format PDF - Laboratoire de Météorologie Dynamique

THÉSE de DOCTORAT de L’UNIVERSITÉ PARIS 6
spécialité : SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT
présentée par
Goubanova Katerina
pour obtenir le grade de Docteur de l’UNIVERSITÉ de PARIS 6
Une étude des événements climatiques extrêmes
sur l’Europe et le bassin Méditerranéen
et de leur évolution futur
soutenance prévue pour le 21 novembre 2007 devant le jury composé de :
Présidente : Mme Katia Laval
Rapporteurs : M. Michel Déqué
M. Laurent Terray
Examinateurs : M. Martin Beniston
M. Pascal Yiou
M. Laurent Li
Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, IPSL
Université Pierre et Marie Currie
Paris, France

.

Table des matières
Introduction 3
1 Généralités 5
1.1 Qu’est-ce qu’un événement climatique extrême ? . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Méthodes de l’analyse des extrêmes climatiques . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Dans le contexte du réchauffement planétaire . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Les événements extrêmes, deviennent-ils plus fréquents et/ou plus
in tense ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Estimation du changement futur dans le régime des extrêmes . . . 10
1.4 Rôle de la circulation atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Base théorique et outils d’investigation 15
2.1 Théorie statistique des valeurs extrêmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 La distribution Généralisée des Valeurs Extrêmes (GEV) . . . . . 16
2.1.2 La Distribution Généralisée de Pareto (GPD) . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Niveau de retour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4 Estimation des paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.5 Test d’adéquation de Kolmogorov-Smirnov . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Présentation du modèle LMDZ et des simulations . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 LMDZ - modèle de circulation générale à maille variable . . . . . 23
2.2.2 Simulations utilisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Analyse du climat actuel : réel et modèle. Approche statistique 27
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Le climat observé à la fin du 20ème siècle . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Sélection des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 La climatologie des événements extrêmes . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Les extrêmes dans le modèle LMDZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Difficultés de la validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Notre stratégie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3 Climats simulés et prétraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.4 Température maximale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.5 Température minimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.6 Précipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.7 Paramètre de queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1

2 TABLE DES MATIÈRES
4 Evolution des températures et des précipitations extrêmes 47
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Changement des événements extrêmes observés en 20ème sciècle . . . . . 47
4.3 Changements futurs des extrêmes : Article publié dans Global and Pla-
netary Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 Résumé de l’article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.3 Model and simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.4 Methdology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.7 Quelques remarques postérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Approche dynamique : influence de la circulation atmosphérique à grande
échelle 73
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Régimes de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.1 Détection des états préférentiels de l’atmosphère . . . . . . . . . 75
5.2.2 Régimes de temps sur la région l’Europe - Nord Atlantique . . . . 76
5.3 Méthode d’attribution des événements extrêmes aux régimes de temps . . 77
5.4 Régimes de temps favorables aux extrêmes . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.1 Températures chaudes hivernales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4.2 Températures froides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.3 Précipitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.4 Rémarques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5 Dynamique atmosphérique dans LMDZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.1 L’état moyen et sa variabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.2 Les principaux modes de variabilité . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.3 Etats préférentiels de l’atmosphère dans LMDZ. . . . . . . . . . 86
5.5.4 Représentations des régimes observés . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.6 La stabilité des régimes de temps et leur influence sur le climat européen
dans le futur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.6.1 Le nombre de régimes est-il constant ? . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6.2 Le lien établi pour le climat actuel reste-il valable dans le futur ? . 93
5.7 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Conclusions et Perspectives 100
Annexes 105
A Acronymes 105
B Forçages 107
C La classification automatique « k-moyennes » 109
Références bibliographiques 111

Introduction
Le climat a toujours réglé le mode de vie des êtres vivants, y compris les humains.
Au cours de son histoire l’homme a su s’y adapter en exploitant les ressources naturelles
desquelles il tire de l’énergie et se nourrit. En outre, depuis un peu plus un siècle l’homme
est devenu acteur de la machine climatique. Par ses activités il modifie le climat. En chan-
geant la couverture végitale du sol, par exemple, il modifie ses capacités d’absorption et
de reflection du rayonnement solaire, et influe ainsi le bilan radiatif et hydrologique. En
émettant des polluants il change la composition chimique de l’atmosphère, et donc ses
propriétés d’absorption des radiations solaires ou du rayonnement terrestre. En particu-
lier, l’augmentation de la concentration de dioxyde de carbone due, en majeure partie, à
l’utilisation des combustibles fossiles, augmente l’effet de serre naturel et entraine une
hausse de la température du globe.
Le Quatrième Rapport du GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolu-
tion du Climat) conclut, sur la base des faits observés, que de nombreux systèmes natu-
rels, sont touchés par des changements climatiques régionaux, particulièrement par des
augmentations de température. Le réchauffement du climat est révélé par les change-
ments concernant le niveau de la mer, la couverture neigeuse, la superficie des glaciers
et les précipitations. Les changements climatiques ont également eu des incidences im-
portantes sur le système socio-économique. En fait, notre vulnérabilité aux phénomènes
climatiques s’accroît avec l’augmentation des populations, l’urbanisation et notre dépen-
dance croissante aux infrastructures de transport, de communication et de distribution
d’énergie. Dans ce contexte la région de l’Europe et du bassin Méditerranéen est particu-
lièrement sensible aux variations et changements du climat.
Ce sont plutôt les phénomènes climatiques extrêmes qui affectent davantage l’écosys-
tème et la société. Au cours de ces dernières années les extrêmes climatiques ne cesse
pas de battre des records. Les canicules estivales sur l’Europe centrale et d’ouest en 2003
et sur l’Europe centrale et du sud-est en 2007, l’ouragan Katrina en 2005, l’inondation
en Grande-Bretagne en juin-juillet 2007, la vague de froid en juillet 2007 en Argentine...
Tous ces événements peuvent, sans exagération, être qualifiés d’historiques, du moins
à l’échelle régionale. L’accumulation apparente des phénomènes extrêmes, provient-elle
du hasard ou de la variabilité naturelle ? ou peut-être représente-elle une tendance liée
au réchauffement climatique ? Selon le rapport du GIEC, depuis cinquante ans, des in-
dices d’un changement pour différents types d’événements climatiques extrêmes ont été
détectées dans plusieurs régions du monde. Cependant, il n’est à ce jour pas possible de
démontrer que les événements météorologiques récents sont le signe d’un changement
climatique. L’absence de réponse claire est en partie due à la difficulté méthodologique
d’étudier ce type d’événements qui, par définition, sont rares. Une meilleure compréhen-
sion de la nature statistique et physique des événements climatiques extrêmes est une
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