Contribution à l`étude de la variabilité hydroclimatique et de

M ÉMOIRE POUR L ’ OBTENTION DU DIPLÔME D ’ HABILITATION À DIRIGER DES R ECHERCHES
S PÉCIALITÉ : T ERRE – U NIVERS - E NVIRONNEMENT
Contribution à l’étude de la variabilité hydroclimatique
et de ses effets sur la ressource en eau, les hydrosystèmes,
et les risques hydrométéorologiques
Novembre 2014
Benoît Hingray
C ENTRE NATIONAL DE LA R ECHERCHE S CIENTIFIQUE
L ABORATOIRE D ’E TUDE DES T RANSFERTS EN H YDROLOGIE ET E NVIRONNEMENT

Sommaire
Partie I : Bilan des activités de recherche et d’enseignement
1. B ILAN GÉNÉRAL .............................................................................................................. 1
2. C URRICULUM V ITAE ........................................................................................................ 6
3. R ECHERCHES SCIENTIFIQUES .......................................................................................... 9
3.1. Estimation des crues et inondations en milieux urbain et rural ................................ 9
3.2. Modélisation, prévision et variabilité hydrologique en milieu naturel ou anthropisé12
3.3. Génération stochastique de temps et régionalisation statistique du climat ............ 20
3.4. Variabilité climatique, variabilité hydrométéorologique, impacts et incertitudes . 33
3.5. Conclusion .............................................................................................................. 47
4. A NIMATION ET ORGANISATION DE LA RECHERCHE ET DE L ’ ENSEIGNEMENT ....................... 49
4.1. Responsabilité et gestion de projets de recherche .................................................. 49
4.2. Animation et administration de la recherche et de l’enseignement ....................... 51
5. E NSEIGNEMENT / FORMATION / DIFFUSION ...................................................................... 53
5.1. Enseignement et charges de cours .......................................................................... 53
5.2. Ouvrages pédagogiques et exercothèque ............................................................... 53
5.3. Organisation de conférences et workshops. ........................................................... 55
5.4. Diffusion de données et modèles ........................................................................... 55
5.5. Encadrement d’étudiants et de jeunes chercheurs .................................................. 56
6. R ÉFÉRENCES (P H D) CITÉES .......................................................................................... 62
Partie II : Projet de Recherche
1. C ONTEXTE GÉNÉRAL ET MOTIVATIONS ........................................................................... 66
2. R ESSOURCE EN EAU ET ÉNERGIES INTERMITTENTES : COVARIABILITÉ ET INTERACTIONS ... 67
2.1. Cofluctuations entre énergies intermittentes à différentes échelles ....................... 68
2.2. Implication pour la gestion de la ressource en eau. ................................................ 69
2.3. Scénarios météorologiques multivariés à l’échelle continentale ............................ 69
3. V ARIABILITÉ HYDROMÉTÉOROLOGIQUE ET VARIABILITÉ CLIMATIQUE ................................ 70
3.1. Variabilité multidécennale sur le 20
ème
siècle. ....................................................... 71
3.2. Scénarios régionaux futurs : génération d’ensemble et sous-sélection .................. 72
3.3. Scénarios régionaux futurs : significativité des changements estimés ................... 72
4. I NSERTION DU PROJET DE RECHERCHE ........................................................................... 73
Partie III : Publications et travaux 75

Bilan des activités de recherche et d’enseignement
16.11.14 – Benoît Hingray 1/74
1. Bilan général
Les communautés humaines sont de plus en plus confrontées à deux défis majeurs : valoriser
au mieux et de façon durable les différentes ressources renouvelables associés au cycle
hydrologique (e.g. ressources en eau, biomasse, énergies intermittentes), et réduire au mieux leur
vulnérabilité face aux événements hydrométéorologiques extrêmes (e.g. crues, sécheresses,
tempêtes).
Vouloir gérer de façon optimale la ressource, les risques et les impacts associés suscite de
nombreuses questions scientifiques et techniques à caractère souvent opérationnel. Ces dernières
relèvent soit du domaine de la prévision en temps réel, pour des objectifs de gestion à court ou
moyen terme, soit du domaine de la planification, pour des objectifs de gestion long terme ou des
objectifs d’adaptation dans un contexte de changement global.
Cela suscite aussi diverses questions scientifiques à caractère plus fondamental. A l’échelle
régionale, elles visent en particulier à mieux comprendre les différents facteurs explicatifs de la
variabilité hydrométéorologique observée et à estimer comment ces facteurs sont amenés à changer
au cours des décennies à venir, en particulier du fait du changement global en cours. Elles visent
aussi à développer les modélisations et les outils d’analyses adéquats pour estimer les implications
opérationnelles de ces changements estimés.
Les activités de recherche auxquelles j’ai participé et que j’ai supervisées pour beaucoup
depuis les années 2000, ont pour but de répondre à trois thématiques clés relevant de
l’hydrométéorologie : mieux caractériser la ressource en eau, appréhender la vulnérabilité et la
durabilité des systèmes qui y sont liés, acquérir des connaissances sur les risques
hydrologiques et les impacts associés.
J’ai effectué ma thèse de 1995 à 1999 sous la cotutelle de l’IRD
1
et de l’Université de
Monptellier II. Dans un contexte de vulnérabilité croissante des populations du Sud face au risque
d’inondation, j’ai étudié, pour la ville de Ouagadougou, la possibilité de caractériser ce risque.
De 1999 à fin 2006, j’ai été responsable de l’équipe de recherche en hydrologie au
Laboratoire Hydrologie et Aménagement (HYDRAM) du Prof. Musy à l’Ecole Polytechnique
Fédérale de Lausanne (EPFL). Les activités de recherche que j’y ai dirigées ont visé à étudier et à
caractériser la variabilité hydrométéorologique et le risque d’inondation d’hydrosystèmes
ruraux et alpins, fortement englacés pour certains, dans des contextes de climat présent
(prévision, prédétermination) et de climat futur (changement climatique).
1
Institut de Recherche pour le Développement

Bilan des activités de recherche et d’enseignement
16.11.14 – Benoît Hingray 2/74
Ceci m’a conduit à traiter différentes questions liées 1) à la génération de scénarios
hydrométéorologiques, 2) à la modélisation et à la régionalisation hydrologiques et 3) à la
caractérisation et à la propagation des incertitudes hydrométéorologiques.
Depuis mon recrutement au CNRS
2
en 2007, je poursuis ces activités de recherches à
Grenoble, au Laboratoire d’Etudes des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE). Outre
les questions citées ci-dessus, je me suis attaché à approfondir les questions liées en particulier 1) à
la régionalisation du climat et aux facteurs atmosphériques explicatifs de la variabilité
hydrométéorologique observée, 2) à l’estimation de l’impact du changement climatique sur la
ressource en eau, sur les ressources énergétiques associées, sur leur équilibre avec la demande
et sur leur gestion, 3) à l’évaluation – orientée applications, des différents modèles de la chaîne
de modélisation nécessaire à cette estimation et 4) à l’estimation de la significativité des
changements estimés pour le siècle à venir au regard en particulier de la variabilité interne des
chaînes de modélisation.
Mon principal outil d’investigation est la modélisation, qu’elle soit statistique,
stochastique ou déterministe. J’ai développé avec mes collègues de l’EPFL le modèle hydro-nivo-
glaciologique GSM-Socont (Schaefli et al. 2005) ainsi que le modèle de descente d’échelle
statistique d2gen pour la génération de scénarios hydrométéorologiques régionaux (Mezghani et
Hingray, 2009). Mon approche de modélisation s’est enrichie au LTHE d’une démarche de
modélisation intégrée et pluridisciplinaire, embarquant en particulier différentes
problématiques liées à la régionalisation du climat et à la gestion de la ressource en eau
(gestion multi-usages) et des ressources en énergies intermittentes. Les modèles, complétés
lorsque nécessaire par des modélisations ad hoc (demande agricole, demande hydroélectrique,
production d’énergie hydroélectrique), ont été utilisés en chaîne pour simuler les scénarios
hydrométéorologiques passés, présents et futurs, nécessaires aux analyses d’impact considérées.
La modélisation statistique m’a permis enfin d’explorer et d’identifier les facteurs
principaux explicatifs de la variabilité observée ou simulée, notamment les principaux facteurs
atmosphériques explicatifs de la variabilité météorologique locale. J’ai aussi dans ce contexte
développé le modèle statistique QEANOVA pour la quantification et la séparation des sources
d’incertitudes associées aux ensembles de projections climatiques multi-modèles et multi-
membres.
Ma démarche de modélisation vise à faire le lien entre la variabilité climatique et l’aléa
hydrométéorologique vu par le prisme de la ressource et de sa gestion. Cette démarche
pluridisciplinaire et intégrée permet donc aussi 1) d’améliorer la compréhension des facteurs
gouvernant la variabilité hydrométéorologique régionale et le fonctionnement des
hydrosystèmes, 2) d’améliorer leur représentation dans les modèles et 3) par une meilleure
2
Centre National de la Recherche Scientifique

Bilan des activités de recherche et d’enseignement
16.11.14 – Benoît Hingray 3/74
estimation des aléas, d’améliorer l’estimation des risques hydrométéorologiques, dans un
contexte de climat changeant.
La nécessité de répondre à des problématiques souvent proches de l’opérationnel m’a souvent
conduit à adopter une approche de modélisation parcimonieuse, cohérente en termes de
complexités relatives des différents modèles mis en chaîne et relativement exigeante en termes
de qualité des simulations. La qualité des estimations obtenues en bout de la chaîne de simulation
dépendant en effet de la pertinence et de la qualité des forçages obtenus successivement pour les
échelons supérieurs de la chaîne. Une partie de mes recherches a donc été naturellement dédiée à la
recherche de métriques et de signatures permettant l’évaluation de chacun des différents
modèles utilisés ou développés par nos soins ainsi que l’évaluation de l’ensemble de la chaîne
d’analyse proposée. J’ai aussi exploré et comparé différentes stratégies de modélisation, dans le
but d’en identifier les forces et les faiblesses respectives, et d’identifier par suite la possibilité de les
améliorer.
Mes recherches s’inscrivent pour la plupart dans un cadre relativement finalisé en réponse
aux préoccupations de collectivités locales et/ou d’industriels en charge de la gestion de la
ressource. C’est en particulier le cas pour mes recherches les plus récentes sur des questions
d’anticipation et d’adaptation au changement global. Ce positionnement trouve un écho favorable à
l’échelle nationale et européenne. Depuis 2001, mes activités de recherche sont marquées par une
implication importante dans différents projets régionaux, nationaux et européens, en
partenariat pour beaucoup avec des entreprises privées, telles qu’EDF
3
en France, SINTEF en
Norvège
4
. En tant que participant (et responsable d'actions), coordinateur des contributions
suisses ou françaises ou coordinateur de projet, mon activité a été fortement rythmée par la mise
en place des propositions et des collaborations, par la réalisation et la coordination des recherches et
enfin, par la rédaction des rapports d'avancement. Ces différents projets ont aussi permis de
consolider mes actions en permettant le financement de doctorants et de post-doctorants.
Outre mes responsabilités de coordination de projets ou d’actions de recherche, je participe
plus largement à l’animation scientifique au niveau local : sur des questions de modélisation
hydrologique en particulier à l’EPFL, en tant que responsable de l’équipe hydrologie du
laboratoire HYDRAM ; sur des questions de régionalisation du climat, dans le cadre de l’atelier
« Climat Régional », que je co-anime depuis 2009 au sein de l’OSUG
5
. J’ai participé enfin à
diverses commissions de spécialistes, dont la Commission Recherche du Labex OSUG@2020.
Parallèlement à ces activités de recherche, j’ai eu à cœur de participer à la formation
d’étudiants et de jeunes chercheurs ainsi qu’à la diffusion des connaissances et savoir-faire
scientifiques et techniques développés en hydrométéorologie, en particulier au sein de mes
3
EDF : Electricité de France.
4
SINTEF : Fondation pour la recherche scientifique et industrielle en Norvège.
5
l’Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble