présents dans ces régions. Les raisons de ce sous-échantillonnage sont nombreuses. On peut citer par exemple la forte variabilité géographique et temporelle des variables météorologiques (difficulté à l'interpolation). Un autre frein est constitué par les coûts d'installation et de maintenance des appareils classiques qui doivent subir dans ces milieux de montagnes des contraintes pour lesquelles ils n'ont pas nécessairement été prévus (autonomie en énergie, rigueur des climats, phénomènes paroxysmiques : laves torrentielles, avalanches, etc.). Nous pensons qu'une nouvelle approche combinant l'instrumentation hydrométrique et la modélisation hydrologique physique peut être une des pistes permettant d'améliorer les bilans pluviométriques des milieux de montagne. Ce constat s'appuiera sur l'exposé d'une méthode originale d'analyse de la pertinence des modélisations hydrologiques ainsi que ses conséquences en termes de rétro-estimation des précipitations. Un réseau hydrométrique composé d'appareils novateurs, moins coûteux et adaptés aux conditions extrêmes (par exemple HyMAGE-TIP), couplé à des modélisations hydrologiques physiques doit permettre de soulager le cahier des charges d'un réseau de pluviomètres tout en obtenant un bilan hydrométéorologique correct et extensible en taille à des coûts moindres.

Hydrometeorology survey in the Alpes is clearly under-sampled. About 80% of rain-gauges installed in the Alpines regions (40000 km2) are concentrated within elevations ranging from 250 m to 1250 m. Despite what is commonly thought, Alpes are actually little observed. This is obviously a contradiction with the increase of social and environmental questions raised by global changes, which are known to be very sensitive in these regions. Many reasons can explain such a under-sampling of the Alpine hydrometeorology. For example the high geographical and temporal variabilities of meteorological variables lead to uncertain interpolation. Another difficulty stands in the costly installations and maintenances of classical sensors that must face severe conditions for which they were not settled (energy autonomy, severe weather conditions, natural hazards such as debris flow, avalanche, etc.). It is suggested that a new approach combining hydrometry and physical hydrological modeling may be one of the answer leading to improve the water balance in mountainous regions. This will be illustrated by the explanation of a new method for hydro-logical models relevancy analysis that may have interesting ability of retro-identification of precipitations. A hydrometric network making intense use of new sensor, less costly and well suited for hazardous conditions (such as the HyMAGE-TIP sensor), coupled with physical hydrological models may give relief to the specifications of the rain-gauges network Relevant hydro-meteorological balance should be then possible at "low " cost with possible geographical spread out., L' hydrométéorologie dans les Alpes est largement sous-instrumentée. Environ 80% des pluviomètres installés dans les régions alpines (40000 km2) sont concentrés entre les altitudes 250 et 1250 mètres. Contrairement à ce que l'on pense couramment, les Alpes sont donc assez peu observées. Ceci est évidemment contradictoire avec la hausse des préoccupations sociales et environnementales qui se posent compte tenu des changements globaux très présents dans ces régions. Les raisons de ce sous-échantillon-nage sont nombreuses. On peut citer par exemple la forte variabilité géographique et temporelle des variables météorologiques (difficulté à l 'interpolation). Un autre frein est constitué par les coûts d 'installation et de maintenance des appareils classiques qui doivent subir dans ces milieux de montagnes des contraintes pour lesquelles ils n 'ont pas nécessairement été prévus (autonomie en énergie, rigueur des climats, phénomènes paroxysmiques : laves torrentielles, avalanches, etc.). Nous pensons qu 'une nouvelle approche combinant l 'instrumentation hydrométrique et la modélisation hydrologique physique peut être une des pistes permettant d'améliorer les bilans pluviométriques des milieux de montagne. Ce constat s'appuiera sur l'exposé d'une méthode originale d 'analyse de la pertinence des modélisations hydrologiques ainsi que ses conséquences en termes de rétro-estimation des précipitations. Un réseau hydrométrique composé d'appareils novateurs, moins coûteux et adaptés aux conditions extrêmes (par exemple HyMAGE-TIP), couplé à des modélisations hydrologiques physiques doit permettre de soulager le cahier des charges d'un réseau de pluviomètres tout en obtenant un bilan hydrométéorologique correct et extensible en taille à des coûts moindres., Saulnier Georges-Marie, Barth Thierry. Un éléphant volant est-il un oiseau ? Perspectives pour l'observation hydrométéorologique des milieux de montagne. In: Collection EDYTEM. Cahiers de géographie, numéro 8, 2009. Neige et glace de montagne. Reconstitution, dynamique, pratiques. pp. 147-156.

International audience

EAGLE2006 – an intensive field campaign for the advances in land surface hydrometeorological processes – was carried out in the Netherlands from 8th to 18th June 2006, involving 16 institutions with in total 67 people from 16 different countries. In addition to the acquisition of multi-angle and multi-sensor satellite data, several airborne instruments – an optical imaging sensor, an imaging microwave radiometer, and a flux airplane – were deployed and extensive ground measurements were conducted over one grassland site at Cabauw and two forest sites at Loobos and Speulderbos in the central part of the Netherlands. The generated data set is both unique and urgently needed for the development and validation of models and inversion algorithms for quantitative land surface parameter estimation and land surface hydrometeorological process studies. EAGLE2006 was led by the Department of Water Resources of the International Institute for Geo-Information Science and Earth Observation (ITC) and originated from the combination of a number of initiatives supported by different funding agencies. The objectives of the EAGLE2006 campaign were closely related to the objectives of other European Space Agency (ESA) campaign activities (SPARC2004, SEN2FLEX2005 and especially AGRISAR2006). However, one important objective of the EAGLE2006 campaign is to build up a data base for the investigation and validation of the retrieval of bio-geophysical parameters, obtained at different radar frequencies (X-, C- and L-Band) and at hyperspectral optical and thermal bands acquired simultaneously over contrasting vegetated fields (forest and grassland). As such, all activities were related to algorithm development for future satellite missions such as the Sentinels and for validation of retrievals of land surface parameters with optical and thermal and microwave sensors onboard current and future satellite missions. This contribution describes the campaign objectives and provides an overview of the airborne and field campaign dataset. This dataset is available for scientific investigations and can be accessed on the ESA Principal Investigator Portal http://eopi.esa.int/.

International audience; Initiated by the French community, the HyMeX international project aims to improve our understanding of water cycle in the Mediterranean, its variability from meteorological event to seasonal and interannual scales, and its characteristics over a decade in a context of global change. The project is motivated by the role of mesoscale processes, coupled between the atmosphere, land and sea, on the climate systemand the onset of extreme hydro-meteorological events (precipitation and flash-flooding, strong winds and ocean convection, heat waves and droughts). The project also aims to assess the consequences of these extreme events on the social and economic vulnerability of this region and adaptability.; D'initiative française, le projet international HyMeX a pour objectif d'améliorer la compréhension du cycle de l'eau en Méditerranée, de sa variabilité, de l'échelle de l'événement météorologique aux échelles saisonnières et interannuelles, et de ses caractéristiques sur une décennie, dans un contexte de changement global. Le projet est motivé par le rôle déterminant des processus de mésoéchelle, couplés entre l'atmosphère, la mer et la terre, sur la variabilité du système climatique et sur le déclenchement d'événements hydrométéorologiques extrêmes (précipitations et inondations, vents forts et convection océanique, canicules et sécheresses). Le projet vise enfin à évaluer les conséquences de ces événements extrêmes sur la vulnérabilité sociale et économique de cette région et sa capacité d'adaptation.

La France a subi des secheresses en 2003, 2005 et 2006, dont les consequences notamment sur les bâtiments ont mis en lumiere l’importance de ce risque naturel.En raison de ses missions, Meteo-France suit l’ensemble des phenomenes meteorologiques, dont les secheresses, via la quantification des deficits pluviometriques observes par un important reseau de mesure de precipitations et des systemes d’analyse atmospherique. Dans cet article, on presente les differents types de secheresse et la comparaison des secheresses recentes par rapport aux secheresses connues dans le passe.De plus, Meteo-France utilise des modeles de suivi du bilan en eau comme le modele Safran Isba Modcou (SIM) pour mieux apprehender les consequences des deficits pluviometriques et de la demande evaporative sur l’extension et l’intensite de la secheresse. SIM permet de calculer des bilans d’eau spatialises et en particulier un indice d’humidite du sol et un stock de neige sur les montagnes. Ces donnees sont utilisees dans le suivi hydrologique en France. Les caracteristiques et quelques resultats en terme de contenu en eau du sol de deux de ces modeles sont presentes.

To determine the physical processes involved in the melting and disappearance of transient snow cover in nonglacierized tropical areas, the CROCUS snow model, interactions between Soil–Biosphere–Atmosphere (ISBA) land surface model, and coupled ISBA/CROCUS model have been applied to a full set of meteorological data recorded at 4795 m MSL on a moraine area in Bolivia (16°17′S, 68°32′W) between 14 May 2002 and 15 July 2003. The models have been adapted to tropical conditions, in particular the high level of incident solar radiation throughout the year. As long as a suitable function is included to represent the mosaic partitioning of the surface between snow cover and bare ground and local fresh snow grain type (as graupel) is adapted, the ISBA and ISBA/CROCUS models can accurately simulate snow behavior over nonglacierized natural surfaces in the Tropics. Incident solar radiation is responsible for efficient melting of the snow surface (favored by fresh snow albedo values usually not exceeding 0.8) and also for the energy stored in snow-free areas (albedo = 0.18) and transferred horizontally to adjacent snow patches. These horizontal energy transfers (by conduction within the upper soil layers and by turbulent advection) explain most of the snowmelt and prevent the snow cover from lasting more than a few days during the wet season in this high-altitude tropical environment.

Si l'on a observé de façon qualitative de nombreux phénomènes hydro-météorologiques exceptionnels depuis des siècles, on en a une connaissance quantitative que depuis un à deux siècles. A partir d'observations de précipitations exceptionnelles comme de débits, nous montrons l'ampleur inattendue de ceux-ci pour le non spécialiste, l'extrême diversité dans l'espace et un désordre qui n'est qu'apparent. En effet des analyses simples montrent que chaque station pluviométrique comme hydrométrique a ses propres caractéristiques assez bien définies et souvent stables dans le temps du moins à l'échelle de quelques générations humaines. / Numerous severe hydro-meteorological events have been observed for centuries. However, a quantitative knowledge of such extreme phenomena has been available for only one or two centuries. Based on observations we display the great variability of heavy rainfall precipitations and extreme discharges in space in terms of magnitude and extent. Basic statistical analyses shows that each hydrological time series has its own characteristics that seem stationary at medium time scale (a few human generations).