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International audience; Insufficient hydrological knowledge hampers the reanalysis of river quality measurements. For most of the pollution-control sites monitored by the French Water Agency, streamflow data are generally missing or are available only as few point gauging records. This paper presents a comparative study of methods of daily streamflow time series reconstruction based on rainfall-runoff modeling. Their performance is evaluated through data running from 1990 to 2009 over a rather dense streamflow monitoring network. Results show that a small number of point gauging measurements may help to significantly improve the reconstruction of daily streamflow data series for almost ungauged sites. Point gauging records are also useful to define the optimal neighborhood used during the regionalization process. At-site monitoring of chemical and physical status of surface water should additionally include a series of flow measurements well-distributed in time, especially in regions where hydrological data are scarce; L'exploitation rétrospective des données physico-chimiques de qualité des eaux courantes requiert la connaissance du contexte hydrologique (chroniques de débits) dans lequel s'effectue le prélèvement d'eau. Cette information hydrologique n'est pas toujours connue au point de prélèvement ou de façon seulement discrète (débits ponctuels). Cet article présente les résultats d'une analyse comparative de méthodes de calcul des débits des cours d'eau par simulation pluie-débit applicables au droit des stations du réseau de contrôle de surveillance (RCS) gérées par l'Agence de l'Eau Rhin-Meuse. L'étude repose sur un réseau de mesure hydrométrique relativement dense et un patrimoine de données hydrologiques couvrant la période 1990-2009. Les résultats de l'étude montrent que la disponibilité d'une information hydrométrique ponctuelle même parcimonieuse au point de prélèvement, permet d'améliorer significativement la reconstitution des chroniques de débits journaliers et la définition du voisinage hydrologique utilisé lors de leur reconstitution. Tout suivi physico-chimique des eaux courantes devrait donc être doublé d'un suivi hydrométrique minimal, indépendant du suivi physico-chimique de manière à couvrir toute la gamme de débits de la rivière et permettant de reconstituer par modélisation hydrologique une chronique de débits aux points des réseaux RCS dépourvus de cette information à caractère opérationnel ou patrimonial

Géographe hydro-climatologue, mes recherches en sciences de l'environnement traitent des interactions entre l'eau, le climat et la société. Les applications portent sur un espace sous-continental de l'Europe de l'Ouest soumis à un climat océanique à dégradation continentale et drainé par deux fleuves constituant des axes de circulation et d'échanges transnationaux majeurs : le Rhin et la Meuse. Ce document présente un aperçu de mes recherches au cours des dix dernières années. Trois thèmes ont charpenté mon activité de recherche pendant cette décennie : i) Le changement climatique contemporain d'échelle régionale ; ii) La caractérisation et la gestion des impacts hydrologiques en contexte climatique non stationnaire et en avenir incertain ; iii) La géographie physique du flux de précipitations et de l'écoulement de rivière dans une optique de régionalisation des composantes du cycle hydrologique. Le premier thème est certainement celui qui a le plus retenu mon attention en raison de la forte demande sociétale qu'il a suscité au cours de ma période d'activité. Avec le recul, je pense que ces trois thèmes de recherche sont liés par un concept transversal : celui du changement qui se manifeste à toutes les échelles d'espace et de temps. L'eau et le climat se situent dans un environnement progressivement transformé par l'Homme et participent eux-mêmes à ce changement affectant les sociétés humaines par leur dynamique intrinsèque et leur stochasticité. Il y a là une dualité qui suppose d'adopter une approche socio-environnementale et intégrative des hydrosystèmes pour comprendre leur dynamique et mieux maîtriser leur gestion, renforcer leur résilience et leur faculté d'adaptation au changement. Cette dualité suppose " d'installer " une chaîne d'analyse et de modélisation contrainte par le diagnostic des modèles (climatiques et hydrologiques) et l'interaction " terrain-modèle ". Seule une telle démarche expérimentale permet de poser des limites opérationnelles face aux enjeux sociétaux suscités par les changements affectant le fonctionnement des hydrosystèmes et leur réponse face aux perturbations climatiques. La première partie de ce mémoire a pour objectif de définir les objets de recherche. Ainsi, le changement climatique est-il défini comme une intégration dans le temps des transitions préférentielles de l'atmosphère vers un régime de temps particulier. Les fondements de son étude se décline autour des mots-clés suivants : détection, attribution, modélisation et prospective. La régionalisation pour sa part est définie comme une science géographique qui, partant de l'observation et d'un effort de théorisation, cherche à identifier des similitudes de comportement, des combinatoires de variables permettant de prévoir ou prédéterminer, à partir ou non de l'information géographique, une information hydrologique ou climatologique là où elle n'existe pas ou que partiellement. Pour ces deux objets de recherche, l'enjeu socio-environnemental est considérable : il s'agit fondamentalement d'améliorer la connaissance des opportunités et des contraintes qui émanent des évolutions de l'environnement dans lequel l'Homme s'insère. L'objectif est de contribuer à faire de lui un meilleur gestionnaire, un meilleur gardien de cet environnement dont il est un acteur majeur pour qu'il adopte, de plus en plus, un comportement de " sentinelle ", i.e. proactif et réactif face au changement. Mon effort de recherche s'est déployé à différents niveaux scalaires mais toujours aux échelles spatiales qui sont directement en prise avec les impacts sociétaux du changement climatique. Les espaces sont de dimension variable (de quelques km² à quelques dizaines de milliers de km²) et leurs contours ont surtout été dictés par l'ancrage géographique des projets de recherche et la disponibilité de jeux de données cohérents. En outre, mon effort de recherche s'est nourri de données collectées par des réseaux de mesure d'envergure régionale. Par conséquent, les échelles temporelles investiguées ne vont pas au-delà de l'échelle séculaire. Les pas de temps des chroniques que j'ai traitées s'étendent de l'horaire à l'annuel. La seconde partie problématise les objets de recherche tout en fixant les échelles spatiales et temporelles auxquels ils sont traités. Les questionnements posés par mes objets de recherche sont nombreux et variés : comment crédibiliser les observations climatiques ? Comment concevoir les futurs du climat ? Comment les appliquer au fonctionnement hydrologique actuel des bassins-versants ? Quelles en sont les sources d'incertitude ? Comment évaluer le modèle d'impact hydrologique et comment le choisir ? Comment prendre en compte la variabilité spatiale des précipitations et de l'écoulement pour construire un modèle régional ? Comment s'organise cette variabilité ? Peut-on la modéliser, la prévoir, et à quelles échelles d'espace et de temps ? Quels sont les descripteurs physiques qui rendent compte de cette variabilité ? Pour répondre à ces questionnements scientifiques, il m'a fallu recourir à un arsenal de méthodes quantitatives décrites dans la troisième partie du document. Ces méthodes relèvent pour l'essentiel de l'analyse de données, de la statistique multivariée, de la statistique décisionnelle et de l'analyse spatiale. Les innovations résident principalement dans le développement des méthodes simples et fiables de détection du changement régional ou encore de cartographie automatique d'une variable d'intérêt à échelle fine. La quatrième partie est consacrée aux résultats produits tout au long de mon itinéraire de recherche. La synthèse n'est pas exhaustive. Les résultats saillants se rapportent à la caractérisation du réchauffement climatique contemporain (amplitude et localisation) au sein de l'espace rhéno-mosan, à la modulation spatiale du signal de changement pluviométrique hivernal, à l'évolution future du climat et des débits dans les bassins de la Sûre et de la Meuse ou encore à la valorisation des mesures hydrométriques patrimoniales pour l'interpolation du débit des rivières. Enfin, le document s'achève avec la présentation de quelques perspectives de recherches qui se projettent sur mon horizon scientifique, à plus ou moins brève échéance. La question de l'analyse spatiale des flux hydrologiques et celle de la résilience climatique des hydrosystèmes s'inscrivent au cœur de ces perspectives.

International audience

À la faveur d'un effort important de collecte et de validation de données pluviométriques quotidiennes et mensuelles à l'échelle régionale et locale dans le Nord-Est français, on rappelle comment s'exprime l'hétérogénéité spatiale du flux de précipitations et quels sont les facteurs géographiques ou atmosphériques susceptibles de l'expliquer aux différents niveaux scalaires. Une méthode d'interpolation spatiale permettant de prendre en compte une information géographique exogène dans la spatialisation à méso-échelle du flux de précipitations est ensuite appliquée à un épisode pluvieux et venteux. Une tentative de prise en compte de la micro-variabilité spatiale dans la cartographie du flux de précipitations est également présentée dans le but de produire une représentation multiscalaire du phénomène géographique étudié

The main objective of this study is to develop a model procedure for predicting low flows for a large set of gauged basins located in the Rhine-Meuse area. The methodology is primarily based on the analysis of recession curves, river discharges being essentially provided by groundwater flow during drought period. Our objective is to use recession coefficients in order to calibrate base flow predictions coming out from a groundwater reservoir. Problems related to the temporal variability of recession coefficients are discussed. We come to the conclusion that lows flows prediction can be improved by implementing a new groundwater reservoir into the RR model based on our knowledge of low flow processes.

Earlier trend analyses on rainfall series have clearly shown that the winter rainfall regime has changed since World War IIover Northwestern Europe as a consequence of an enhanced westerly atmospheric circulation. However, few studies havebeen conducted on the potential link between the spatial variability of winter rainfall regime change and the topography.In the present study, a time series analysis of winter rainfall due to atmospheric westerly fluxes is performed and relatedto the topography of the middle Rhine-Meuse area. The resulting geographical patterns show a zonal anisotropism of thewinter rainfall regime change implying an intensification of horizontal rainfall gradients. More contrasted westerly winterrainfall amounts are observed in mountainous areas during the post-1979 period following the changing-point year ofatmospheric circulation over Northwestern Europe. Copyright  2006 Royal Meteorological Society. KEY WORDS: winter rainfall regime change; statistical-topographic model; complex terrain; Rhine-Meuse basin

International audience

Détection de l'ICU d'été à partir de données Landsat l'exemple de Metz Métropole

A collection of local and regional point daily and monthly rainfall data series is used to illustrate the anisotropy affecting meteorological rainfall totals in North-Eastern France. Their relationship with geographical or atmospherical factors likely to explain their spatial patterns at different spatial scales is also presented. A method of spatial interpolation incorporating an auxiliary geographical information at meso-scale is then applied to a strong windy rainfall event. An attempt to account for the micro-scale variability into the procedure of meteorological rainfall estimation is finally performed., À la faveur d’un effort important de collecte et de validation de données pluviométriques quotidiennes et mensuelles à l’échelle régionale et locale dans le Nord-Est français, on rappelle comment s’exprime l’hétérogénéité spatiale du flux de précipitations et quels sont les facteurs géographiques ou atmosphériques susceptibles de l’expliquer aux différents niveaux scalaires. Une méthode d’interpolation spatiale permettant de prendre en compte une information géographique exogène dans la spatialisation à méso-échelle du flux de précipitations est ensuite appliquée à un épisode pluvieux et venteux. Une tentative de prise en compte de la micro-variabilité spatiale dans la cartographie du flux de précipitations est également présentée dans le but de produire une représentation multiscalaire du phénomène géographique étudié., Jeannée Nicolas, Adzijian-Gérard Jocelyne, Drogue Gilles, Francois Didier. La répartition spatiale des précipitations à différentes échelles dans le Nord-Est français : observations et cartographie (The spatial distribution of rainfall at different scales in Northeastern France : observations and mapping). In: Bulletin de l'Association de géographes français, 87e année, 2010-2. Approches spatiales multiscalaires en climatologie. pp. 245-260.

Using point flow measurements for guided reconstruction of daily streamflow time series through continous flow simulation: a regional case study on the Rhine-Meuse district. Insufficient hydrological knowledge hampers the reanalysis of river quality measurements. For most of the pollution-control sites monitored by the French Water Agency, streamflow data are generally missing or are available only as few point gauging records. This paper presents a comparative study of methods of daily streamflow time series reconstruction based on rainfall-runoff modeling. Their performance is evaluated through data running from 1990 to 2009 over a rather dense streamflow monitoring network. Results show that a small number of point gauging measurements may help to significantly improve the reconstruction of daily streamflow data series for almost ungauged sites. Point gauging records are also useful to define the optimal neighborhood used during the regionalization process. At-site monitoring of chemical and physical status of surface water should additionally include a series of flow measurements well-distributed in time, especially in regions where hydrological data are scarce., L’exploitation rétrospective des données physico-chimiques de qualité des eaux courantes requiert la connaissance du contexte hydrologique (chroniques de débits) dans lequel s’effectue le prélèvement d’eau. Cette information hydrologique n’est pas toujours connue au point de prélèvement ou de façon seulement discrète (débits ponctuels). Cet article présente les résultats d’une analyse comparative de méthodes de calcul des débits des cours d’eau par simulation pluie-débit applicables au droit des stations du réseau de contrôle de surveillance (RCS) gérées par l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse. L’étude repose sur un réseau de mesure hydrométrique relativement dense et un patrimoine de données hydrologiques couvrant la période 1990-2009. Les résultats de l’étude montrent que la disponibilité d’une information hydrométrique ponctuelle même parcimonieuse au point de prélèvement, permet d’améliorer significativement la reconstitution des chroniques de débits journaliers et la définition du voisinage hydrologique utilisé lors de leur reconstitution. Tout suivi physico-chimique des eaux courantes devrait donc être doublé d’un suivi hydrométrique minimal, indépendant du suivi physico-chimique de manière à couvrir toute la gamme de débits de la rivière et permettant de reconstituer par modélisation hydrologique une chronique de débits aux points des réseaux RCS dépourvus de cette information à caractère opérationnel ou patrimonial., Plasse Julien, Drogue Gilles, Francois Didier, Battaglia Philippe, Conan Céline. Apport des jaugeages ponctuels à la reconstitution de chroniques de débits moyens journaliers par simulation pluie-débit, l’exemple du bassin Rhin-Meuse. In: 35es journées de l’hydraulique de la Société Hydrotechnique de France. Hydrométrie 2013. Paris, 15-16 mai 2013. 2013.

This study has been conducted in the framework of the European AMICE (Adaptation of the Meuse to the Impacts of Climate Evolution) project. The main objective of this study is to show the sensitivity of the hydrological response of the French Meuse river to the methods used to downscale the outputs of a Limited-Area climate Model. To achieve this goal, two methods of climate scenario generation (a statistico-dynamical one and the delta change approach) have been applied to the simulations of the ARPEGE climate model forced with 3 greenhouse gases emission scenarios. The latter were further used as inputs to a rainfall-runoff model calibrated on the 1971-2000 period. Results show a decrease of seasonal precipitation (-10 % to -35 %) and an increase of air temperature of + 3° C on average, over the study area. In response to this climate forcing, low flow values for 2, 5, and 10 return periods will be halve of their present amounts., Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet transnational AMICE (Adaptation of the Meuse to the Impacts of Climate Evolution). Son objectif est de montrer la sensibilité de la réponse hydrologique en basses eaux d’une grosse rivière (la Meuse française) à la méthode de descente d’échelle spatiale ou temporelle appliquée aux simulations d’un modèle climatique. Dans cette optique, deux méthodes de descente d’échelle ont été appliquées aux simulations du modèle climatique à résolution variable ARPEGE-Climat forcé par trois scénarios d’émission de gaz à effet de serre (GES) du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat) : la méthode statistico-dynamique Boé08 (forcée B1, A1B et A2) et la méthode des anomalies (forcée A2). Les 4 scénarios climatiques désagrégés ainsi obtenus ont ensuite été utilisés comme intrants d’un modèle hydrologique conceptuel global sur la période 1971-2100. Pour la fin du 21e siècle, les résultats font apparaître une forte baisse des précipitations de l’ordre de 10% à 35% selon la saison, associée à une élévation généralisée de la température de l’air (+ 3° C). Les débits mensuels d'étiage simulés par le modèle pluie-débit sont peu sensibles à la méthode de descente d'échelle des simulations climatiques. Ils sont en revanche très dépendants du scénario d'émission. En réponse aux changements climatiques, la prospective hydrologique conduit logiquement à une baisse préoccupante des débits fréquentiels d’étiages, de l’ordre de -45% par rapport à leur valeur actuelle., Commeaux Fabien, Drogue Gilles, Francois Didier. Analyse prospective des débits mensuels d’étiage de la Meuse française à l'aide d'un modèle hydrologique : sensibilité aux méthodes de descente d’échelle spatiale et aux scénarios d’émission (Prospective analysis of monthly low streamflows of France’s Meuse river : methods of spatial downscaling and emission scenarii). In: Bulletin de l'Association de géographes français, 87e année, 2010-2. Approches spatiales multiscalaires en climatologie. pp. 178-193.

This study aims to test the robustness of a multi-criteria interpolation method of UHI in the Metz city conurbation based on a limited network of temperature probes with shelter. The intensity of the UHI is defined from an index (ΔTu-r averaged over n consecutive nights) calculated for each measurement point with respect to a peri-urban reference. Three recent heatwave episodes have been tested (June 2019, July 2019, August 2020): for each of them the UHI index is related to physical descriptors of the urban environment in order to build a statistical model. The model is then tested for performance and stability by splitting the data. The results show that statistical models fitted to data subsets is relatively stable, which validates the choice of measurement sites. Their performance level in validation is in line with the state of the art. The presence of poor simulations in validation underlines the importance of taking into account the diversity of urban environments in the sampling strategy. The maps produced show recurrent spatial patterns and some differences from one episode to another., Cette étude vise à tester la robustesse d'une méthode d'interpolation spatiale multicritère de l'ICU dans l'agglomération messine à partir d'un réseau limité de sondes de température sous abri. L'intensité de l'ICU est définie à partir d'un indice ICU (ΔTu-r maximum moyen sur n nuits consécutives) calculé pour chaque point de mesure par rapport à une référence péri-urbaine. Trois épisodes caniculaire récents ont été testés (juin 2019, juillet 2019, août 2020) : pour chacun d'eux, l'indice ICU est mis en relation avec des descripteurs physiques de l'environnement afin de construire un modèle statistique. Celui-ci fait l'objet ensuite d'un test de performance et de stabilité par fractionnement de données. Les résultats montrent que les modèles statistiques ajustés sur des sous-ensembles de données sont relativement stables, ce qui valide le choix des sites de mesure. Leur niveau de performance en validation est conforme à l'état de l'art. La présence de mauvaises simulations en validation souligne l'importance de bien prendre en compte la diversité des environnements urbains dans la stratégie d'échantillonnage. Les cartes produites montrent des structures spatiales récurrentes et quelques différences d'un épisode à l'autre.