Les événements de pluies extrêmes et les inondations qui en résultent constituent une préoccupation majeure en France comme dans le monde. Dans le domaine de l'ingénierie, les méthodes d'analyse probabiliste sont pratiquement utilisées pour prédire les risques, dimensionner des ouvrages hydrauliques et préparer l'atténuation. Ces méthodes sont classiquement basées sur l'hypothèse que les observations sont identiquement distribuées. Il y a aujourd'hui de plus en plus d'éléments montrant que des variabilités climatiques à grande échelle (par exemple les oscillations El Niño – La Niña, cf. indice ENSO) ont une influence significative sur les précipitations dans le monde. Par ailleurs, les effets attendus du changement climatique sur le cycle de l'eau remettent en question l'hypothèse de variables aléatoires "identiquement distribuées" dans le temps. Il est ainsi important de comprendre et de prédire l'impact de la variabilité et du changement climatique sur l'intensité et la fréquence des événements hydrologiques, surtout les extrêmes. Cette thèse propose une étape importante vers cet objectif, en développant un cadre spatio-temporel d'analyse probabiliste régionale qui prend en compte les effets de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Les données sont supposées suivre une distribution, dont les paramètres sont liés à des variables temporelles et/ou spatiales à l'aide de modèles de régression. Les paramètres sont estimés avec une méthode de Monte-Carlo par Chaînes de Markov dans un cadre Bayésien. La dépendance spatiale des données est modélisée par des copules. Les outils de comparaison de modèles sont aussi intégrés. L'élaboration de ce cadre général de modélisation est complétée par des simulations Monte-Carlo pour évaluer sa fiabilité. Deux études de cas sont effectuées pour confirmer la généralité, la flexibilité et l'utilité du cadre de modélisation pour comprendre et prédire l'impact de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Ces cas d'études sont réalisés à deux échelles spatiales distinctes: • Echelle régionale: les pluies d'été dans le sud-est du Queensland (Australie). Ce cas d'étude analyse l'impact de l'oscillation ENSO sur la pluie totale et la pluie maximale d'été. En utilisant un modèle régional, l'impact asymétrique de l'ENSO est souligné: une phase La Niña induit une augmentation significative sur la pluie totale et maximale, alors qu'une phase El Niño n'a pas d'influence significative. • Echelle mondiale: une nouvelle base de données mondiale des précipitations extrêmes composée de 11588 stations pluviométriques est utilisée pour analyser l'impact des oscillations ENSO sur les précipitations extrêmes mondiales. Cette analyse permet d'apprécier les secteurs où ENSO a un impact sur les précipitations à l'échelle mondiale et de quantifier son impact sur les estimations de quantiles extrêmes. Par ailleurs, l'asymétrie de l'impact ENSO et son caractère saisonnier sont également évalués. / Extreme precipitations and their consequences (floods) are one of the most threatening natural disasters for human beings. In engineering design, Frequency Analysis (FA) techniques are an integral part of risk assessment and mitigation. FA uses statistical models to estimate the probability of extreme hydrological events which provides information for designing hydraulic structures. However, standard FA methods commonly rely on the assumption that the distribution of observations is identically distributed. However, there is now a substantial body of evidence that large-scale modes of climate variability (e.g. El-Niño Southern Oscillation, ENSO; Indian Ocean Dipole, IOD; etc.) exert a significant influence on precipitation in various regions worldwide. Furthermore, climate change is likely to have an influence on hydrology, thus further challenging the “identically distributed” assumption. Therefore, FA techniques need to move beyond this assumption. In order to provide a more accurate risk assessment, it is important to understand and predict the impact of climate variability/change on the severity and frequency of hydrological events (especially extremes). This thesis provides an important step towards this goal, by developing a rigorous general climate-informed spatio-temporal regional frequency analysis (RFA) framework for incorporating the effects of climate variability on hydrological events. This framework brings together several components (in particular spatio-temporal regression models, copula-based modeling of spatial dependence, Bayesian inference, model comparison tools) to derive a general and flexible modeling platform. In this framework, data are assumed to follow a distribution, whose parameters are linked to temporal or/and spatial covariates using regression models. Parameters are estimated with a Monte Carlo Markov Chain method under the Bayesian framework. Spatial dependency of data is considered with copulas. Model comparison tools are integrated. The development of this general modeling framework is complemented with various Monte-Carlo experiments aimed at assessing its reliability, along with real data case studies. Two case studies are performed to confirm the generality, flexibility and usefulness of the framework for understanding and predicting the impact of climate variability on hydrological events. These case studies are carried out at two distinct spatial scales: • Regional scale: Summer rainfall in Southeast Queensland (Australia): this case study analyzes the impact of ENSO on the summer rainfall totals and summer rainfall maxima. A regional model allows highlighting the asymmetric impact of ENSO: while La Niña episodes induce a significant increase in both the summer rainfall totals and maxima, the impact of El Niño episodes is found to be not significant. • Global scale: a new global dataset of extreme precipitation including 11588 rainfall stations worldwide is used to describe the impact of ENSO on extreme precipitations in the world. This is achieved by applying the regional modeling framework to 5x5 degrees cells covering all continental areas. This analysis allows describing the pattern of ENSO impact at the global scale and quantifying its impact on extreme quantiles estimates. Moreover, the asymmetry of ENSO impact and its seasonal pattern are also evaluated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013GRENU015 |
| Date | 28 October 2013 |
| Creators | Sun, Xun |
| Contributors | Grenoble, Lang, Michel |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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