Impacts du changement climatique sur l`hydrologie des fleuves

THESE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSITE DE PERPIGNAN
Discipline: Hydroclimatologie
Présentée le 12 Décembre 2008 par :
Franck Lespinas
Impacts du changement climatique sur l’hydrologie des
fleuves côtiers en région Languedoc-Roussillon
Jury composé de Mesdames et Messieurs:
G. MAHE ……………………………………........ Rapporteur
W. CRAMER …………………………………….. Rapporteur
S. PLANTON ….…………………………………. Examinateur
W. LUDWIG …………………………………...... Directeur de thèse
Y. CABALLERO ……………………………........ Examinateur
N. FOLTON …………………………………........ Examinateur

TABLE DES MATIERES
- 1 -
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION..................................................................................................................................................5
CHAPITRE I - CHANGEMENT CLIMATIQUE ET CYCLE HYDROLOGIQUE: DE L’ECHELLE
GLOBALE A L’ECHELLE LOCALE............................................................................................................... 9
I.1. Quelques rappels sur le système climatique............................................................................................... 10
I.1.1. Climat et système climatique : définitions et principaux mécanismes............................................... 10
I.1.2. Caractéristiques générales de la circulation atmosphérique ............................................................... 13
I.1.3. Climat et cycle de l’eau...................................................................................................................... 16
I.1.4. Climat et cycle de l’eau en Méditerranée........................................................................................... 19
I.2. Le changement climatique à l’échelle globale........................................................................................... 21
I.2.1. Définition du changement climatique ................................................................................................ 21
I.2.2. Le réchauffement climatique actuel ................................................................................................... 21
I.2.3. Impact sur le cycle hydrologique ....................................................................................................... 24
I.2.4. Projections des changements climatiques futurs ................................................................................ 27
I.3. Le changement climatique en Méditerranée.............................................................................................. 31
I.3.1. Tendances récentes............................................................................................................................. 31
I.3.2. Projections pour le 21
ème
siècle .......................................................................................................... 33
I.3.2.1. Projections des modèles globaux................................................................................................ 33
I.3.2.2. Projections des modèles régionaux............................................................................................. 35
I.4. Le changement climatique en France........................................................................................................ 38
I.4.1. Tendances récentes............................................................................................................................. 38
I.4.1.1. Evolution des conditions climatiques......................................................................................... 38
I.4.1.2. Evolution des conditions hydrologiques..................................................................................... 40
I.4.2. Tendances futures............................................................................................................................... 41
I.4.3. Cas du Languedoc-Roussillon............................................................................................................ 45
CHAPITRE II - ANALYSE DU CHANGEMENT DES CONDITIONS HYDROCLIMATIQUES -
DONNEES ET METHODES............................................................................................................................. 48
II.1. Choix de la zone et de la période d’étude................................................................................................. 49
II.1.1. Zone d’étude ..................................................................................................................................... 49
II.1.2. Période d’étude ................................................................................................................................. 51
II.2. Données hydroclimatiques........................................................................................................................ 52
II.2.1. Précipitations mensuelles et journalières .......................................................................................... 52
II.2.1.1. Choix des stations ..................................................................................................................... 52
II.2.1.2. Comblement des lacunes........................................................................................................... 52
II.2.1.3. Tests de rupture......................................................................................................................... 55
II.2.1.4. Indices de pluviométrie............................................................................................................. 57
II.2.1.5. Spatialisation des données......................................................................................................... 59
II.2.2. Températures mensuelles.................................................................................................................. 60
II.2.2.1. Choix des stations ..................................................................................................................... 60
II.2.2.2. Comblement des lacunes........................................................................................................... 61
II.2.2.3. Tests de rupture......................................................................................................................... 61
II.2.2.4. Spatialisation des données......................................................................................................... 61
II.2.3. Autres paramètres climatiques.......................................................................................................... 64
II.2.4. Débits mensuels et journaliers .......................................................................................................... 64
II.2.4.1. Choix des stations ..................................................................................................................... 64
II.2.4.2. Comblement des lacunes........................................................................................................... 65
II.2.4.3. Indices d’écoulements extrêmes................................................................................................ 66
II.3. Données climatiques à grande échelle ..................................................................................................... 69
II.3.1. Indices de la circulation atmosphérique............................................................................................ 69

TABLE DES MATIERES
- 2 -
II.3.1.1. L’Oscillation Nord-Atlantique (ONA)...................................................................................... 69
II.3.1.2. L’Oscillation Méditerranéenne Occidentale (OMO)................................................................. 71
II.3.1.3. Autres indices de la CAGE ....................................................................................................... 73
II.3.2. Données de Réanalyses..................................................................................................................... 75
II.3.2.1. Qu’est ce qu’une réanalyse ?..................................................................................................... 75
II.3.2.2. Les Réanalyses NCEP............................................................................................................... 77
II.3.2.3. Les Réanalyses ERA-15 et ERA-40.......................................................................................... 78
II.4. Analyses des relations entre paramètres .................................................................................................. 79
II.4.1. Comment étudier l’influence de la CAGE sur les conditions climatiques de surface ?.................... 79
II.4.2. Analyses de corrélation..................................................................................................................... 82
II.4.3. Analyses en composantes principales............................................................................................... 84
II.4.4. Analyses des corrélations canoniques............................................................................................... 85
II.5. Analyses des évolutions temporelles......................................................................................................... 88
II.6. Caractérisation des bassins versants........................................................................................................ 90
II.6.1. Morphologie et limites des bassins versants..................................................................................... 90
II.6.2. Natures des roches et des sols........................................................................................................... 90
II.6.2.1. Lithologie.................................................................................................................................. 90
II.6.2.2. Sols............................................................................................................................................ 93
II.6.3. Végétation et occupation des sols..................................................................................................... 95
II.6.3.1. Les données CORINE Land Cover ........................................................................................... 95
II.6.3.2. Les données de l’Institut Forestier National.............................................................................. 98
II.6.4. Pressions anthropiques...................................................................................................................... 99
II.6.4.1. Population ................................................................................................................................. 99
II.6.4.2. Barrages et prélèvements d’eaux............................................................................................. 101
CHAPITRE III - EVOLUTION RECENTE DES CONDITIONS HYDROCLIMATIQUES ...................106
III.1. Conditions hydroclimatiques moyennes................................................................................................ 107
III.1.1. Climat............................................................................................................................................ 107
III.1.1.1. Températures ......................................................................................................................... 107
III.1.1.2. Précipitations ......................................................................................................................... 108
III.1.1.3. Indices pluviométriques......................................................................................................... 111
III.1.2. Hydrologie..................................................................................................................................... 113
III.2. Tendances.............................................................................................................................................. 119
III.2.1. Températures................................................................................................................................. 119
III.2.2. Précipitations................................................................................................................................. 121
III.2.2.1. Précipitations annuelles et mensuelles................................................................................... 121
III.2.2.2. Indices pluviométriques......................................................................................................... 123
III.2.3. Débits............................................................................................................................................. 127
III.2.3.1. Débits spécifiques moyens..................................................................................................... 127
III.2.3.2. Indices d’écoulements extrêmes ............................................................................................ 129
III.3. Relations avec la circulation atmosphérique ........................................................................................ 132
III.3.1. Relations avec les indices de la circulation atmosphérique ........................................................... 132
III.3.1.1. Indices relatifs au champ de pression en surface ................................................................... 132
III.3.1.2. Indices relatifs au champ de pression à mi-altitude ............................................................... 136
III.3.2. Relations avec la circulation atmosphérique à mi-altitude ............................................................ 141
III.3.2.1. Principe de l’utilisation des Analyses de Corrélations Canoniques ....................................... 141
III.3.2.2. Températures ......................................................................................................................... 142
III.3.2.3. Précipitations ......................................................................................................................... 152
III.4. Mécanismes associés aux évolutions hydrologiques............................................................................. 162
III.4.1. Influence de l’évolution des conditions climatiques...................................................................... 162
III.4.2. Influence des activités humaines ................................................................................................... 170
CHAPITRE IV – APPLICATION D’UN MODELE PLUIE-DEBIT POUR ETUDIER L’IMPACT DU
CHANGEMENT CLIMATIQUE SUR LES RESSOURCES EN EAU....................................................... 176
IV.1. Présentation du modèle......................................................................................................................... 177
IV.1.1. Choix du type de modélisation...................................................................................................... 177

TABLE DES MATIERES
- 3 -
IV.1.2. Le modèle GR2M.......................................................................................................................... 178
IV.1.3. Choix de la résolution spatiale ...................................................................................................... 181
IV.2. Optimisation des paramètres................................................................................................................. 183
IV.2.1. Technique d’optimisation.............................................................................................................. 183
IV.2.2. Fonction objective......................................................................................................................... 184
IV.2.3. Critères d’efficacité....................................................................................................................... 185
IV.3. Adaptation du modèle GR2M aux bassins versants de la région Languedoc-Roussillon...................... 187
IV.3.1. Constitution des donnés d’entrée................................................................................................... 187
IV.3.2. Mise au point d’un module neige.................................................................................................. 189
IV.4. Phase de calage..................................................................................................................................... 191
IV.4.1. Influence du point de départ.......................................................................................................... 191
IV.4.1.1. Choix des limites et des points de départ............................................................................... 191
IV.4.1.2. Analyse des paramètres calés ................................................................................................ 192
IV.4.1.3. Analyse des performances..................................................................................................... 194
IV.4.2. Options optimales de modélisation................................................................................................ 195
IV.4.2.1. Meilleure combinaison de données d’entrées........................................................................ 195
IV.4.2.2. Choix des périodes de calage/validation................................................................................ 197
IV.4.3. Calage/validation du modèle......................................................................................................... 200
IV.5. Analyses de sensibilité........................................................................................................................... 205
IV.5.1. Sensibilité du modèle aux variations sur les paramètres optimisés............................................... 205
IV.5.2.1. Performances de la fonction objective................................................................................... 205
IV.5.2.2. Bilans volumiques ................................................................................................................. 206
IV.5.2. Sensibilité du modèle aux variations sur les données d’entrée...................................................... 209
IV.5.2.1. Sensibilité du modèle aux précipitations ............................................................................... 210
IV.5.2.2. Sensibilité du modèle à l’ETP ............................................................................................... 213
IV.5.2.3. Sensibilité à la capacité du réservoir sol................................................................................ 215
IV.5.2.4. Conclusions sur la sensibilité du modèle aux données d’entrée ............................................ 218
IV.6. Capacité du modèle à reproduire les tendances.................................................................................... 219
IV.6.1. Tendances observées sur la période 1965-2004 ............................................................................ 219
IV.6.2. Tendances simulées sur la période 1965-2004.............................................................................. 221
IV.6.3. Ajustement du modèle aux tendances observées........................................................................... 223
IV.6.3.1. Relations entre paramètres et conditions climatiques............................................................ 223
IV.6.3.2. Modélisation avec paramètres évolutifs................................................................................. 227
CHAPITRE V – IMPACTS POTENTIELS DU CHANGEMENT CLIMATIQUE SUR LES
RESSOURCES EN EAU A LA FIN DU XXI
ème
SIECLE............................................................................. 235
V.1. Régionalisation du changement climatique............................................................................................ 236
V.1.1. Problématique................................................................................................................................. 236
V.1.1.1. Les modèles climatiques globaux ........................................................................................... 236
V.1.1.2. Limitations des MCGAO........................................................................................................ 237
V.1.1.3. Implications pour notre étude.................................................................................................. 238
V.1.2. Désagrégation dynamique............................................................................................................... 240
V.1.2.1. Modèles climatiques à haute résolution.................................................................................. 240
V.1.2.2. Modèles climatiques régionaux « emboîtés » ......................................................................... 241
V.1.3. Désagrégation statistique................................................................................................................ 242
V.1.3.1. Principe................................................................................................................................... 242
V.1.3.2. Méthodes de désagrégation statistique.................................................................................... 243
V.1.4. Avantages et inconvénients des deux approches ............................................................................ 245
V.1.5. Méthodologie de régionalisation adoptée....................................................................................... 247
V.2. Projections climatiques du projet PRUDENCE...................................................................................... 249
V.2.1. Description du projet ...................................................................................................................... 249
V.2.1.1. Objectifs.................................................................................................................................. 249
V.2.1.2. Critiques.................................................................................................................................. 251
V.2.2. Choix des scénarios climatiques..................................................................................................... 251
V.2.3. Validation des simulations de contrôle: période 1961-1990........................................................... 253
V.2.4. Changements simulés sur la période 2071-2100............................................................................. 258