Cévennes-Vivarais - observation recherche - mesure du champ d'humidité atmosphérique par GPS

OBJECTIFS : Identification de situations météorologiques menant à des crues-éclairs.

Les pluies intenses et les crues-éclairs qui en résultent en région de moyenne montagne méditerranéenne sont le centre d'intérêt du projet "Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais" (OHM-CV). La région Cévennes-Vivarais a été sélectionnée pour sa représentativité pour la moyenne montagne de l'ensemble du pourtour méditerranéen qui est soumise à un régime pluviométrique et hydrologique caractérisé par une forte intermittence des pluies qui s'y développent et par des valeurs extrêmes proches des plus fortes statistiques mondiales. Les figures suivantes montrent que la région Cévennes-Vivarais est une des régions en France qui reçoivent un maximum de précipitations sur une base annuelle (Fig. 1a). Ces pluies tombent lors de périodes très limitées, principalement au mois d'Octobre (Fig. 1b), et sur quelques jours seulement, comme le montre le faible nombre de jours avec des précipitations de plus de 1mm (environ 80 jours par an, voir Fig. 1c).

Le projet OHM-CV comprend des observations hydrométéorologiques (radars, pluviomètres, limnimètres sur une échelle régionale, ainsi que le développement de la modélisation des processus météorologiques et hydrologiques. Les performances de ces modèles sont fortement dépendantes de leur initialisation, notamment par des observations du champ tridimensionnel de la vapeur d'eau troposphérique.
Les mesures de l'humidité vont être complétées de façon très significative par des observations de la vapeur d'eau par GPS. Pour cela, une collaboration entre géodésiens et hydrométéorologues permettrait, en joignant les observations des deux disciplines, d'établir pour la première fois la corrélation entre l'eau précipitable (observée par GPS) et l'eau précipitée (observée par radar et pluviomètres) dans un contexte régional. Cette corrélation est cruciale pour la météorologie (prévision des précipitations) et pour la climatologie, mais n'a jamais été mise en évidence par manque d'observations de l'humidité troposphérique.
Le projet GPS dans le cadre de OHM-CV consiste en trois volets :

Principe

• Estimation du délai zénithal
  La valeur du délai zénithal (ZTD : zenith total delay) lors de l'analyse GPS est établie à partir des observations de tous les satellites visibles à un moment donné (8 - 12 satellites sous différents angles d'élévation et d'azimuth). Le délai zénithal peut être évalué toutes les 5 à 30 min.
• Relation entre ZTD et paramètres météorologiques
  Le délai total zénithal (ZTD) peut être reparti en deux fractions : (i) une fraction " hydrostatique " (ZHD) qui représente 90 % du délai total, environ 2.30 m et (ii) une fraction " humide " (" wet ", ZWD) qui correspond aux 10 % restants, entre 0.00 et 0.40 m, avec des variations de plusieurs cm en quelques heures. Le délai hydrostatique ZHD est déterminé à partir de la pression au sol (mesurée ou fournie par un modèle). Le délai ZWD se déduit par différence entre le délai total et le délai hydrostatique. Enfin, la quantité de vapeur d'eau intégrée sur la verticale (IWV) est proportionnelle à ZWD, le facteur de proportionnalité étant fonction de la température moyenne du profil vertical. Cette température peut être estimée à l'aide de la température au sol mesurée ou fournie par un modèle.
  
  

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Campagnes de mesure en 2002 et 2003

Depuis le début du projet en 2002, une station GPS permanente a été installée pour OHM-CV au Sud de l'Ardèche (à Banne, site marqué BANN sur Figure 2), elle est opérationnelle depuis juillet 2003. En 2002 et 2003, des campagnes de suivi d'humidité par GPS ont eu lieu sur l'échelle régionale Méditerranée Cévennes-Vivarais (du 20 Sept. au 20 Nov. 2002 et du 5 Sept. 2003 au 8 Jan. 2004, la carte du réseau est représentée sur Figure 2).

L'événement du cru du Gard début Septembre 2002, juste avant notre première campagne de mesure, a été étudié grâce aux données du réseau GPS permanent (Figure 3). Une première campagne de tomographie troposphérique a eu lieu dans le cadre de la mesure régionale en 2002 (Figure 4). Un réseau GPS dense (18 sites sur 30 x 30 km) a été installé dans le champ de vue du radar de Bollène qui a effectué des observations 3D des précipitations par balayage volumique.
Les perspectives de ce projet sont d'établir un suivi de l'humidité atmosphérique en continu par un réseau GPS permanent densifié dans les Cévennes, de reconduire la campagne de tomographie troposphérique (par un réseau GPS très dense) le plus souvent possible, de mesurer le réseau régional chaque automne pendant 10 ans, pour établir une climatologie 3D d'humidité pour les Cévennes, et, à long terme, d'établir un système d'alerte "crues" basé sur les mesures GPS et radar.

Figure 2
Carte du réseau GPS des campagnes 2003 et 2004. En 2003, ce réseau a été observé du 5 Septembre 2003 au 8 Janvier 2004. Les stations temporaires sont marquées par une étoile, les stations permanentes par un point rouge. Une station à Valence complète le réseau en 2004.

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RESPONSABLE : A. Walpersdorf
Physicienne adjointe à l'Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble
Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique (UMR 5559 du CNRS)
Maison des Géosciences
BP 53
38041 Grenoble Cedex 9

tél. : 04.76.82.81.04
e-mail : andrea.walpersdorf@obs.ujf-grenoble.fr

PARTICIPANTS :

H. Brenot (doctorant)
P. Giroux (Assistant ingénieur du CNRS)
J.-P. Glot (Ingénieur de recherche du CNRS)
N. Cotte (Ingénieur/post-doc)
LGIT Grenoble.

C. Champollion (doctorant)
E. Doerflinger (Ingénieur de recherche du CNRS)
F. Masson (Maître de conférence à l'Université Montpellier II)
P. Collard (Technicien)
Laboratoire de Déformation de la Lithosphère (UMR 5573 du CNRS), Montpellier.

V. Ducrocq (Ingénieur en Météorologie)
Centre National de Recherche Météorologique, Météo France, Toulouse.

TRAITEMENT :
Par Gamit développé au MIT

PUBLICATIONS :
Brenot, H., Ducrocq, V., Walpersdorf, A. and Champollion, C. GPS Zenith Delay Sensitivity evaluated from High-Resolution NWP Simulations of the 8-9th September 2002 Flash-Flood over Southeastern France (en préparation).

Champollion, C., Masson, F., Doerflinger, E., Van Baelen, J., Anquetin, S., Walpersdorf, A., Chery, J. and Bock, O. GPS observation of the September 9th 2002 torrential rainfall in the southern France (Gard Cévennes), EGS-AGU-EUG Joint Assembly, 2003.

Walpersdorf, A., Brenot, H., Champollion, C., Doerflinger, E., Masson, F., Ducrocq, V., Anquetin, S. and Tabarly, P. GPS project for tropospheric water vapour observations related to torrential rain in the French Cévennes: description and first results of the field experiment, EGS-AGU-EUG Joint Assembly, 2003.