Apport potentiel des mesures de pluie par liens micro-ondes commerciaux pour l'hydrologie urbaine en Afrique

Potential interest of Rainfall estimation from Commercial Microwave Links for urban hydrology in Africa

• Auteur / Autrice : Maxime Turko
• Direction : Aaron Boone, Marielle Gosset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inondations -- Prévision

Dispositifs à micro-ondes

Afrique

Mesure

Hydrométéorologie

Mots clés libres

Pluies

Inondations

Afrique

Liens microondes

Simulation

Hydrométéorologie

Rainfall

Flood

Africa

Microwave links

Simulation

Hydrometeorology

Résumé

Les inondations pluviales sont un fléau en zone tropicale et tout spécialement en Afrique où elles causent chaque année des dégâts humains et matériels majeurs, impactant le développement de ces régions. Le risque d'inondation est en recrudescence, notamment dans les zones urbaines, sous l'effet combiné de phénomènes de pluies extrêmes, des changements d'occupation du sol et de la démographie galopante. Pour anticiper ces phénomènes et leur impact, il est essentiel de bien observer les évènements pluvieux à l'origine des inondations. Au Sahel la saison pluvieuse est caractérisée par une convection organisée en période de Mousson. Ces systèmes convectifs propagatifs génèrent des champs de pluie extrêmement variables spatialement et temporellement, qu'il faudrait caractériser à des échelles fines : kilométrique et infra-horaire. Les systèmes d'observations actuels dans les régions tropicales, et singulièrement en Afrique, sont insuffisants : les réseaux de pluviomètres sont peu denses et l'accès aux données est problématique ; les radars météorologiques utilisés dans les pays industrialisés ne sont pas disponibles ; l'observation satellitaire apporte une information essentielle mais encore entachée d'incertitude aux échelles convectives et en temps réel. Dans ce contexte une technique prometteuse a émergé : la mesure de pluie à partir de fluctuations de signaux observées sur les réseaux de téléphonie mobile. La méthode exploite l'atténuation mesurée entre les antennes relais, dans le domaine des micro-ondes, très sensible à la pluie. Dans le cadre du projet Rain Cell cette technique de mesure a été validée dans plusieurs chantiers pilotes en Afrique. L'objet central de cette thèse est d'analyser l'apport de ces mesures pour l'hydrologie urbaine. Après avoir présenté le contexte, une première partie de la thèse est consacrée à l'analyse des incertitudes dans l'estimation de pluie basée sur les liens micro-ondes commerciaux, et leur propagation dans la simulation hydrologique. Un simulateur de données de liens synthétiques a été réalisé et mis en œuvre pour caractériser l'impact de deux sources d'incertitudes : i) la précision des signaux bruts obtenus de l'opérateur de téléphonie et ii) la configuration géométrique du réseau, position, longueur et orientation des liens au sein du bassin. Pour analyser la propagation des incertitudes, les données sont utilisées en forçage d'un modèle hydrologique distribué, ATHYS, mis en place sur la ville de Ouagadougou au Burkina Faso. La seconde partie de la thèse illustre l'intérêt des liens micro-ondes commerciaux en analysant un jeu de données effectivement acquis au Niger, à Niamey grâce à une collaboration avec l'opérateur Orange. Sur l'agglomération de Niamey, de 100 km2 environ, les données d'une centaine de liens micro-ondes ont pu être exploitées. Ces données acquises au pas de temps de 15 minutes sont comparées à trois pluviographes du réseau AMMA-Catch à Niamey, pour huit systèmes pluvieux organisés intenses enregistrés en 2017. L'étude met en évidence l'excellente capacité du réseau de liens à quantifier les pluies, et à caractériser leur structure spatiale et temporelle. [...]

Urban floods due to intense precipitation are a major problem in many tropical regions as in Africa. The flood risk is increasing due to extreme rainfall, land use change and increasing population density, especially in urban areas. To anticipate these phenomena and their impacts, monitoring rainfall and its evolution is needed, with a dedicated observing system. In West Africa, most rainfall is provided by organized convection during the monsoon period. To characterize rainfall within these propagative systems with an intense front of convective cells, observation at fine space and time scale is needed (kilometric and sub-hourly) is needed. In tropical regions and especially in Africa, the operational hydrometeorological network is insufficient: the data access and density of pluviograph networks are problematic; meteorological radars are not available and even if satellite observation provides essential information on convective systems, the rainfall estimation lacks precision at convective scale and in real time. In this context a promising technique has emerged: rainfall measurement based on signal fluctuations on the mobile phone network. The method is based on estimating attenuation of microwave signal due to rainfall between relay antennas. The technique has been tested in several prospective studies in Africa, linked to the Rain Cell project. The main purpose of this PhD is analysing the potential contribution of these measurements for urban hydrology in Africa (or other poorly observed regions). After the introduction, the first part of this thesis analyses uncertainties in rainfall measurement from commercial microwave links, and their propagation in hydrological simulation. The analysis is based on emulating synthetic microwave links to characterize two sources of uncertainty: i) the signal accuracy given by the telephone operator ii) the networks geometrical setup, defined by link positions, length, and orientation in a watershed. The distributed hydrological model Athys is used to test the propagation of the uncertainties in the simulated discharge with a case test in Ouagadougou, Burkina Faso. The second part of the thesis illustrates rainfall estimation from commercial microwave links over an urban area, thanks to a real dataset acquired in Niamey, Niger, in collaboration with the telephone operator Orange. A hundred microwave links are exploited around Niamey (100 km²). The rainfall derived from this 15 minutes data is compared with three pluviographs from the AMMA-Catch network for eight intense organized rainfall systems recorded in 2017. The excellent capacity to quantify and reproduce the spatio-temporal rainfall structure by the microwave links network is highlighted by this study.[...]