Présentation - Pôle Alpin d`études et de recherche pour la

TITRE
Evolution climatique
et risque de crue ?
Le cas des rivières alpines
Benoît Hingray - LTHE / CNRS
Colloque Isère 1859-2009
PGRN – 6 Nov. 2009
Contenu de la présentation
• Changement climatique
et régimes hydrologiques des rivières alpines
– Sensibilité du climat régional au changement climatique
– Impacts attendus sur l’hydrologie
• Méthodologie pour les études d’impact
– Modèles et méthodes pour la production de scénarios météorologiques
– Limitations actuelles
• Changement climatique et risque de crue
– Éléments de réponse
• Conclusion
Colloque Isère 1859-2009
PGRN – 6 Nov. 2009
Bassins alpins et changement climatique
Quel climat futur pour les Alpes ?
les projections du projet européen PRUDENCE
Scénario d’émission SRES A2 / 3 AOGCMs, 9 RCMs, 12exp. clim. (18 avec membres)
Alpes suisses
Réchauffement régional [°C]
(Réchauffement global : 3,2°C)
An
Méd.
4.0
DJF MAM JJA
3.5
3.4
SON
5.1
Sensibilité climatique accrue sur les Alpes
Min
3.3
2.6
2.5
4.3
Max
6.2
5.2
6.1
8.3
4.4
3.2
5.9
Modification des précipitations
[FUT/CTRL en %]
An
Méd.
-8.0
DJF MAM JJA
+16
0.0
-25.0
SON
-10.0
Bassins alpins et changement climatique
Quel climat futur pour les Alpes ?
les projections du projet européen PRUDENCE
Scénario d’émission SRES A2 / 3 AOGCMs, 9 RCMs, 12exp. clim. (18 avec membres)
Alpes suisses
10
Réchauffement régional [°C]
(Réchauffement global : 3,2°C)
3.2
5.9
Méd.
-8.0
DJF MAM JJA
+16
0.0
-25.0
-0.5
2
0
-1.0
DJF
Modification des précipitations
[FUT/CTRL en %]
An
4
SON
-10.0
XMT (°C)
-températures
saisonnières
SON
Sensibilité climatique accrue sur les Alpes
Min
3.3
2.6
2.5
4.3
Max
6.2
5.2
6.1
8.3
4.4
JJA
5.1
MAM
3.4
DJF
3.5
0.0
6
SON
4.0
SON
JJA
Méd.
DJF MAM JJA
8
MAM
An
0.5
XMP (-)
-précipitations
saisonnières
Bassins alpins et changement climatique
Effets attendus sur le régime hydrologique des rivières alpines
•  limite pluie / neige,  proportion des précipitations solides,
 enneigement (durée et importance) et  glaciers
Rosegbach – 67km2 // Z50 = 2710m : Surface Glacier : présent 27% - futur : 1 à 5%
• Avancement de la période de fonte de neige,
arrivée précoce de l’onde de fusion et atténuation de son amplitude.
Rosegbach : - 1 à 2 mois
•  débit annuel moyen
( évaporation,  précipitations annuelles)
Rosegbach : Qan -22% (de -41% à -13%)
Rosegbach – 67km2 // Z50 = 2710m
A2
 débits d’étiage en hiver
 soutien d’étiage estival
•  variabilité interannuelle des débits annuels
Rosegbach : CV-Qan (de +45% à +85%)
• Effet sur les crues : ???
Horton et al., 2005
Méthodologie d’évaluation des changements
Des scénarios hydro-météorologiques
et des modèles de simulation ….
Scénarios
météorologiques
Simulation hydrologique
pour l’hydrosystème
Scénarios
hydrologiques
Diverses applications : production de
scénarios pour :
- climat modifié,
- climat présent et bassins peu jaugés,
- prévisions hydro-météorologiques
Méthodologie d’évaluation des changements
Scénarios à disposition pour le climat futur
Modèles climatiques
globaux (MCGs)
Modèles climatiques
régionaux (MCRs)
Scénarios SRES
(IPCC, 2001)
A1F1 : High Emissions
A2 : Medium-High Emissions
B2 : Medium-Low Emissions
B1 : Low Emissions
Méthodologie d’évaluation des changements
Biais / Temp. Moy. [°C]
Limites des modèles climatiques :
- Résolution spatiale trop grossière
Pour les études d’impact
- Biais importants
Sur diverses variables de surface
Biais/ Précip. Moy. [%]
Van Ulden&Van Oldenborgh
(ACP. 2006)
Performance de 23 AOGCMs
(4th Assess.Rep. de l’IPCC)
Circulation atmosphérique (mslp) :
-18 AOGCMS avec perf. insuffisante
Pour 5 meilleurs AOGCMS :
- Temp. : de -5 à +2 °C
- Précip. : biais humide de 0 à +50%
Scénarios météorologiques futurs : MDES
Modèles de descente d’échelle
statistique (MDES)
Variables mét. synoptiques
variables météorologiques locales M(t)
= fonction de diverses variables atmosphériques à
l’échelle synoptique
f
M(t) = [C(t)]+e(t)
gph700
rhum700
M(t) = P(t), T(t), V(t)…
C(t) : circulation atmosphérique
e(t) : erreur
Modèles / Variables explicatives :
- WGEN : types de temps
- Analogues : champs de circulation atmosphérique
- F° Transfert : indices synthétiques de circulation
Précip.
Mise en œuvre :
- Apprentissage sur le climat observé
(Réanalyses météo. NCEP / ERA40 + obs P, T, ...),
- Application pour le climat futur simulé par le MCRx
Variables mét. locales
Scénarios météorologiques futurs : MDES
3 hypothèses
H1 : les variables utilisées pour décrire la
circulation atmosphérique à l’échelle
synoptique
-sont physiquement pertinentes pour
expliquer les variables météorologiques
locales
- ont un pouvoir explicatif fort,
Variables mét. synoptiques
gph700
rhum700
Problème :
pouvoir explicatif limité
en particulier pour les précipitations
Précip.
Variables mét. locales
Illustration : Scénarios de crue pour le Rhône – climat présent
ddwgen : MDES+DISAG (Mezghani, 2009)
41ans Réanalyses NCEP
Indices de circulat°
Adaptat° stat.
Désagrégation
Var. météo.
journal. régio.
Var. météo.
Hor. distrib.
GLM sur base ICGs
Méthode analogique
Séries multisite horaire de P / T / T
Illustration : Scénarios de crue pour le Rhône – climat présent
ddwgen : MDES+DISAG (Mezghani, 2009)
41ans Réanalyses NCEP
Indices de circulat°
Variance expliquée
par le MDES pour :
- 48 stations – points
- 6 sous régions - croix;
- Le bassin complet : carré
Adaptat° stat.
Désagrégation
Var. météo.
journal. régio.
Var. météo.
Hor. distrib.
GLM sur base ICGs
Méthode analogique
Séries multisite horaire de P / T / T
Précip.
Précip.
Occurrence
journalière
Hauteurs
journalières
Nécessité : bruitage stochastique
de l’espérance des
variables expliquées
Cumulative probability
1
(estimation modèle
de la variable cible)
.5
0
0%
Résultats de la génération :
N scénarios multisite horaire pour le
bassin considéré
36%
50% 0%
19%
50%
Illustration : Scénarios de crue pour le Rhône – climat présent
41ans Réanalyses NCEP
ddwgen : MDES+DISAG (Mezghani, 2009)
Indices de circulat°
Adaptat° stat.
Désagrégation
Var. météo.
journal. régio.
Var. météo.
Hor. distrib.
GLM sur base ICGs
Méthode analogique
Séries multisite horaire de P / T / T
Résultats des générations effectuées :
50 scénarios multisite horaire sur 1982-2001
Précip. maximales / période automnale
1
2
3
8
Pmax-72h
Pmax-24h
20 (T)
1
2
3
8
20 (T)
1
2
3
8
20 (T)
Débit horaire (m3/s)
Pmax-3h
Débits de crue
Qmax-1h
Porte du Scex
Densité de probabilité
Scénarios météorologiques futurs : MDES
3 hypothèses
H2 : les variables explicatives sont correctement simulées par les modèles climatiques ,
Problèmes :
- Variables atmosphériques basiques : distributions statistiques souvent mal simulées
- Types de temps : fréquences, durées, probabilités de transition parfois mal reproduites
•
Van Ulden&Van Oldenborgh
(ACP. 2006)
Vent zonal – Moy. Europe [m/s]
Vent méridien – Moy. Europe [m/s]
Scénarios météorologiques futurs : MDES
3 hypothèses
Variables mét. synoptiques
H3 : les relations d’échelle identifiées
entre variables locales et synoptiques
pour la situation climatique actuelle
ne seront pas modifiées dans le futur.
gph700
Problèmes :
- hypothèse de stationnarité difficile à
évaluer,
- hypothèse critique pour les situations
exceptionnelles jamais encore observées
- apparition possible de nouveaux types
de temps
rhum700
Précip.
Variables mét. locales
Question 2 : Risques hydrologiques alpins futurs
• Autres sources de difficultés
• Modèles hydrologiques
• constat : limités pour la situation actuelle
• modèles adaptés pour climat futur ? processus fut. prépondérants ? ...
• Modification de la couverture du bassin et aménagements ?
Générateurs
de scénarios météorologiques
Scénarios météorologiques
Modèle d’évolution du milieu
Occupation des sols
Aménagements
Scénarios physiques futurs
Modèle hydrologique
de bassins versants
Scénarios hydrologiques
Modification couvert végétal
Retrait glaciaire…
Limite inférieure du permafrost
Conclusion : estimation quantitative du risque de crue futur : impossible
Question 2 : Risques hydrologiques alpins futurs
• Eléments de réponse : 1/ augmentation des températures et isotherme 0°C
Bassin du Rhône supérieur
Tm +/- SIGMA [°C]
20.0
Z0  Z R 
10.0
0.0
0
100
200
300
400
-10.0
TR (t0 )
T (t0 )
ZR : 2150m = altitude médiane Rhône sup.
TR(t0) : temp. estimée à Z50 pour le jour t0
T = -0.55°C/100m
-20.0
Courbe Hypsométrique du bassin
Jour[m]
calendaire
Altitude de l'iso.0°C
pour Tm-s, Tm, Tm+s
5000
5000
4000
4000
Altitude [m]
Rhône – Porte du Scex
3000
2000
1000
3000
2000
1000
0
0
0
100
200
Jour calendaire
300
400
0
0.2
0.4
0.6
Surface Cumulée A [%]
0.8
1
T et Isotherme 0°C
% Surface contributive
100
80
60
Ac-FUT / Ac-CTRL pour Tm-, Tm, Tm+ (FUT = A2 Méd)
3
40
20
R(Tm-s)
0
0
50
100
150
200
Jour julien
250
300
350
2
400R(Tm)
R(Tm+s)
1erNov
1
CTRL
Rhône – Z50 = 2146m
R(Tm-s)
0
Scénario A2 - q50 PRUDENCE :
Trégional = 4°C
0
50
100
150
200
250
300
350
400R(Tm)
Jour julien
% Surface contributive
R(Tm+s)
Rapport : Surface contributive FUTUR
100
Surface contributive CTRL
80
60
1er Novembre : Pour scénario A2-q50
R varie de 1.1 à 2 !
Surface contributive Ac : +10 à +100% !!!
40
20
R(Tm-s)
0
0
50
100
150
200
Jour julien
250
300
350
400R(Tm)
R(Tm+s)
T et Isotherme 0°C
• Influence de la courbe hypsométrique du bassin
Chablais
z [m]
Viège
5000
Ac-FUT / Ac-CTRL pour Tm-, Tm, Tm+ (FUT = A2 Méd)
3
4000
+750m
3000
Z0°C (1er Nov)
RhonePdS
Viège
2
PdScex
2000
1
1000
Rhône – Z50 = 2146m
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
R(Tm-s)
0
1.0
0
Surf.Cum [%]
3
3
2
2
1
1
0
100
150
200
Jour julien
250
150
200
250
300
350
400R(Tm)
Chablais – Z50 = 1459m
Viège – Z50 = 2731m
50
100
Jour julien
Ac-FUT / Ac-CTRL pour
Tm-, Tm, Tm+ (FUT = A2 Méd) R(Tm+s)
Ac-FUT / Ac-CTRL pour Tm-, Tm, Tm+ (FUT = A2 Méd)
0
50
300
350
R(Tm-s)
400
R(Tm)
R(Tm+s)
R(Tm-s)
0
0
100
200
Jour julien
300
400
R(Tm)
R(Tm+s)
Effet sur les crues ?
• Effet de la température sur la crue 14.10.2000
Précip. Binn Simplon – P72h00
100 à 150 mm sur Rhône
500 à 650 mm sur Binn-Simplon
Viège à Viège
789km2
Qmax Rhone Porte du Scex
reconstitué : 1600m3/s
simulé : 1900m3/s – T 100 à 150 ans
Brigue : 600m3/s – Viège : 250m3/s (Acum = 30% Rhone PdS)
Qm3/s
Scénario T1 Tre- obs
550
Scénario T2 (+/-Tre-2°C à3200m
450
Scénario T3 (+/-Tre-4°C à3200m
Scénario : Tre observée +4°C
320
= surplus de débit sur la Viège
de 200 à 300m3/s
Soit
+ 15 à 20% de Qmax
à Porte du Scex
250
Qmax Reconstitué
Isère 1859 + 4°C ???
80
0
Fonte
LE [mm]
20
Pluie Solide
Stock Neige
Qobs
40
40
Qsim
S0/ X1=0.68
R0/ X3= 0.43
20
60
0
80
1/10
8/10
15/10
22/10
29/10
5/11
Précip et SWE [mm]
Pluie Liquide
60
80
12/11
0
Fonte
LE [mm]
20
Pluie Solide
Stock Neige
Qobs
40
40
Qsim
S0/ X1=0.68
R0/ X3= 0.43
20
60
Précip et SWE [mm]
Pluie Liquide
60
Situation 1859
0/ Humectation bassin 1-19 oct : 79mm
1/ Accumulation Neige 19-29 oct : 60 mm
2/ Précip+Fonte 31/10+01/11 : 87+40 mm
Situation 1859+4°C
1/ Accumulation moindre : 20mm
2/ Précip+Fonte moindre : 90 mm
(même si tout le stock neigeux est mobilisé)
3/ +/- compensée par humectation
plus importante du bassin
Bilan : Réduction Qmax 10%
0
1/10
8/10
15/10
22/10
29/10
5/11
80
12/11
Importance déterminante de la séquence météorologique
T et Précipitations maximales futures
• La relation de Clausius Clapeyron
– La pression de vapeur saturante es [kPa]
est fonction de la température de l’air T [°C]
 17.27  T 
es (T )  0.6108 exp 

 T  237.3 
es
   T
es
Avec
 = 6,44% pour T = 15°C
 = 5,96% pour T = 25°C
Donc : augmentation de Tair
Augmentation de la quantité maximale
de vapeur d’eau que peut contenir une
parcelle d’air
T et Précipitations maximales futures
• Effet de T sur précipitations maximales
– Facteur limitant des Précip. maximales:
la capacité de stockage de vapeur d’eau de l’atmosphère, i.e. es
Pmax es

Pmax
es
Donc on attend
Pour HadCM3, FUT = 2070-2100
es
 6.4%  T
es
PFUT [r ]
[%]
PCTRL [r ]
P[r] [mm/j]
FUT
CTRL
= 23 % avec DTg = 3.6°C
FUT/CTRL
23%
Ce qu’en disent les modèles:
Allen et Ingram, 2002
Mais importance de
origine des masses d’air et donc de
la modification de la circulation
In Boé, 2007
Conclusions et perspectives
• Modèles climatiques et modèles d’adaptation encore peu fiables
– Pour quantifier les modifications à attendre
de la circulation atmosphérique
– Pour quantifier les modifications induites
sur les précipitations maximales
– Pour simuler des séquences météorologiques P+T potentiellement
critiques pour la génération des crues
• Effets néanmoins attendus sur les crues dans les Alpes
– Clausius Clapeyron : Des précipitations extrêmes plus intenses
– Isotherme 0°C : Des surfaces contributives plus grandes
pour la période automnale avec une sensibilité plus grande pour les
bassins de haute altitude
Conclusions et perspectives
• Des incertitudes majeures liées
– À la méconnaissance du risque de crue actuel du fait des nombreux
facteurs anthropiques perturbant le régime naturel des bassins (grands
barrages, micro-centrales, digues et forêts de protection)
– Aux scénarios d’émission de gaz à effet de serre incertains
– Aux modèles imparfaits (GCMs, RCMs, MDES, M.Hydro) et en
particulier à leur validité non assurée en climat modifié
– A l’évolution future méconnue des bassins versants (végétation,
retrait glaciaire...) et de leur comportement (activation de non-linéarités)
en situation de crue majeure
• Risque = danger + vulnérabilité :
– quelle modification des vulnérabilités aux crues ?
– risque de crue a priori modéré à l’avenir par l’introduction
des systèmes de prévision et de gestion préventive
des aménagements hydrauliques
©MIX
 REMIX
Merci de votre attention…