Utilisation des fonctions de croyance pour la modélisation des incertitudes dans les projections de l'élévation du niveau marin pour l'adaptation côtière

Modeling sea-level rise uncertainties for coastal defence adaptation using belief functions

• Auteur / Autrice : Nadia Ben Abdallah
• Direction : Thierry Denoeux, Nassima Mouhous-Voyneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information and Systems Technologies
• Date : Soutenance le 12/03/2014
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Littoraux

Incertitude (théorie de l'information)

Valeurs extrêmes, Théorie des

Monte-Carlo, Méthode de

Statistique mathématique

Estimation, Théorie de l'

Théorie de Dempster-Shafer

Mots clés libres

Fonctions de croyances

Intervalles aléatoires

Avis d'experts

Inférence statistique basée sur la vraisemblance

Copules

Analyse d'incertitude

Dimensionnement côtier

Elévation du niveau marin

Belief functions

Random intervals

Expert opinions

Likelihood based inference

Monte Carlo

Copulas

Extreme value theory

Climate change

Uncertainty analysis

Coastal design

Résumé

L’adaptation côtière est un impératif pour faire face à l’élévation du niveau marin,conséquence directe du réchauffement climatique. Cependant, la mise en place d’actions et de stratégies est souvent entravée par la présence de diverses et importantes incertitudes lors de l’estimation des aléas et risques futurs. Ces incertitudes peuvent être dues à une connaissance limitée (de l’élévation du niveau marin futur par exemple) ou à la variabilité naturelle de certaines variables (les conditions de mer extrêmes). La prise en compte des incertitudes dans la chaîne d’évaluation des risques est essentielle pour une adaptation efficace.L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie pour la quantification des incertitudes basée sur les fonctions de croyance – un formalisme de l’incertain plus flexible que les probabilités. Les fonctions de croyance nous permettent de décrire plus fidèlement l’information incomplète fournie par des experts (quantiles,intervalles, etc.), et de combiner différentes sources d’information. L’information statistique peut quand à elle être décrite par de fonctions des croyance définies à partir de la fonction de vraisemblance. Pour la propagation d’incertitudes, nous exploitons l’équivalence mathématique entre fonctions de croyance et intervalles aléatoires, et procédons par échantillonnage Monte Carlo. La méthodologie est appliquée dans l’estimation des projections de la remontée du niveau marin global à la fin du siècle issues de la modélisation physique, d’élicitation d’avis d’experts, et de modèle semi-empirique. Ensuite, dans une étude de cas, nous évaluons l’impact du changement climatique sur les conditions de mers extrêmes et évaluons le renforcement nécessaire d’une structure afin de maintenir son niveau de performance fonctionnelle.

Coastal adaptation is an imperative to deal with the elevation of the global sealevel caused by the ongoing global warming. However, when defining adaptationactions, coastal engineers encounter substantial uncertainties in the assessment of future hazards and risks. These uncertainties may stem from a limited knowledge (e.g., about the magnitude of the future sea-level rise) or from the natural variabilityof some quantities (e.g., extreme sea conditions). A proper consideration of these uncertainties is of principal concern for efficient design and adaptation.The objective of this work is to propose a methodology for uncertainty analysis based on the theory of belief functions – an uncertainty formalism that offers greater features to handle both aleatory and epistemic uncertainties than probabilities.In particular, it allows to represent more faithfully experts’ incomplete knowledge (quantiles, intervals, etc.) and to combine multi-sources evidence taking into account their dependences and reliabilities. Statistical evidence can be modeledby like lihood-based belief functions, which are simply the translation of some inference principles in evidential terms. By exploiting the mathematical equivalence between belief functions and random intervals, uncertainty can be propagated through models by Monte Carlo simulations. We use this method to quantify uncertainty in future projections of the elevation of the global sea level by 2100 and evaluate its impact on some coastal risk indicators used in coastal design. Sea-level rise projections are derived from physical modelling, expert elicitation, and historical sea-level measurements. Then, within a methodologically-oriented case study,we assess the impact of climate change on extreme sea conditions and evaluate there inforcement of a typical coastal defence asset so that its functional performance is maintained.