Impact du réchauffement climatique sur l`hydrologie: Scénarios

Impact du réchauffement
climatique sur l’hydrologie:
Scénarios globaux, régionaux et
descente d’échelle
Jean-François Royer, Serge Planton
CNRM/GAME (Meteo-France/CNRS) Toulouse
Daniel Schertzer
CEREVE, Marne-la-Vallée
L’étude du changement climatique
à Meteo France
 Recueil et archivage d’informations sur le climat observé
– Direction de la Climatologie (DCLIM)
• Recueil et homogénéisation de longues séries climatiques
• Création de bases de données
• Etudes sur la détection du changement climatique
 Recherche en modélisation des changements climatiques
– Centre National de Recherches Météorologiques
– Groupe de Modélisation Grande Echelle et Climat (GMGEC)
• Développement de modèles de climat
• Applications à l’étude des mécanismes de changement climatique
• Création de scénarios du climat futur (GIEC)
– (Projections du changement climatique sur le 21-ème siècle)
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Un réchauffement non continu qui s’accélère
Moyenne des températures homogénéisées sur la France
Tendance 1901-2000
(en °/siècle)
1,5
2003
1,0
0,0
2001
1991
1981
1971
1961
1951
1941
1931
1921
1911
1901
Anomalie (°C)
0,5
-0,5
-1,0
Températures
minimales
-1,5
-2,0
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
%/siècle
PRINTEMPS
ETE
EVOLUTION
SAISONNIERE DES
TENDANCES DES
PRECIPITATIONS
HIVER
AUTOMNE
 baisse significative
 baisse non signif.
 hausse non signif.
 hausse signif. (95%)
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Evolution du climat sur la France au 20-ème siècle
-En France, le réchauffement sur le dernier siècle est plus
marqué sur le Sud que sur le Nord. Les températures minimales
se sont plus réchauffées que les températures maximales.
-Comme dans la plupart des régions d’Europe, le nombre de
jours de fortes chaleur a augmenté sur la période récente et l’été
2003 est le plus chaud de la période d’observation.
-On n’observe pas de tendance à l’augmentation des tempêtes
en nombre ou en intensité au cours des cinquante dernières
années. Le nombre d’épisodes de pluies diluviennes dans le
Sud-Est de la France n’a pas non plus significativement
augmenté au cours de la même période.
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Causes des changements climatiques observés:
 La concentration des gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O)
augmente depuis le début de l’ère industrielle (30%, 145%, 15%).
 La variabilité de l’énergie solaire et les éruptions volcaniques
contribuent à la variabilité du climat depuis 1600, mais l’effet du gaz
carbonique a été dominant au cours du XXième siècle
 La similitude entre les simulations numériques du climat sur le
siècle écoulé et les observations des dernières décennies
augmente lorsque l’évolution des concentrations des gaz à effet de
serre et les aérosols sont prises en compte par les modèles
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Evolution des forçages climatiques au 20ème
siècle
Gaz à effet
de serre
Solaire
Volcanique
sulfates
D Stone (2005) http://www.yale.edu/yibs/climate_forum.html
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Comparaison entre la modélisation et les observations de la
température moyenne annuelle à la surface du globe
Simulations avec
forçages naturels
Simulations avec
forçages naturels et
anthropiques
Variations de la température moyenne globale en surface simulées et observées
(GIEC, 2007)
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Comment modéliser le climat futur ?
Un exemple de « système-terre » (CNRM-GAME)
Le modèle climatique couplé global CNRM-CM3
Chimie
MOBIDIC
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Les projections du changement climatique
Les scénarios économiques du GIEC
CO2
Plus
économique
A1
A2
A1B
B1
+CH4, N2O, CFC-11/12
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Plus
mondial
B1
A2
B2
Plus
environnemental
Plus
régional
Moyennes multimodèles et intervalles estimés du réchauffement global
en surface suivant les scenarios économiques (GIEC, 2007)
Source : IPCC 2007 WG1
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Les projections GIEC/ESCRIME
changement des températures à la fin du 21-ème siècle (2090-2099)
CNRM
A2
B1
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
IPSL
Evolution des précipitations
Modèles du projet Européen ENSEMBLES
Scénario A2
http://www.cnrm.meteo.fr/ensembles/
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Scénario B1
Les projections GIEC/ ESCRIME
changement des précipitations à la fin du 21-ème siècle (2090-2099)
CNRM
A2
B1
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
IPSL
Probabilité d’augmentation des précipitations
(A1B 2070-2099)
Nombre des modèles du projet ENSEMBLES simulant une augmentation de
précipitation en 2070-2099 (par rapport à 1961-1990) pour le scénario A1B
(Niehörster et al, 2006, D2A.3.2 report)
http://www.cnrm.meteo.fr/ensembles/
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Pourquoi régionaliser les simulations globales?

Les principaux objectifs de la régionalisation :
– Améliorer la représentation de la variabilité spatiale et temporelle du
climat et de son évolution, en particulier les statistiques des
événements extrêmes climatiques (vagues de chaleurs, fortes pluies,
sécheresses, tempêtes, cyclones, …).
– Faciliter les études d’impacts du changement climatique sur les
différents secteurs socio-économiques (hydrologie, écosystèmes,
santé, …).
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
La nécessité d’une descente d’échelle
Scénarios climatiques globaux
~ 300km
Scénarios climatiques régionaux
~ 20-50 km
Modèles d’impacts
~qq m - qq km
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
La descente d’échelles: différents types de
méthodes
Deux approches complémentaires
Etablir une relation statistique
entre les variables locales et
les prédicteurs modèles
Désagrégation
statistique
Résoudre explicitement la
physique et la dynamique du
système climatique regional
Désagrégation
dynamique
Utilisées de façon indépendante ou combinée
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Qu’est ce que la régionalisation ?

Les grandes classes de méthodes de régionalisation :
– Désagrégation ou descente d’échelle statistique: mise en œuvre au
début des années 90 pour l’étude du changement climatique (Von
storch et al, 1993; Boé et al, 2006; Vrac, 2007; Royer et al, 2008…).
Elle consiste à reproduire le climat par un modèle statistique mis au
point à partir de données d’observations (analogues, générateurs de
temps, régressions, réseaux de neurone, invariance d’échelle …).
– Désagrégation dynamique: aussi mise en œuvre au début des années
90 pour l’étude du changement climatique (Giorgi et al, 1992; Déqué et
al, 1998; Li et al, 2005, …). Elle consiste à reproduire le climat par un
modèle climatique régional à aire limitée ou à maille variable.
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
La régionalisation dynamique des scénarios
climatiques au CNRM
Modèle à maille variable
ARPEGE-Climat
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Modèle à aire limitée
(ALADIN-Climat)
Modélisation climatique régionale: ALADIN-Climat
Développé dans le cadre du
projet Européen ENSEMBLES
Résolution horizontale: 50km ou
25 km
Résolution verticale: 31 niveaux
Forçage aux frontières toutes les
6h: ARPEGE-Climat étiré ou
ERA40
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Changement climatique:
trois menaces pour la France
• fréquence des canicules estivales
• durée des périodes de sécheresse
• augmentation en intensité et fréquence des pluies intenses
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Température estivale à Paris (juin, juillet, août)
Observations ( + ) simulations avec scénario A2
2003
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Nombre de jours de
canicule estivale
A2
A1B
2000
2010
2020
B1
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
2030
2040
2050
Nombre de jours de
canicule estivale
A2
A1B
2050
2060
2070
B1
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
2080
2090
2100
Nombre maximum simulé de jours consécutifs
sans précipitation dans le sud de la France
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Durée des sécheresses estivales
2000-2010
2090-2100
Extrêmes:
Illustrations avec des résultats des scénarios ARPEGE étiré
(A1B-3ème génération)‫‏‬
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
DJF
JJA
Nombre de jours par an avec
précipitations > 20 mm
Climat actuel
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Scénario A2
Les incertitudes
 Nature chaotique du climat
 Quel scénario (A1T, B1, B2, A1B,A2,A1FI) ?
 Quel modèle choisir ?
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Nature chaotique du climat
Nombre de jours de canicule par an 2090-2100:
trois simulations identiques, effet papillon
Incertitudes:
Illustrations avec des résultats des scénarios ARPEGE
étiré ( A2-2ème génération)‫‏‬
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Incertitudes liées aux scénarios d’émission:
pattern identique mais amplitude modifiée
JJAS P change (mm/day) projected by CNRM-CM3
driven by 4 IPCC concentration scenarios
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Quel modèle choisir ?
Mini(10 modèles)‫‏‬
Température estivale
Projet européen PRUDENCE
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Maxi(10 modèles)‫‏‬
Biais et méthodes de correction
 Approche basique: erreur moyenne du modèle
 Réponse du modèle: scénario-contrôle
 Ne marche pas pour les extrêmes (effet de seuil)
 Méthode quantile-quantile
 Nécessité de séries longues observées (40 ou 50 ans) quotidiennes
pas trop mitées, si possible échelle plus fine que le modèle
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Les problèmes posés par la variabilité et
l’hétérogénéité spatiales
 Régionalisation des simulations:
– Transformer les séries simulées sur la grille du modèle en des
séries représentant le comportement à plus petite échelle
• Méthodes statistiques
• Recherche d’analogues (lien entre séries locales et situation
synoptique)
• « weather generators »
• Méthodes multiéchelles (cascades multifractales)
 Prise en compte de l’hétérogénéité sous maille
– Représenter l’effet des échelles non résolues (paramétrisations)
• Ex: nuages, turbulence, processus en surface, orographie
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Quelle méthode utiliser ? Approche statistique ou
dynamique ? (C Dreveton)
 L’approche dynamique est très coûteuse en temps de calcul.
 L’approche statistique est intéressante sous réserve de disposer de
données observées homogènes sur une période suffisamment
longue.
– Elle est conseillée pour des paramètres élaborés et pour disposer
d’informations locales.
 Il est nécessaire de connaître les limites des différentes méthodes, de
les tester/valider/comparer pour l’application étudiée.
– L’approche dynamique permet de disposer de valeurs cohérentes pour
plusieurs paramètres et/ou plusieurs sites.
– Il peut être intéressant de combiner les deux approches, en particulier
pour déterminer statistiquement des périodes d’intérêt pour des
simulations haute résolution.
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Quelle méthode utiliser ? Forces et faiblesses des
méthodes de régression
 Méthodes de régression
– régression linéaire, réseaux de neurones, analyse canonique, corrélation,
krigeage …
 Forces
– Relativement simples à utiliser
– Utilisent une panoplie complète
des prédicteurs disponibles
– Solutions sur étagères et
logiciels disponibles facilement
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
 Faiblesses
– Mauvaise représentation de la
variance observée
– Peuvent supposer la linéarité
ou la normalité des données
– Mauvaise représentation des
phénomènes extrêmes
Quelle méthode utiliser ? Forces et faiblesses des
méthodes « Générateurs »
 Méthodes de générateurs de séries
– chaînes de Markov, modèles stochastiques, durées de périodes sèches,
…
 Forces
– Production de larges ensembles
pour le calcul d'incertitudes ou
des simulations longues
d'extrêmes
– Interpolation spatiale des
paramètres du modèle utilisant
les variables d'environnement ou
des conditions de surface
– Peuvent générer de l'information
à l'échelle sub-quotidienne
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
 Faiblesses
– Ajustement arbitraire des
paramètres pour le climat
futur
– Interactions entre les
paramètres mal prises en
compte
Quelle méthode utiliser ? Forces et faiblesses des
méthodes « Types de temps »
 Méthodes types de temps
– méthode des analogues, approches hybrides, classification, cartes de
circulation générale, méthodes de Monte Carlo …
 Forces
– Relations interprétables
physiquement entre les champs
de grande échelle et les
conditions climatiques de surface
– Nombreuses applications
(peuvent être appliquées aux
variables de surface, à la qualité
de l'air, aux inondations, à
l'érosion, ...)
– Combinaison possible pour
l'analyse des événements
extrêmes
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
 Faiblesses
– Nécessitent un travail
supplémentaire de
classification par type de
temps
– Ne peuvent pas détecter
l’apparition de nouveaux types
de temps
Cas où les méthodes statistiques ne sont pas
appropriées
 lorsque les données observées sont des séries non homogènes ou
trop courtes
 lorsque le forçage de surface doit être pris en compte
– lorsque les interactions avec la surface sont fortes et impactent les
changements locaux de climat
 lorsque les relations statistiques varient dans le temps
– changement climatique des régimes de temps ou changements
climatiques rapides
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Une alternative pour descendre les échelles?
Consensus sur la nécessité (GIEC, GICC-2, etc. ) :
•
•
en dessous du kilomètre pour modéliser les villes?
pour la gestion des réseaux urbains (projet GARP-3C: MétéoFrance, LMD, ENPC, CG93 et 94..)
mais un obstacle fondamental:
•
•
relations grandes/petites échelles non perturbées?
hypothèse implicite:
- corrélations (linéaires ou non) grandes/petites échelles, réseaux de
neurones: fichier d’apprentissage « non perturbé »;
- type de temps: même base, seule les fréquences changent;
- GCM: paramétrisations des petites échelles, …

Alternative:
étudier et prendre en compte l’évolution des flux à travers les échelles!
–

Exemple: taux de précipitation pour le cycle de l’eau.
Utiliser des générateurs basés sur des cascades multifractales
–
Estimation des paramétres à partir de simulations régionales fines
• Poster A. Gires et al
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Exemple: lois d’échelle du taux de précipitation et extrêmes
1.
Description parcimonieuse: seulement 3 exposants:
–
intermittence de la pluie:
- Intermittence moyenne C1 : combien rare est la pluie moyenne?
C1≠ 0: il ne pleut pas tous les jours, ni partout !
- Variabilité de l’intermittence α : diversité des régimes de pluie
α ≠ 0 : pas seulement l’alternative pluie non pluie!
–
dépendance H du taux moyen de pluie <Rl > de l’échelle d’observation l ? Pour
la pluie H≈0
2.
"
Conséquences triviales
pour les extrêmes:
C1 et α ↑ => extrêmes ↑
3.
ou
C1 et α ↓ ↓ => extrêmes↓↓
Plus généralement:
!
- ces exposants définissent les courbes Intensité-Durée-Fréquence (IDF) sur une grande
gamme d’intensité et durée (Benjdoudi et al., 1987) ;
- permettent l’intercomparaison des quantiles (projet MSP: Météo-France, Cemagref,
ENPC)
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Analyse des précipitations sur la France dans une
simulation du climat futur (Scénario A2 1860-2100)
α
• l’intermittence
moyenne C1 ↑
• la variabilité de
l’intermittence α
C1
↓,
=> difficulté
d’évaluer l’évolution
des extrêmes des
=> analyse plus fine:
précipitations
- évolution de la Singularité Maximale
Probable γs (Hubert et al, 1993; Douglas &
Barros, 2003):
- invariante d’échelle et plus stable que la
précipitation maximale simulée Pma x.
- permet de conclure: extrêmes ↑ (Royer et
al., 2008).
Développements en cours: intercomparaisons
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin
2009
MESO-NH,
radar, TRMM…
Conclusion: cumul des incertitudes dans la
chaîne de modélisation

Incertitudes liées aux modèles de circulation générale
– Choix du scénario
– Choix du modèle
– Variabilité intriséque (chaos)

Incertitudes liées à la désagrégation des résultats
– Choix de la méthode
• dynamique, statistique, cascades multiéchelles

Incertitudes dans l’hydrologie de surface:
•
•
•
•

hydrologie des sols secs (conditions non connues actuellement)
effet direct du CO2 sur la transpiration des plantes
occupation des sols
anthropisation (barrages, prélèvements)
Nécessité de cominer des ensembles multi-modèles et multi-méthodes
– Construction d’une distribution statistique empirique
• Vers une estimation de l’incertitude?
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Merci pour votre attention
"
!
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Sites Internet
 GIEC/IPCC
http://www.ipcc.ch/
 MIES (Mission Interministérielle de l’Effet de Serre )
http://www.effet-de-serre.gouv.fr/
 ONERC (Observatoire National sur les Effets du Réchauffement
Climatique)
http://www.onerc.gouv.fr/
 ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie)
http://www.ademe.fr/
 IMFREX: (projet GICC)
http://medias.cnrs.fr/IMFREX/
 Météo-France: Climatologie
http://www.meteo.fr/meteonet/services/cli.htm
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Les travaux du GIEC
 Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat
(GIECC ou IPCC en anglais)
– mis en place en 1988 par l’OMM (Organisation Météorologique
Mondiale) et le PNUE (Programme des Nations Unis pour
l’Environnement)
 premier objectif principal évaluer l’information scientifique et socioéconomique sur:
– bases scientifiques du changement climatique (groupe I)
– les impacts, l’adaptation et la vulnérabilité (groupe II)
– l’atténuation (groupe III).
 le GIEC a notamment produit 4 séries de rapports d’évaluation
– 1990, 1995, 2001, 2007
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Températures
moyennes globales
Niveau de la mer
Couverture de neige
au printemps (HN)
GIEC, 2007
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Simulations pour le 4-e rapport du GIEC
 Effort international sans précédent pour coordonner les simulations
de scénarios climatiques
– JSC/CLIVAR Working Group on Coupled Modeling (WGCM) et
IPCC/WG1
 Réalisation:
– choix des scénarios
– Modèles multiples (21 modèles)
 Archivage et distribution des simulations
– base de données au PCMDI
 Sous-projets diagnostiques
– >1190 sous-projets identifiés (le 9/06/2009)
– >500 publications répertoriées
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Bilan des projections globales: Impact sur
l’hydrologie
 Globalement, E et P augmentent, mais sans accélération du
cycle de l’eau
 Forts contrastes régionaux: augmentation des P aux hautes
latitudes, décalage vers les pôles des routes dépressionnaires et
des P associées, renforcement probable de l’ITCZ et de la
subsidence subtropicale (aridification du Bassin Méditerranéen)
 Recul de la couverture neigeuse de l’hémisphère Nord (sauf
Sibérie orientale)
 Amplification des contrastes saisonniers, notamment aux
moyennes latitudes de l’hémisphère Nord => risque accru de
sécheresses et d’inondations
 Augmentation de la variabilité interannuelle des précipitations et
des épisodes de fortes pluies dans de nombreuses régions
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009
Création de bases de données de scénarios
climatiques sur la France
 Projet IMFREX (GICC)
 IMpact des changements anthropiques sur la FRréquence des
phénomènes Extrèmes de vent, de température et de précipitations
– Projet financé par le programme Gestion et Impacts du Changement Climatique
(GICC)
• Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable (MEDD)
– Séries climatiques
– Résultats de modèles
 Base de données de l’ONERC
 Observatoire National sur les Effets du réchauffement climatique
– Visualisation des simulations climatiques sur la France
Colloque FNSH-2009, ENPC, 11-12 Juin 2009