Impact of the spatial and temporal resolution of precipitation inputs for hydrological modeling in West Africa and implication in the use of satellite products : Case study on the basin of Ouémé in Benin
Impact de la résolution spatiale et temporelle des entrées pluviométriques pour la modélisation hydrologique en Afrique de l'Ouest et implication dans l'utilisation des produits satellitaires : Etude de cas sur le Bassin de l’Ouémé au Benin
Résumé
Intertropical climates are characterized by a strong space-time variability of precipitation that can produce persistent dry spells and extreme rainfall events within the same region. These extreme climatic conditions directly impact water resources and flood occurrences, threatening populations that are highly vulnerable to natural hazards. This is especially the case in West Africa, where an increasing number of flood events has been reported over the last twenty years while the dry conditions that have started in the 1970's still prevail nowadays. While a significant climate warming is already observed in this region, there is more to come, with possible changes of the patterns of rainfall variability. It is thus of primary importance to better apprehend how sensitive is the hydrological response of West African catchments to small scale rainfall variability. Numerical models explicitly simulating the hydrological processes have already been tested and calibrated to represent the rainfall-runoff relationship of these catchments. They require high resolution (typically a few kilometers in space and one hour or less in time) rainfields as inputs, so as to account properly for the small scale variability of precipitation. However, this requirement is difficult to meet in a region where operational networks have a density which often does not exceed one gauge per 10000 km² and provide daily measurements only. Satellite remote sensing is consequently seen as a remedy to the shortcomings of ground monitoring, especially as it provides a continuous monitoring in space and time, but satellite rainfall products are still far from reaching the high space-time resolution mentioned above. In such a context, the sensitivity of hydrological models to the resolution of their forcing rainfields is an important topic, rarely tackled as such in the literature dealing with hydrological modeling based on satellite data.This PHD thesis thus focus on two related questions : i) how degrading the space-time resolution of forcing rainfields is influencing the response of hydrologic models, assuming that this degradation of the resolution has no influence on the biases ? ; ii) what are the consequences of using satellite rainfall products – which combine low resolution and bias problems – for simulating the response of catchments in tropical regions?To that end the AMMA-CATCH data set of the Ouémé catchment (13150 km2) in Benin is used. The high density recording raingauge network allows the computation of fine resolution rainfields (0.05°; 30 minutes), used as inputs to the DHSVM hydrological model, providing reference series of river flows at the outlet of the catchment.
Les zones intertropicales sont caractérisées par des précipitations très variables dans l'espace et le temps qui peuvent produire sur une même région des conditions de sécheresse prolongées entrecoupées d'événements pluviométriques intenses. Ces extrêmes secs et humides peuvent provoquer des pénuries d’eau ou des inondations, mettant en péril des populations souvent très vulnérables aux aléas climatiques. C'est particulièrement le cas de l'Afrique de l'Ouest qui, dans un contexte de conditions sèches dominantes depuis les années 1970, subit ces deux dernières décennies un nombre croissant d'inondations. Face à un réchauffement climatique déjà bien réel, mais qui va se renforcer avec des conséquences sur le cycle de l'eau encore très incertaines, il est nécessaire de mieux comprendre comment la variabilité climatique – et en l’occurrence plus spécifiquement la variabilité pluviométrique, impacte la variabilité hydrologique. On dispose pour cela de modèles numériques de surface qui représentent de façon explicite les principaux processus intervenant dans les bilans d’eau. Ils doivent être alimentés par des champs de forçage pluviométrique à des résolutions suffisamment fines pour bien représenter les variabilités de petite échelle qui caractérisent les précipitations tropicales (résolution spatiale de quelques kilomètres et pas de temps horaire ou inférieur). De telles résolutions sont la plupart du temps incompatibles avec les échelles des données issues des réseaux pluviométriques nationaux en Afrique de l'Ouest (densité moyenne de 1 pluviomètre pour 10.000 km² au pas de temps journalier). Il existe de surcroît des zones entières qui sont peu ou mal couvertes du fait de conditions climatiques difficiles ou du manque de moyens des services météorologiques nationaux. Dans ce contexte, la télédétection satellite s'avère très utile, mais elle ne permet pas encore d’atteindre les résolutions mentionnées plus haut. Compte tenu de cette situation, la question de la sensibilité des modèles hydrologiques à la résolution des champs pluviométriques utilisés pour les forcer constitue un sujet important, assez peu abordé en tant que tel dans la littérature consacrée à l’utilisation des données satellitaires pour forcer des modèles hydrologiques.Cette thèse s’attache donc à traiter séquentiellement deux questions distinctes, mais souvent confondues : i) quel est l’impact de la dégradation de la résolution spatio-temporelle des champs de forçages pluviométriques sur la réponse d’un modèle hydrologique, et ce en supposant que ces champs sont dépourvus d’erreur en moyenne ; ii) comment les champs de pluie estimés par satellite, qui présentent de façon combinée des problèmes de résolution et de biais, influencent-ils la réponse hydrologique simulée?Le jeu de données utilisé pour l’étude est celui du site soudanien de l’observatoire AMMA-CATCH au Benin (bassin de l’Ouémé, 13150 km2). Le réseau de pluviographes de cet observatoire permet de calculer des champs de référence à très fine résolution (0.05° et 30 minutes), utilisés pour forcer le modèle hydrologique DHSVM et constituer ainsi des débits simulés de référence. A partir de là il est possible de procéder à des études de sensibilité dans les deux directions mentionnées ci-dessus.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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