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Climatologie

2019

Évaluation et comparaison de séries de précipitations historiques dans des sous-bassins versants de la Meuse et de la Moselle, 1871-2004

Evaluation and comparison of historical precipitation series in Meuse and Moselle sub-basins, 1871-2004

Claire Delus, Benjamin Grelier, Didier François, Gilles Drogue, Jean-Philippe Vidal, Laurie Caillouet, Alexandre Devers, Eric Sauquet et Claire Lauvernet

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Résumé

La compréhension de l’évolution actuelle du climat et des risques naturels qui lui sont associés passe par une meilleure connaissance de la variabilité climatique passée. Des méthodes de reconstruction existent mais leurs validités sont difficiles à établir notamment en l’absence de valeurs de référence sur les périodes anciennes. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche sur les extrêmes hydrologiques de la Moselle (RECRET) pour lequel des reconstitutions de longues séries climatiques (précipitations et températures) ont été réalisées. Pour permettre une évaluation relative de ces séries, nous proposons de comparer les séries de précipitations mensuelles à des reconstructions climatiques issues de différents travaux. La comparaison repose sur cinq méthodes : RECRET (Delus et al., 2018), une méthode fondée sur le Gradient Régional de Pression (Grelier et al., 2017), SCOPE Climate (Caillouet et al., 2019), FYRE Daily (Devers et al., 2019) et SAFRAN (Vidal et al., 2010). L'étude se concentre sur la cohérence entre les estimations de précipitations issues de ces différentes méthodes. Les séries RECRET et FYRE Daily présentent des résultats convergents et proches de SAFRAN.

Abstract

Historical climate knowledge has become a big issue to better understand climate change and natural hazards. Climate reconstruction methods can be used however their performance are difficult to establish. This paper is part of an ongoing research project on floods and droughts in the Moselle basin (RECRET) for which reconstitution of long precipitation and temperature series were performed. A comparison with other climate reconstructions is carried out to allow a relative assessment of these series. The comparison is based on five methods : RECRET (Delus et al., 2018), a method based on the regional pressure gradient (Grelier et al., 2017), SCOPE Climate (Caillouet et al., 2019), FYRE Daily (Devers et al., 2019) and SAFRAN (Vidal et al., 2010). The paper focus on the consistency between precipitation series from the different methods. RECRET and FYRE Daily are quite similar and closed to SAFRAN.

Entrées d'index

Mots-clés : climat passé, précipitations, reconstruction climatique, sous-bassins de la Meuse et de la Moselle

Keywords: past climate, precipitations, climate reconstruction, Meuse and Moselle sub-basins

Texte intégral

Introduction

L’étude de la variabilité des climats passés constitue un enjeu majeur, qu’il s’agisse de positionner le changement climatique dans le long terme ou encore d’améliorer la connaissance des épisodes extrêmes dans le cadre de la prévention des risques naturels. La connaissance du climat passé peut s’appuyer sur des observations météorologiques, mais ces dernières sont généralement limitées avant le milieu du 19ème siècle et rarement homogènes (Wijngaard, 2003 ; Jones, 1984 ; Burt et al., 1998 ; Burt, 2009 ; Burt et al., 2015 ; Wilby et al., 2016). Ainsi, si les premières mesures sont disponibles dès le 18ème siècle en France, celles-ci remontent rarement au-delà du 19ème et ce n’est réellement qu’à la fin de ce siècle que le réseau d’observations se développe (Delus et al., 2018). La faible densité du réseau de mesure rend donc difficile une estimation des précipitations à une échelle régionale ou locale. Les changements dans les méthodes d’instrumentation ainsi que le fréquent déplacement des postes météorologiques compliquent par ailleurs l’établissement de longues séries continues et de bonne qualité (De Jongh et al., 2006 ; Jones et al., 2006) et les travaux qui portent sur la constitution de séries pluviométriques homogénéisées démarrent en général après le milieu du 19ème siècle (Jones, 1984 ; Burt et al., 1998 ; Burt, 2009 ; Burt et al., 2015 ; Noone et al., 2016 ; Wilby et al., 2016 ; Delus et al., 2018). La figure 1 présente à titre d’exemple l’évolution temporelle du nombre de séries mensuelles homogénéisées par Météo France et mises à disposition sur la Publithèque1 pour la France métropolitaine entre 1872 et 1962. Le nombre de séries est assez faible avant 1950 (moins de 500) et décroit considérablement avant 1900 (155 en 1889 et 12 en 1881).

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Figure 1. Evolution temporelle du nombre de séries de précipitations mensuelles homogénéisées par Météo France, d’après les données de la Publithèque (1872-1962)
Temporal evolution of the number of monthly precipitation series homogenised by Meteo France and available on the Publithèque (1872-1962)

Pour pallier ce manque de données historiques et permettre une analyse des climats passés à haute résolution spatiale (< 10 km) et temporelle (mensuelle ou journalière), des reconstructions climatiques sont réalisées. Ces méthodes de reconstructions reposent sur des observations météorologiques, pour la période récente, ou sur des données proxy si l’on souhaite remonter au-delà de la période instrumentale. Parmi ces méthodes, la dendrochronologie constitue une source très importante qui permet des reconstructions de précipitations séculaires, voire millénales (Büntgen et al., 2015). Des reconstructions de précipitations saisonnières ou annuelles à partir de la dendrochronologie ont par exemple été réalisées par Griggs et al. (2014) pour Chypre, par Touchan et al. (1999) pour le sud de la Jordanie, par Touchan et al. (2005) en région méditerranéenne, par Wilson et al. (2005) en Bavière ou encore en Angleterre par Wilson et al. (2013). Les reconstructions climatiques peuvent également s’appuyer sur des sources documentaires ou sur une combinaison de données instrumentales et proxy. Ainsi, Pauling et al. (2006) proposent des reconstructions de précipitations saisonnières en Europe depuis 1500 à partir de dendrochronologie, de carottes de glace, de coraux et de spéléothèmes. Rodrigo et al. (1999) reconstruisent des précipitations annuelles sur 500 ans dans le sud de l’Espagne à partir de sources documentaires. Zhang et al. (2013) établissent des séries de précipitations saisonnières de 1860 à 1897 à Pékin à partir de journaux intimes. Casty et al. (2005) reconstruisent des séries de précipitations et températures mensuelles spatialisées depuis 1500 pour la région alpine européenne à partir de régressions multiples entre observations et sources documentaires. Diodato (2007) propose pour le sud de l’Italie des reconstructions des anomalies dans les précipitations depuis le 17ème siècle à partir d’archives documentaires et d’observations aux postes. Dobrovolný et al. (2015) établissent également, pour la République Tchèque, des reconstructions de précipitations saisonnières et annuelles sur cinq siècles à partir de sources documentaires et de séries de précipitations observées.

D’une manière générale, la qualité et l’échelle spatio-temporelle des reconstructions climatiques vont dépendre des données utilisées. Ainsi, les reconstructions réalisées à partir de sources documentaires ou de dendrochronologie sont en général très ponctuelles et imprécises. Le cadre de cette recherche, dont l’objectif est d’étudier les précipitations à hautes résolutions spatiales et temporelles, fixe les reconstructions climatiques à la période instrumentale. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche sur les extrêmes hydrologiques de la Moselle (RECRET) pour lequel des grilles de précipitations et températures spatialisées ont été réalisées à l’échelle mensuelle depuis 1860 (Delus et al., 2018). Ces séries climatiques historiques seront utilisées en donnée d’entrée d’un modèle pluie-débit afin de réaliser des simulations de débits historiques.

Dans cet article, nous proposons de comparer des séries de précipitations mensuelles de bassins versants issues de différentes méthodes de reconstruction climatique. L’objectif est de vérifier la cohérence des fluctuations et d’apporter une évaluation relative de la qualité des séries climatiques historiques.

1. Matériel et méthodes

Dans le cadre d’une recherche sur les crues et étiages historiques de la Moselle (projet RECRET), des reconstitutions de longues séries climatiques mensuelles ont été réalisées sur la période 1860-2004 (Delus et al., 2018). Nous proposons une évaluation relative de cette climatologie, que nous appellerons RECRET, en la comparant à des reconstructions climatiques.

1.1. Présentation de la zone d’étude

La comparaison des séries climatiques porte sur quatre sous-bassins de la Meuse et de la Moselle (figure 2) : la Meurthe à Malzéville, la Moselle à Epinal et Hauconcourt ainsi que la Meuse à Saint-Mihiel. Les principales caractéristiques de ces bassins sont présentées dans le tableau 1. La Moselle, qui constitue le cadre de l’étude RECRET, est analysée aux stations d’Epinal et d’Hauconcourt, dont les bassins versants s’étendent respectivement sur 1 217 et 9 387 km². Ce choix se justifie par la présence du massif des Vosges sur lequel on observe un fort gradient pluviométrique2, comme en témoignent les précipitations moyennes annuelles de la Moselle à Epinal qui dépassent 1 600 mm par an sur la période 1971-2003. Il apparaît donc intéressant d’évaluer plus particulièrement les estimations de la pluviométrie sur ce secteur amont. La Meurthe, affluent de rive droite de la Moselle, sera étudiée à Malzéville où le bassin versant est de 2 960 km². Le choix de ce sous-bassin est lié à la disponibilité de données hydrométriques historiques à la station de Malzéville qui pourront être utilisées ultérieurement pour valider les reconstitutions hydro-climatologiques. Enfin, la Meuse à Saint-Mihiel a été retenue car la méthode qui repose sur le Gradient Régional de Pression a été initialement développée sur ce bassin versant (Grelier et al. 2017).

Tableau 1. Principales caractéristiques des quatre bassins versants étudiés
Main characteristics of the four studied basins

Bassin versant

Surface du bassin versant (km²)

Altitude moyenne (m)

Altitude minimale (m)

Altitude maximale (m)

Précipitations annuelles (mm)
(1971-2003)

Lame d'eau annuelle écoulée (mm)
(1971-2003)

Déficit d’écou-lement
(mm) (1971-2003)

Moselle à Épinal

1 217

651

326

1 342

1 628

994

634

Bassin versant de la Moselle

Moselle à Hauconcourt

9 387

357

156

1 342

981

450

531

 

Meurthe à Malzéville

2 960

375

192

1 299

1 009

429

580

Bassin versant de la Meuse

Meuse à Saint-Mihiel

2 540

349

221

507

950

380

570

1.2. Séries climatiques comparées

Les séries climatiques comparées sont des précipitations moyennes mensuelles de bassins versants. La comparaison porte sur cinq méthodes de reconstitutions ou de reconstructions climatiques (tableau 2) dont l’étendue et la résolution spatiales sont suffisantes pour permettre un calcul à l’échelle des bassins versants étudiés. La qualité de ces séries n’est pas constante dans le temps dans la mesure où les observations sur lesquelles elles se fondent sont peu nombreuses au début du 20ème siècle.

Tableau 2. Méthodes de reconstructions climatiques utilisées dans le cadre de l’exercice de comparaison et d’évaluation des précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants étudiés
Climatic reconstruction methods used for the comparison and assessment of mean monthly precipitation of the four studied basins

Méthode

Donnée d’entrée

Résolution temporelle

Résolution spatiale de la grille

Source

RECRET

Observations in situ

Reconstitutions mensuelles

1 km

Delus et al.
(2018)

GRP

Gradient Régional de Pression
(réanalyses + proxy)

Reconstructions mensuelles

Bassin versant

Grelier et al. (2017)

SCOPE
Climate

Réanalyse atmosphérique + SAFRAN

Reconstructions
ensemblistes journalières

8 km

Caillouet et al. (2019)

FYRE
Daily

SCOPE Climate + Observations in situ

Reconstructions
ensemblistes journalières

8 km

Devers et al.
(2019)

SAFRAN

Réanalyse atmosphérique + Observations in situ

Variables
météorologiques horaires

8 km

Vidal et al.
(2010)

1.2.1. La série RECRET

Cette série repose sur des données observées aux postes qui ont été spatialisées sur une grille de 1 km de résolution et dont l’étendue spatiale est présentée sur la figure 2. La base de données des observations climatologiques est le fruit d’un travail de collecte dans les archives et les bases de données existantes. Elle comporte des observations de précipitations mensuelles qui sont utilisées pour réaliser des grilles de précipitations spatialisées. Les sources des archives climatiques collectées ainsi que les caractéristiques de la base de données sont présentées dans Delus et al. (2018), de même que la méthode de spatialisation. Celle-ci repose sur une interpolation et un gradient altitudinal recalculé pour chaque mois en fonction du réseau disponible. Ces grilles permettent un calcul des précipitations moyennes mensuelles par bassin versant de janvier 1860 à décembre 2004. Avant cette date, la densité du réseau est insuffisante pour une spatialisation de qualité.

Agrandir Image 10000000000001C3000002B0B6545C52.png

Figure 2. Localisation des quatre bassins versants de l’étude (La Moselle à Epinal et Hauconcourt, La Meurthe à Malzéville et la Meuse à Saint-Mihiel) et points de grille RECRET (1 km) et SAFRAN (8 km). Les points de grille SCOPE Climate et FYRE Daily sont identiques à SAFRAN
Location of the four studied basins (Moselle at Epinal and Hauconcourt, Meurthe at Malzéville and Meuse at Saint-Mihiel) and grid points for RECRET (1 km) and SAFRAN (8 km). For SCOPE Climate and FYRE Daily the grid points are identical to SAFRAN.

1.2.2. La méthode du Gradient Régional de Pression (GRP)

La série que nous appellerons ici GRP repose sur une reconstruction des précipitations mensuelles de bassin sur la période 1659-2017, sur la base de la circulation atmosphérique de large échelle (Grelier et al., 2017). La méthode, inspirée des travaux de Kastendeuch (2007), repose sur l’établissement d’une relation statistique (régression linéaire multiple) à l’échelle mensuelle entre les champs de pression atmosphérique et d’altitude (prédicteurs) et les précipitations moyennes de bassin versant (prédictants). Les liens statistiques définis à partir de données d’observation de la période 1970-2011 (réanalyses NCEP/NCAR ; Kalnay et al., 1996) sont ensuite « rétropolés » sur la période passée, en utilisant comme prédicteurs de la circulation atmosphérique passée une reconstruction des champs de pression (Luterbacher et al., 2002 : régression statistique à partir de données proxy, et données NCAR Sea Level Pressures de Trenberth et Paolino, 1980). Appliquée initialement au bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel, la méthode a été déployée dans le cadre de ce travail d’inter-comparaison sur les bassins versants de la Moselle à Hauconcourt et Epinal, et de la Meurthe à Malzéville.

1.2.3. La reconstruction SCOPE Climate

SCOPE Climate propose à l’échelle de la France des reconstructions de précipitations journalières sur une grille de 8 km depuis 1871, à partir d’informations sur la circulation atmosphérique (Caillouet et al., 2019). C’est le résultat d’une méthode de descente d’échelle statistique appliquant le principe d’analogie et permettant de passer d’une description de la circulation atmosphérique synoptique fournie par la réanalyse globale 20CR (Compo et al., 2011), à celle du climat à une échelle locale. En outre, il s'agit d'une reconstruction ensembliste dont la dispersion reflète l'incertitude sur les champs de précipitations conditionnellement à une situation synoptique donnée. Pour ce travail de comparaison, les précipitations moyennes ont été calculées par bassin versant en prenant la moyenne des reconstructions.

1.2.4. La reconstruction FYRE Daily

FYRE Daily s’inscrit dans la continuité de SCOPE Climate et fournit à l’échelle de la France métropolitaine des précipitations sur une grille de 8 km depuis 1871. Cette méthode assimile des observations journalières historiques au sol aux reconstructions SCOPE Climate par une méthode d’assimilation de données basée sur l'étape d'analyse d'un filtre de Kalman d'ensemble (Devers et al., 2019). La méthode FYRE fournissant un ensemble de même taille que SCOPE Climate, les séries de précipitations moyennes mensuelles ont été calculées sur la même base.

1.2.5. La réanalyse SAFRAN

La réanalyse de surface SAFRAN est disponible sur une grille de 8 km (figure 2) sur la France métropolitaine depuis fin 1958 (Vidal et al., 2010). Elle s’appuie sur toutes les observations disponibles dans la base de données Météo France à partir de cette date, qui sont interpolées en utilisant une réanalyse. Les moyennes spatiales sont estimées en fonction d’une pondération des valeurs par leur contribution au bassin versant. Cette pluviométrie pourrait constituer la série de référence pour la période récente, néanmoins, des biais ont été identifiés sur les bassins de la Meurthe (biais humide, surestimation de SAFRAN) et de la Moselle amont (biais sec, sous-estimation de SAFRAN) (Drogue et al., 2012). La pluviométrie SAFRAN est retenue comme série de référence de la période 1959-2004 pour le bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel. Pour les autres bassins versants, il faut tenir compte des différents biais connus.

1.3. Intercomparaison et choix de la période d’étude

La figure 3 permet de visualiser la disponibilité temporelle des données issues de chaque méthode. La comparaison portera sur la période 1871-2004 qui constitue la période commune aux différentes reconstructions, à l’exception de SAFRAN qui ne concerne que la période récente (1959-2004).

Agrandir Image 1000000000000317000000DA9F9D2AB1.png

Figure 3. Etendue temporelle des cinq méthodes de reconstruction climatique
Temporal extent of the five climate reconstruction methods.

2. Résultats

2.1. Comparaison des régimes pluviométriques

La figure 4 et le tableau 3 présentent les précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants pour les différentes séries comparées sur la période 1959-2004. Les cinq séries présentent des régimes de précipitations relativement comparables en termes de fluctuation saisonnière.

Agrandir Image 10000201000006020000010777BA70FD.png

Figure 4. Précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants pour les cinq méthodes comparées (1959-2004)
Mean monthly precipitations of the four basins for the five compared methods (1959-2004)

De gauche à droite : Moselle à Epinal, Moselle à Hauconcourt, Meurthe à Malzéville, Meuse à Saint-Mihiel
From left to right : Moselle at Epinal, Moselle at Hauconcourt, Meurthe at Malzéville, Meuse at Saint-Mihiel

Dans le détail, les séries RECRET et FYRE Daily sont quasiment identiques (écarts absolus entre les précipitations moyennes mensuelles inférieurs à 2 mm) à l’exception du bassin versant de la Moselle à Epinal pour lequel des écarts plus importants sont observés (jusqu’à 10 mm pour le mois de décembre).

Tableau 3. Précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants pour les cinq méthodes comparées (1959-2004), en mm/mois et mm/an
Mean monthly precipitation of the four basins for the five compared methods (1959-2004) in mm/month and mm/year

La Moselle à Epinal

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

158

128

126

107

119

112

105

110

108

132

157

169

1 532

GRP

148

119

122

102

120

112

107

105

105

141

162

179

1 521

SCOPE Climate

152

126

135

112

118

116

108

105

106

135

156

165

1 535

FYRE Daily

166

133

134

114

123

115

107

111

114

137

166

179

1 599

SAFRAN

148

122

122

106

120

115

104

110

108

128

153

164

1 501

 

La Moselle à Hauconcourt

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

88

74

76

69

84

82

74

78

76

83

93

98

974

GRP

91

77

79

69

86

80

81

82

78

97

106

117

1 042

SCOPE Climate

96

78

85

73

82

84

79

77

75

91

98

103

1 022

FYRE Daily

89

74

77

69

83

80

73

77

76

84

94

100

977

SAFRAN

93

77

78

70

84

81

75

79

77

86

97

103

1 001

 

La Meurthe à Malzéville

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

86

74

76

72

89

88

77

80

78

84

94

97

995

GRP

98

83

84

74

95

87

84

86

83

104

116

125

1 121

SCOPE Climate

103

85

92

79

88

90

84

82

80

98

106

111

1 099

FYRE Daily

87

74

76

72

89

86

75

78

77

84

94

97

990

SAFRAN

104

87

87

78

95

91

81

87

85

95

109

115

1 112

 

La Meuse à Saint-Mihiel

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

91

75

74

65

76

73

68

73

75

82

91

100

943

GRP

84

73

75

62

77

71

74

74

72

92

94

110

959

SCOPE Climate

92

75

79

68

76

76

70

69

69

86

92

98

949

FYRE Daily

91

75

74

65

76

72

67

71

74

82

90

100

936

SAFRAN

88

72

73

65

77

74

69

74

75

82

89

98

935

Sur le bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel, les séries RECRET et FYRE Daily reconstituent très bien la pluviométrie SAFRAN (écarts absolus inférieurs à 3 mm par mois). Sur les bassins versants de la Meurthe à Malzéville et de la Moselle à Epinal, SAFRAN aboutit à des valeurs de précipitations moyennes respectivement plus élevées et plus faibles que les données RECRET et FYRE Daily. GRP et SCOPE Climate présentent des précipitations en général supérieures à celles obtenues par RECRET et FYRE Daily, à l’exception de la Moselle à Epinal pour laquelle FYRE Daily présente des valeurs plus élevées.

Les précipitations moyennes mensuelles de bassin versant, recalculées sur la période 1871-2004, sont présentées dans le tableau 4 et la figure 5. Les régimes de précipitations reproduits par RECRET et FYRE Daily sont également similaires sur cette période. Les écarts les plus importants concernent le bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel, où ils atteignent régulièrement 5 mm par mois, ce qui se traduit par une différence de 40 mm dans la pluviométrie moyenne annuelle. Les courbes des régimes issues des séries GRP et SCOPE Climate présentent des fluctuations plus singulières et sont généralement supérieures à celles de RECRET et de FYRE Daily. Les écarts mensuels peuvent atteindre plus de 30 mm entre les séries (un écart de 36 mm entre les précipitations moyennes mensuelles RECRET et GRP est observé pour la Meurthe à Malzéville au mois de décembre).

Tableau 4. Précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants pour les quatre méthodes comparées (1871-2004) en mm/mois et mm/an
Mean monthly precipitation of the four basins for the four compared methods (1871-2004) in mm/month and mm/year

La Moselle à Epinal

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

138

119

118

105

110

119

116

113

113

132

146

153

1 483

GRP

138

119

120

99

120

117

125

115

102

148

156

176

1 533

SCOPE Climate

141

127

133

120

118

118

117

115

111

139

150

159

1 549

FYRE Daily

139

120

118

106

110

118

114

111

112

133

147

152

1 479

 

La Moselle à Hauconcourt

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

77

69

69

67

75

84

81

79

77

83

87

88

936

GRP

85

77

78

66

86

84

94

93

75

100

102

115

1 055

SCOPE Climate

89

80

84

78

83

86

87

84

78

93

95

100

1 036

FYRE Daily

78

69

69

67

74

82

78

76

75

83

86

87

924

 

La Meurthe à Malzéville

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

77

70

70

70

79

90

86

82

80

84

88

87

963

GRP

92

83

83

72

95

91

99

98

81

108

112

123

1 135

SCOPE Climate

95

86

91

84

89

92

92

89

84

99

103

107

1 112

FYRE Daily

79

72

72

72

79

89

84

81

79

85

89

89

968

 

La Meuse à Saint-Mihiel

J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Année

RECRET

77

66

65

61

69

77

73

72

72

82

85

88

887

GRP

77

73

74

61

77

74

87

81

70

95

89

108

968

SCOPE Climate

85

75

78

73

77

79

78

76

72

86

89

95

964

FYRE Daily

75

65

63

60

66

72

68

68

67

78

81

84

847

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Figure 5. Précipitations moyennes mensuelles des quatre bassins versants pour les quatre méthodes comparées (1871-2004)
Mean monthly precipitations of the four basins for the four compared methods (1871-2004)

De gauche à droite : Moselle à Epinal, Moselle à Hauconcourt, Meurthe à Malzéville, Meuse à Saint-Mihiel
From left to right: Moselle at Epinal, Moselle at Hauconcourt, Meurthe at Malzéville, Meuse at Saint-Mihiel

2.2. Comparaison des séries de précipitations annuelles et mensuelles

Les séries de précipitations annuelles issues de chacune des méthodes sont présentées en figure 6. Les années historiquement humides, telles que 1910, ou remarquablement sèches, telles que 1874, 1949 et surtout 1921, ressortent bien sur l’ensemble des chroniques. Sur la période récente (1959-2004), les séries RECRET et FYRE Daily sont très similaires à SAFRAN sur les bassins versants de la Moselle à Hauconcourt et de la Meuse à Saint-Mihiel. Pour la Moselle à Epinal et la Meurthe à Malzéville, les précipitations RECRET et FYRE Daily sont respectivement supérieures et inférieures à celles de SAFRAN, ce qui est cohérent avec les biais de la pluviométrie SAFRAN indiqués précédemment (cf. 1.2.5). Sur l’ensemble de la période 1871-2004, les séries GRP et SCOPE Climate produisent en général une pluviométrie supérieure à RECRET et FYRE Daily.

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Figure 6. Comparaison des séries de précipitations totales annuelles issues des cinq méthodes pour les quatre bassins de l’étude sur la période 1871-2004
Comparison of total annual precipitation series from the five reconstruction methods for the four studied basins over the 1871-2004 period.

Les séries obtenues s’organisent en effet en deux groupes, quel que soit le bassin versant considéré : d’une part les précipitations produites par les méthodes GRP et SCOPE Climate, qui présentent des fluctuations relativement similaires et dont les valeurs sont généralement supérieures à celles des autres séries ; d’autre part, les précipitations issues de RECRET et de FYRE Daily, qui présentent des valeurs proches et des fluctuations analogues. Les courbes de fréquences cumulées (figure 7) confirment une organisation en deux groupes, ce qui est particulièrement nette sur la Moselle à Hauconcourt et sur la Meurthe à Malzéville. Les courbes fréquentielles mettent également en évidence un écart plus important entre les précipitations annuelles RECRET et FYRE Daily sur le bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel.

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Figure 7. Courbes des fréquences cumulées des précipitations totales annuelles issues des quatre méthodes pour les quatre bassins de l’étude sur la période 1871-2004
Cumulative curves of total annual precipitation from the four reconstruction methods for the four studied basins over the 1871-2004 period

La cohérence des précipitations au pas de temps mensuel est appréhendée par des corrélations entre les différentes séries comparées. La matrice des corrélations (figure 8) confirme la proximité entre les précipitations RECRET et FYRE Daily (coefficients de corrélation supérieurs à 0,97 pour l’ensemble des bassins versants sur la période 1871-2004). Sur la période 1959-2004, les coefficients sont supérieurs à 0,99 entre RECRET et SAFRAN et entre FYRE Daily et SAFRAN. Les coefficients de corrélations calculés entre GRP et SAFRAN ou SCOPE Climate et SAFRAN présentent par contre des valeurs plus faibles.

En l’absence de série de référence sur la période 1871-2004, ce travail de comparaison ne peut aboutir à une validation effective des séries de précipitations. On retient néanmoins la bonne cohérence entre les précipitations obtenues par les méthodes RECRET et FYRE Daily, ainsi qu’une très bonne corrélation de ces deux séries avec les données SAFRAN sur la période 1959-2004. Ces résultats permettent une validation relative des séries RECRET et FYRE Daily qui sont comparées plus en détail dans la partie suivante.

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Figure 8. Matrice des corrélations entre les précipitations mensuelles des différentes méthodes comparées (1871-2004 à gauche et 1959-2004 à droite)
Correlation matrix between monthly precipitation from the different reconstruction (1871-2004 to the left and 1959-2004 to the right)

a) la Moselle à Epinal, b) la Moselle à Hauconcourt, c) la Meurthe à Malzéville, d) la Meuse à Saint-Mihiel
a) Moselle at Epinal, b) Moselle at Hauconcourt, c) Meurthe at Malzéville, d) Meuse at Saint-Mihiel

2.3. Comparaison des séries RECRET et FYRE Daily

La figure 9 confirme visuellement la proximité et l’absence de biais notable entre les précipitations annuelles RECRET et FYRE Daily. Les corrélations RECRET vs. SAFRAN (figure 9b) ainsi que FYRE Daily vs. SAFRAN (figure 9c) sont très fortes sur la Moselle à Hauconcourt et la Meuse à Saint-Mihiel. Sur le bassin de la Meurthe à Malzéville, les séries RECRET et FYRE Daily présentent une sous-estimation des précipitations annuelles vis-à-vis des données SAFRAN alors que sur le bassin de la Moselle à Epinal, la tendance est à la surestimation.

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Figure 9. Corrélations linéaires entre les précipitations totales annuelles
Linear correlations between total annual precipitation

a) RECRET vs. FYRE Daily (1871-2004), b) RECRET vs. SAFRAN (1959-2004), c) FYRE Daily vs SAFRAN (1959-2004)
a) RECRET vs. FYRE Daily (1871-2004), b) RECRET vs. SAFRAN (1959-2004), c) FYRE Daily vs SAFRAN (1959-2004)

Ces résultats sont cohérents avec les biais de la pluviométrie SAFRAN annoncés en partie 1.2.5. En effet, les valeurs de précipitations moyennes annuelles calculées à partir de SAFRAN pour la période 1971-2003 (période pour laquelle on dispose de séries de débits) donnent une moyenne de 1118 mm de précipitations par an sur le bassin versant de la Meurthe à Malzéville. Avec une lame d’eau écoulée de 430 mm, le déficit d’écoulement sur ce bassin serait de 680 mm, ce qui parait élevé par rapport aux autres études menées au niveau régional (Drogue et al., 2012), qui indiquent plutôt des valeurs de précipitations de l’ordre de 1000 mm sur ce bassin versant. Pour la Moselle à Epinal, la pluviométrie SAFRAN donne 1502 mm de précipitations moyennes annuelles, soit un déficit d’écoulement de 500 mm.

La figure 10 présente en mois particuliers les écarts absolus entre les séries RECRET et FYRE Daily, de janvier 1871 à décembre 2004.

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Figure 10. Écarts mensuels absolus (en mm) entre RECRET et FYRE Daily calculés sur la période 1871-2004 (le rail jaune correspond à un écart absolu inférieur à 10 mm)
Absolute monthly difference (in mm) between RECRET and FYRE Daily over the period 1870-2004 (the yellow line shows a difference lower than 10 mm)

Pour trois bassins versants (Moselle à Hauconcourt, Meurthe à Malzéville et Meuse à Saint-Mihiel), 90 % des mois ont un écart inférieur à 10 mm (le seuil de 10 mm correspond pour ces bassins à une erreur d’environ 10 %, ce qui peut entrer dans la gamme d’erreur de la métrologie3). Sur le bassin versant de la Moselle à Epinal, les écarts absolus sont plus importants, ce qui s’explique en partie par des précipitations plus abondantes sur ce secteur (environ 1 600 mm de précipitations annuelles contre moins de 1 000 mm pour les autres). Les mois de décembre 1882, 1919 et 1944 présentent néanmoins des écarts absolus considérables, respectivement de 146, 134 et 99 mm.

Les écarts entre les deux séries sont par ailleurs sensiblement plus importants entre les années 1914 et 1945, soit entre les deux guerres mondiales. L’écart le plus fort concerne le bassin versant de la Meuse à Saint-Mihiel (l’écart entre les précipitations moyennes annuelles RECRET et FYRE Daily est inférieur à 10 mm sur la période 1959-2004, respectivement 943 et 936 mm, mais supérieur à 100 mm sur la période 1914-1945, respectivement 896 et 792 mm). Des coefficients de corrélation entre les séries RECRET et FYRE Daily ont été calculés sur des périodes glissantes de 30 ans, afin d’appréhender la stabilité de la relation entre ces deux séries sur l’ensemble de la période étudiée. La figure 11 montre des coefficients de corrélation qui augmentent en début de période avant de diminuer dès que les périodes de calcul intègrent les années comprises entre 1914 et 1945.

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Figure 11. Coefficients de corrélation glissants (périodes de 30 ans) entre les précipitations mensuelles de bassin versant issues des méthodes RECRET et FYRE Daily (1871-2004)
Sliding correlation coefficients (30‑year periods) between monthly basin precipitations from RECRET and FYRE Daily (1871-2004)

La figure 12 présente la variation temporelle du réseau de mesure utilisé dans le calcul des précipitations moyennes de bassin versant. On observe une diminution très nette du réseau météorologique à partir de 1914, puis une remontée progressive après 1948. Savouret et al. (2011) montrent en effet que le réseau de pluviomètres a baissé de plus de 80 % entre 1913 et 1914 sur les bassins versants de la Meuse et de la Moselle. Or, la précision des estimations pluviométriques dépend notamment de la densité du réseau de mesure (Lobligeois, 2014). Les écarts plus importants entre RECRET et FYRE Daily sur cette période sont liés à la diminution du réseau pluviométrique qui augmente le risque d’erreurs dans l’estimation des précipitations moyennes de bassin versant.

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Figure 12. Evolution temporelle du nombre de postes pluviométriques participant au calcul des précipitations moyennes de bassin versant pour les méthodes RECRET et FYRE Daily sur la période 1871-2004
Temporal evolution of the number of rainfall stations involved in calculating the average basins precipitation for RECRET and FYRE Daily methods over the period 1871-2004

3. Discussion

Les méthodes GRP et SCOPE Climate reposent sur des réanalyses atmosphériques différentes (cf. 1.2), mais qui utilisent des variables communes, notamment la pression au niveau de la mer (SLP), ce qui peut expliquer une certaine similitude entre ces deux séries. Les précipitations estimées à partir de ces deux méthodes sont généralement les plus élevées. Les méthodes RECRET et FYRE Daily aboutissent à des résultats très analogues à la pluviométrie SAFRAN sur la période 1959-2004 pour les bassins de la Moselle à Hauconcourt et de la Meuse à Saint-Mihiel. Les biais signalés de la pluviométrie SAFRAN dans certaines parties de la zone étudiée ne permettent pas de l’utiliser comme série de référence sur les deux autres bassins versants.

On peut néanmoins souligner la cohérence globale des résultats, puisque le postulat d’un biais humide sur le bassin versant de la Meurthe se retrouve à la fois dans la comparaison entre SAFRAN et RECRET (figure 9b) et dans la comparaison entre SAFRAN et FYRE Daily (figure 9c) et inversement pour le biais sec sur la Moselle amont. Dans l’ensemble, les séries RECRET, FYRE Daily et SAFRAN sont très proches et convergentes, ce qui s’explique notamment par le fait que ces trois méthodes reposent intégralement (pour RECRET) ou en partie (FYRE Daily et SAFRAN) sur des données mesurées aux postes.

Cette cohérence d’ensemble est néanmoins fragile et variable au cours du temps, comme en témoigne la corrélation entre les séries RECRET et FYRE Daily qui n’est pas stable sur la période 1871-2004 (figure 11). La proximité entre les séries augmente en début de période, corrélativement à la densification du réseau de mesure à la fin du 19ème siècle. La diminution du nombre de postes pluviométriques, à partir de 1914, se traduit par un écart plus important entre les précipitations RECRET et FYRE Daily jusqu’au milieu du 20ème siècle. A partir de 1950, les séries deviennent très proches car la densification du réseau d’observations réduit les erreurs dans les estimations pluviométriques. L’amélioration de la qualité des estimations dans le temps, en lien avec l’augmentation de la densité des observations, a été démontrée par Vidal et al. (2010) pour la pluviométrie SAFRAN. Ces auteurs ont également testé l’impact de la densité du réseau de mesure sur l’estimation de la pluviométrie SAFRAN. Ils montrent que l’estimation de la pluie est d’autant plus sensible à la densité du réseau dans les zones où SAFRAN présente initialement des biais. Les écarts les plus importants entre RECRET et FYRE Daily concernent ici le bassin versant de la Moselle à Epinal, pour lequel les précipitations moyennes sont en effet particulièrement difficiles à estimer en raison d’un gradient d’origine orographique très important.

L’absence d’une série de référence ne permet pas d’assigner plus de fiabilité à RECRET ou à FYRE Daily. Néanmoins, on peut faire l’hypothèse que les données FYRE Daily, qui combinent observations et SCOPE Climate, pourraient fournir de meilleures reconstructions que RECRET durant les périodes caractérisées par une faible densité du réseau de mesures, puisqu’elles ne sont pas uniquement tributaires des observations. Bien que la similitude entre les séries RECRET et FYRE Daily ne soit pas stable au cours de la période d’étude, les précipitations moyennes de bassin versant produites par ces deux méthodes restent dans l’ensemble relativement proches. L’évaluation relative des séries de précipitations proposée dans le cadre de ce travail de comparaison permet donc de mettre en évidence la cohérence des séries RECRET et FYRE Daily, aboutissant à une validation relative de ces séries.

Ces longues séries pluviométriques mensuelles peuvent notamment être utilisées pour reconstituer les sécheresses météorologiques. Celles-ci se caractérisent par un déficit pluviométrique et peuvent être appréhendées à partir d’indices simples, qui reposent sur des valeurs mensuelles, tels que l’indice de sécheresse normalisé SPI (Standardized Precipitation Index). Delus et al. (2018) ont ainsi reconstitué les épisodes secs qui ont touché le bassin versant de la Moselle entre 1860 et 2004 à partir de la pluviométrie RECRET. Si les valeurs de précipitations estimées ne peuvent être validées, la réalité de ces épisodes exceptionnellement secs peut être vérifiée par des recherches historiques dans la mesure où ces événements, qui ont des impacts sur les sociétés, sont généralement bien documentés. Ces séries de précipitations mensuelles peuvent également être utilisées en données d’entrée d’un modèle pluie-débit pour reconstituer des séries de débits historiques. Le calage s’effectue sur la période pour laquelle on dispose de mesures hydrométriques et la validation des débits reconstitués est réalisée à partir d’archives hydrométriques. François et al. (2019) ont réalisé un travail de reconstitution des étiages de la Moselle depuis 1871 à partir de la série RECRET.

La démarche de comparaison présentée ici peut conduire à l’utilisation de plusieurs séries climatiques en données d’entrée des modèles hydrologiques, afin d’intégrer une partie de l’incertitude liée aux estimations pluviométriques. De nombreux travaux ont porté sur l’impact des erreurs d’estimation des précipitations de bassins versants dans l’incertitude des simulations de débit. Andréassian et al. (2001) montrent par exemple que les performances de certains modèles peuvent rester bonnes même avec des estimations de pluie moyenne imparfaites. Les modèles pluie-débit ont la faculté de compenser une donnée d’entrée erronée lorsqu’ils intègrent un processus de calage (Lobligeois, 2014), mais ils seront performants pour de mauvaises raisons. Un modèle à base physique ne compensera par contre pas les erreurs d’estimation. De plus, la compensation par le calage reste limitée et dépend de la densité du réseau disponible et de son organisation spatiale. Dans le cadre des reconstructions climatiques présentées ici, ces paramètres ne sont pas constants dans le temps. Les performances de la modélisation seront certainement réduites pendant les périodes pour lesquelles le réseau de mesure est très dégradé, soit entre 1914 et 1945, d’où l’intérêt d’un forçage du modèle à partir de plusieurs scénarios pluviométriques.

Une autre source d’incertitude concerne directement les erreurs de mesures ou de retranscription des données. On peut ainsi s’interroger sur l’origine des écarts de précipitations entre RECRET et FYRE Daily qui sont considérables sur le bassin de la Moselle à Epinal pour trois mois en particulier (figure 10) : décembre 1882 (371 mm pour RECRET et 225 mm pour FYRE Daily, soit un écart de 146 mm), décembre 1919 (468 mm pour RECRET et 334 mm pour FYRE Daily, soit un écart de 134 mm) et décembre 1944 (125 mm pour RECRET et 224 mm pour FYRE Daily, soit un écart de 99 mm). Il s’agirait d’évaluer si ces valeurs sont probantes, par exemple à partir d’un protocole de contrôle de la qualité des données tel que celui proposé par Vicente-Serrano et al. (2010). Ces auteurs réalisent une évaluation des valeurs extrêmes en les comparant aux valeurs voisines, afin de déterminer s’il s’agit de données aberrantes ou si, au contraire, elles sont bien associées à des épisodes de précipitations extrêmes. Ainsi, si l’on s’intéresse au mois de décembre 1882, on constate que d’après les Annales du Bureau Central Météorologique de France, la station du Ballon de Servance située à 1 216 m a enregistré 764 mm de précipitations, soit un cumul mensuel tout à fait exceptionnel dont on ne peut déterminer la fiabilité (sur la période 1882-1930, la moyenne du mois de décembre est de 210 mm pour cette station). Cet épisode s’est traduit par une crue très importante sur la Moselle à Epinal (Zumstein et al., 1985). Les trois mois pour lesquels les écarts entre RECRET et FYRE Daily sont les plus importants correspondent d’ailleurs toujours à des crues majeures de la Moselle (figure 13).

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Figure 13. Les crues de la Moselle à Epinal de 1854 à 2015 (d’après les données de Zumstein et al., 1985 et de la Banque hydro4) – Les trois crues identifiées en rouge correspondent aux mois pour lesquels les écarts de précipitations entre les séries RECRET et FYRE Daily sont les plus importants.
Floods of the Moselle at Epinal (from Zumstein et al. 1985 and Banque hydro) – The three floods identified in red are months for which differences between RECRET and FYRE Daily precipitations are the most important.

Les précipitations devaient donc revêtir un caractère exceptionnel. Une analyse et une reconstitution spécifique de la genèse de ces épisodes hydrologiques exceptionnels permettraient peut-être d’apporter des éléments d’évaluation supplémentaires sur la validité de ces cumuls pluviométriques. Une telle démarche ne peut être envisagée qu’avec des données de précipitations journalières à partir desquelles les hydrogrammes de crue de ces épisodes pourraient être reconstruits et comparés aux archives hydrométriques. La méthode FYRE Daily présente l’avantage, contrairement à la série RECRET, d’être déjà disponible à l’échelle journalière. Il sera donc intéressant d’estimer les données pluviométriques RECRET au pas de temps journalier pour poursuivre ce travail de comparaison à l’échelle des épisodes.

Conclusion

Ce travail d’inter-comparaison a permis une évaluation relative de la qualité des séries de précipitations reconstruites. Les méthodes comparées s’organisent en deux groupes : GRP et SCOPE Climate, aux séries relativement comparables et à la pluviométrie généralement supérieure aux autres séries ; RECRET et FYRE Daily aux fluctuations cohérentes et aux valeurs proches de SAFRAN pour la période récente. Les données GRP et SCOPE Climate sont exclusivement fondées sur des réanalyses atmosphériques (pseudo-observations) alors que les méthodes RECRET et FYRE Daily intègrent des observations aux postes. Les séries de précipitations issues de RECRET et FYRE Daily sont donc plus proches des observations et produisent une pluviométrie convergente et cohérente avec les valeurs régionales d’écoulement. Cependant, leur qualité varie au cours du temps, corrélativement à la densité du réseau disponible pour estimer la pluie moyenne de bassin versant. Ces séries climatiques seront utilisées pour alimenter un modèle pluie-débit afin de simuler des chroniques de débits historiques. Dans ce contexte, pouvoir disposer de plusieurs séries historiques présente un réel intérêt car plusieurs pluviométries pourront être utilisées en données d’entrée de la modélisation, ce qui permettra d’intégrer les incertitudes des reconstructions climatiques. La vérification de la validité des séries de débits simulés sur la période récente et à partir d’archives hydrométriques ponctuelles pour les périodes plus anciennes devra permettre d’évaluer les performances de cette chaîne de reconstitution hydro-climatique.

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Notes

1 https://publitheque.meteo.fr

2 On passe, sur une distance d’un peu moins de 50 km, de 1 080 mm à la station de Golbey (330 m d’altitude), à 1 764 mm à Gerardmer (675 m) et plus de 2 000 mm sur les sommets des Hautes-Vosges (1971-2000).

3 http://ccrom.meteo.fr/ccrom/IMG/pdf/note42-3.pdf

4 http://hydro.eaufrance.fr/

Pour citer ce document

Référence électronique : Claire Delus, Benjamin Grelier, Didier François, Gilles Drogue, Jean-Philippe Vidal, Laurie Caillouet, Alexandre Devers, Eric Sauquet et Claire Lauvernet « Évaluation et comparaison de séries de précipitations historiques dans des sous-bassins versants de la Meuse et de la Moselle, 1871-2004 », Climatologie [En ligne], mis à jour le : 14/04/2020, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/climatologie/index.php?id=1378, https://doi.org/10.4267/climatologie.1378

Auteur(s)

Claire Delus

Loterr (Centre de Recherche en Géographie EA 7304), Université de Lorraine, Campus Saulcy Metz, île du Saulcy, 57000 Metz, France
claire.delus[at]univ-lorraine.fr

Benjamin Grelier

Loterr (Centre de Recherche en Géographie EA 7304), Université de Lorraine, Campus Saulcy Metz, île du Saulcy, 57000 Metz, France

Didier François

Loterr (Centre de Recherche en Géographie EA 7304), Université de Lorraine, Campus Saulcy Metz, île du Saulcy, 57000 Metz, France

Gilles Drogue

Loterr (Centre de Recherche en Géographie EA 7304), Université de Lorraine, Campus Saulcy Metz, île du Saulcy, 57000 Metz, France

Jean-Philippe Vidal

Irstea, UR RiverLy, centre de Lyon-Villeurbanne, 69625 Villeurbanne, France

Laurie Caillouet

Compagnie Nationale du Rhône, CNR, 2 rue André Bonin 69004 Lyon, France

Alexandre Devers

Irstea, UR RiverLy, centre de Lyon-Villeurbanne, 69625 Villeurbanne, France

Eric Sauquet

Irstea, UR RiverLy, centre de Lyon-Villeurbanne, 69625 Villeurbanne, France

Claire Lauvernet

Irstea, UR RiverLy, centre de Lyon-Villeurbanne, 69625 Villeurbanne, France