A study of national trend and variation in French floods and droughts
Analyse nationale des tendances et ruptures dans le régime des extrêmes hydrométriques (crues et étiages) en France
Résumé
A French national project (PNRH Non Stationary Flow Series) has been set up since 2002 in order to study the variation of floods and droughts in France, based on a large set of discharge data series. Numerous models have been developed to study trends and variations on hydrological data series, such as statistical tests, segmentation procedures, Bayesian approaches, and multivariate or regional models. A comparative analysis aimed to define a general framework for the selection of a limited number of tests, based on the statistical properties of the hydrological data series (sample size, autocorrelation) and the prior knowledge of the type of distribution and the expected change. The regional significance of trend detection has been dealt with multivariate analysis taking into account the spatial dependence between hydrometric sites.Such framework is currently applied to a set of 192 French long discharge series, with at least 40 years of record and good rating curves. About fifteen hydrological variables have been sampled on flood (date and magnitude of annual maxima and peak-over-threshold values, hydrograph characteristics) and drought topics (date and magnitude of annual minima, drought duration). No general trend or shift has been detected for floods, as significant changes have been found for droughts. A complementary analysis is planned to consider the various explanations: data measurement errors, human activities on the catchment, climatic changes. We finally developed a Bayesian model to incorporate hydrological non stationarity into frequency analysis. Instead of having a binary decision such as stationary versus non stationary, the model is able to assess the relative likelihood of different time-dependent models : stationary, shift, trend. A Bayes calculation is developed, using MCMC algorithms for the weighting of each sub-model. The final design flow assessment and its corresponding confidence interval is therefore available, taking into account non stationarity as an additional uncertainty.
Le projet « Mise en évidence d'éventuels changements dans le régime des extrêmes hydrométriques (crues et étiages) en France » a eu trois objectifs majeurs : progresser sur la méthodologie de détection de changements dans les séries hydro-météorologiques, donner une réponse sur l'évolution du régime hydrologique des extrêmes en France, proposer des outils de gestion des risques dans un contexte stationnaire. Une étude comparative de la puissance des tests a permis de proposer un schéma de sélection de tests, qui tient compte de l'existence d'autocorrélation, du type de distribution, du type de changement attendu et de la longueur de l'échantillon. Une analyse multivariée a été développée pour interpréter la significativité régionale de tests locaux, en prenant en compte la structure de dépendance spatiale des données observées. La procédure statistique a ensuite été appliquée sur un jeu de 192 longues séries hydrométriques françaises, avec au moins 40 années de mesure. Aucune tendance généralisée à la hausse n'est détectée pour les crues, alors que des changements significatifs sont trouvés pour les étiages, avec une augmentation sur un nombre important de stations. Des investigations complémentaires sont en cours pour apprécier dans les changements détectés ce qui relève des influences anthropiques et climatiques. Un modèle bayésien d'analyse a enfin été développé pour sortir de la simple alternative qui consiste soit à accepter l'hypothèse de stationnarité, soit à découper la chronique de mesure en plusieurs sous-séries homogènes. L'approche proposée consiste à apprécier la vraisemblance de plusieurs modèles temporels (stationnaire, tendance, rupture) via une approche de simulation MCMC, et à produire une estimation de quantile à une date fixée, qui intègre la non stationnarité comme une incertitude supplémentaire.