Analyse globale des données environnementales, attentes et limitations Frédéric Mouton if INSTITUT FOURIER (Grenoble) Journées SMAI-MAIRCI, 13 septembre 2012, Grenoble Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 1 / 27 Organismes partenaires Programme des Nations Unies pour le Développement (UNDP) : commanditaire des projets évoqués ici. Programme des Nations Unies pour l’Environnement (UNEP) par l’intermédiaire du GRID-Europe (Global Ressource Information Database) basé à Genève. Organisation Mondiale de Météorologie (WMO) et plusieurs universités à différents stades des projets. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 2 / 27 Principaux collaborateurs au GRID Pascal Peduzzi, Hy Dao (porteurs de projets) Ola Nordbeck (cyclones) Christian Herold (inondations) Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 3 / 27 Approche globale Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 4 / 27 Approche globale Les progrès récents (satellites, traitement, stockage) ont permis le développement de bases de données globales (= mondiales). Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 4 / 27 Approche globale Les progrès récents (satellites, traitement, stockage) ont permis le développement de bases de données globales (= mondiales). Dans une analyse globale, on cherche une couverture des données la plus large possible =⇒ résolution spatiale ou temporelle assez grossière, nombre de variables réduit, qualité des données très inégale (couverture, homogénéité, résolution, traitement informatique, accès, métadonnées) Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 4 / 27 Attentes et limites Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 5 / 27 Attentes et limites Méthode : modèles physiques et statistiques simples, robustes, automatisables. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 5 / 27 Attentes et limites Méthode : modèles physiques et statistiques simples, robustes, automatisables. Résultats = tendances, influences qualitatives, comparaisons grossières, 6= prédictions, comparaisons précises, conclusions locales. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 5 / 27 Disaster Risk Index Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 6 / 27 Disaster Risk Index En 2000, le Programme des Nations Unies pour le Développement a voulu estimer le niveau de vulnérabilité des populations aux catastrophes naturelles pour mieux cibler ses aides. Le but était de développer un indice de vulnérabilité dans l’idée du maintenant célèbre Indice de Développement Humain (HDI). Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 6 / 27 Disaster Risk Index En 2000, le Programme des Nations Unies pour le Développement a voulu estimer le niveau de vulnérabilité des populations aux catastrophes naturelles pour mieux cibler ses aides. Le but était de développer un indice de vulnérabilité dans l’idée du maintenant célèbre Indice de Développement Humain (HDI). Il a fait appel au GRID/Europe pour son expertise géomatique (GIS) et ses bases de données globales. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 6 / 27 Vulnérabilité aux catastrophes naturelles Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 7 / 27 Vulnérabilité aux catastrophes naturelles Équation simplifiée : Risque = Exposition physique × Vulnérabilité Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 7 / 27 Vulnérabilité aux catastrophes naturelles Équation simplifiée : Risque = Exposition physique × Vulnérabilité Types de risques : Cyclones, Inondations, Tremblements de terre, Volcans, Sécheresse. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 7 / 27 Vulnérabilité aux catastrophes naturelles Équation simplifiée : Risque = Exposition physique × Vulnérabilité Types de risques : Cyclones, Inondations, Tremblements de terre, Volcans, Sécheresse. Méthodologie : 1 2 3 par type de risque et pays, calcul de l’exposition physique, exp. physique + nb. de décès −→ vulnérabilité, vulnérabilité en fonction des variables socio-économiques à l’aide d’un modèle statistique. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 7 / 27 Variables finales retenues GDP “purchasing power parity” per capita, Pourcentage modifié de terrain cultivable, Développement urbain, Pourcentage de terrain de forêt, Pourcentage de terrain cultivé. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 8 / 27 Carte Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 9 / 27 Cyclones (avec O. Nordbeck) Données : trajectoire du centre, pression au centre, vitesse maximale de vent. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 10 / 27 Cyclones (avec O. Nordbeck) Données : trajectoire du centre, pression au centre, vitesse maximale de vent. Calcul de l’exposition physique au risque cyclonique : Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 10 / 27 Cyclones (avec O. Nordbeck) Données : trajectoire du centre, pression au centre, vitesse maximale de vent. Calcul de l’exposition physique au risque cyclonique : 1 récupérer et unifier les données physiques (logiciel), 2 déterminer les zones-tampon (vents extrêmes), 3 zones-tampon + population −→ exposition. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 10 / 27 Organigramme cyclones Global processing PROVIDER CYCLONES’ MEASURES (TEXT FILE) RESTRUCTURATION TOOL FORMATED DATA (EXCEL FILE) MODEL CALCULATING TOOL FORMATED DATA + BUFFER ESTIMATION G.I.S. BUFFERS (G.I.S. FORMAT) Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 11 / 27 Modèle stationnaire de G.J. Holland Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 12 / 27 Modèle stationnaire de G.J. Holland s Vh (R ) = b ρ · Rmax R b · (Penv − Pcentre ) · e( Rmax b R ) + R2f 2 4 − Rf 2 où Vh (R ) est la vitesse du vent à distance R de l’œil (ms−1 ) ; b est un paramètre qui change la forme du profil radial (sans dimension) ; Pcentre est la pression au centre du cyclone (Pa) ; Penv est la pression asymptotique environnementale (Pa) ; Rmax est la distance de l’œil à laquelle le vent est maximal (m) ; R est la distance de l’œil à laquelle on estime le vent (m) ; ρ est la densité de l’air, supposée constante (1,15 kg · m−3 ) ; f est le paramètre de Coriolis (= 2ω sin(lat )) avec ω = 0.0000729 rad · s−1 , la vitesse angulaire de la terre, et lat la latitude. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 12 / 27 Champ des vitesses de vent (1) Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 13 / 27 Champ des vitesses de vent (2) Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 14 / 27 Zones tampon latérales Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 15 / 27 Zones tampons de trajectoires Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 16 / 27 Inondations (avec C. Herold) But : carte globale d’aléas d’inondations. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 17 / 27 Inondations (avec C. Herold) But : carte globale d’aléas d’inondations. Utilité : Global Assessment Report (UNDP, International Strategy for Disaster Reduction), suite du DRI. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 17 / 27 Inondations (avec C. Herold) But : carte globale d’aléas d’inondations. Utilité : Global Assessment Report (UNDP, International Strategy for Disaster Reduction), suite du DRI. Méthodologie : estimer les zones inondées par une crue centenaire, en utilisant le débit centenaire et un MNT Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 17 / 27 Inondations (avec C. Herold) But : carte globale d’aléas d’inondations. Utilité : Global Assessment Report (UNDP, International Strategy for Disaster Reduction), suite du DRI. Méthodologie : estimer les zones inondées par une crue centenaire, en utilisant le débit centenaire et un MNT bassins avec station de mesure : débits estimés en modélisant la série des débits maximaux annuels Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 17 / 27 Inondations (avec C. Herold) But : carte globale d’aléas d’inondations. Utilité : Global Assessment Report (UNDP, International Strategy for Disaster Reduction), suite du DRI. Méthodologie : estimer les zones inondées par une crue centenaire, en utilisant le débit centenaire et un MNT bassins avec station de mesure : débits estimés en modélisant la série des débits maximaux annuels bassins sans station de mesure : débits évalués par des régressions sur les variables climatiques, hydromorphométriques et de couverture du sol Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 17 / 27 Organigramme RAW DATA Discharge D.E.M. Climate Landcover Recorded Floods Stations SPATIAL ANALYSIS I Prod. of Basin Variables BASIN VARIABLES Processed Stations Climatic Variables Hydromorpho. Variables Landcover Variables STATISTICAL ANALYSIS Production of Peak−Flow Estimates MODELS Groups/Formulae SPATIAL ANALYSIS II Estim. of Flooded Areas RESULT Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Map DISCUSSION Analyse globale des données environnementales Concl. journées SMAI-MAIRCI 2012 18 / 27 Données hydrologiques Hydro1K (MNT à 1km) + réseau hydrographique Hydrosheds (MNT à 90m) Données de débits (problématique) Relevés satellites du Dartmouth Flood Observatory Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 19 / 27 Première analyse spatiale RAW DATA Discharge Climate D.E..M. Hydro1K Stations Compilation of Data Landcover Hydrologic Correction Spatial Adjustment I: Hydrologic Network Spatial Adjustment II: Drainage Area Moving to Basin Outlet Avoid Spatial Redundancy Processed Discharge Stations / Basins BASIN VARIABLES G.I.S. Climatic Variables Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Hydromorpho. Variables Analyse globale des données environnementales Landcover Variables journées SMAI-MAIRCI 2012 20 / 27 Variables de bassins Table 1 Independent variables generated for regression analysis. Variable Description Abbreviation Hydromorphometric 1 Drainage area Area of drainage basin (km2). DRAREA 2 Mean basin elevation Mean elevation of drainage basin (m). MEANALT 3 Mean basin slope Mean slope of drainage basin (m/km). MNSLOP 4 Basin shape Gravelius coefficient of compacity (Kc): ratio of basin KGRAV perimeter to the circle of equal area. 5 Main channel length Total length of basin main channel (km). MCHLENGTH 6 Main channel slope Maximum difference in elevation of basin main MCHSLOPE channel divided by channel length (m/km). 7 Drainage frequency Number of Strahler first order streams per square km DRFREQ in basin (1/km2). Land cover 8 Surface water storage Cumulated area of every lake and reservoir contained WATER_STOR in GLWD level 3. Variable expressed as a ratio to the basin drainage area. 9 Fourier, Forest cover Frédéric Mouton (Institut Grenoble) Global landenvironnementales cover GLC_2000 version 1: cumulated TFORCOV Analyse globale des données journées SMAI-MAIRCI 2012 21 / 27 basin drainage area. 9 Forest cover Global land cover GLC_2000 version 1: cumulated TFORCOV area of any "Tree Cover" classes and the class "Tree Cover / Other natural vegetation". Variable expressed as a ratio to the basin drainage area. 10 Impervious cover Global land cover GLC_2000 version 1: area of class 22 “Artificial surfaces and associated URBCOV areas”. Expressed as a ratio to the basin drainage area. Climatic time-series 11 Mean annual precipitation 12 Minimum mean monthly temperature Monthly maximum precipitation for a 100-year return period. 13 Calculated using CRU TS 2.1 dataset on the 19532002 period (mm). Calculated using CRU TS 2.1 dataset on the 19532002 period (°C). Log-Pearson type III estimates using Variability Analyses of Surface Climate Observations (VASClimO) at the Global Precipitation Climatology Centre (GPCC). Version-1.1, 0.5°x0.5°, (mm). PRMEAN Calculated using the World Map of the Köppen-Geiger climate classification updated. University of Veterinary Medicine, Vienna. Calculated using the Updated world map of the Köppen-Geiger climate classification. The University of Melbourne, Victoria, Australia. Calculated using the Holdridge Life Zones. IIASALaxenburg, Austria. Koge5 CLDERMONTH LogP100 Climatic zones 14 Percentage area of Geiger climatic zones. Köppen- 15 Percentage area of Geiger climatic zones. Köppen- 16 Percentage area of Holdridge climatic zones. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales Koge1 Holdridge journées SMAI-MAIRCI 2012 22 / 27 Analyse statistique BASIN VARIABLES Processed Stations Climatic Variables Hydromorpho. Variables Landcover Variables FREQUENCY ANALYSIS Peak−Flow Estimates Except. Precipitation Estimates TRANSFORMATION OF VARIABLES STATISTICAL VARIABLES Response Explicative Variables GROUPING REGRESSIONS BY GROUPS If Not Satisfactory If Satisfactory MODELS Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Groups/Formulae Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 23 / 27 Deuxième analyse spatiale RAW DATA AND MODELS D.E.M. Hydroshed 90m Climate Landcover Groups/Formulae SELECTION OF SIGNIFICANT VARIABLES G.I.S. Computed Significant Variables FREQUENCY ANALYSIS FOR PRECIPITATION TRANSFORMATION OF VARIABLES PEAK−FLOW ESTIMATION Peak−Flow Estimates HYDRAULIC MODEL Stage Functions ESTIMATION OF FLOODED AREAS RESULT Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Map Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 24 / 27 Validation Figure 15 Total surface of flooded area along Brahmaputra River. Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 25 / 27 Conclusion Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 26 / 27 Merci pour votre attention Frédéric Mouton (Institut Fourier, Grenoble) Analyse globale des données environnementales journées SMAI-MAIRCI 2012 27 / 27