Impact du changement climatique sur les Ressources en Eau et les Extrêmes Hydrologiques dans les bassins de la Seine et la Somme
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Justification
Objectifs
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Work packages
Programme de travail
Valorisation
Références citées
1. Position par rapport aux
termes de l'appel à proposition
2. Situation actuelle du sujet / Etude bibliographique commentée
3. Articulation avec les programmes régionaux, nationaux et européens
2. Situation actuelle du sujet / Etude bibliographique commentée
3. Articulation avec les programmes régionaux, nationaux et européens
1. Position par rapport aux termes de l'appel à proposition
Les connaissances que ce projet se propose de développer visent à aider l’Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique (ONERC) dans sa mission d’élaboration d’une politique d’adaptation à l’effet serre. A ce titre, il s’inscrit parfaitement dans le thème II de l’appel à propositions, et plus spécifiquement dans son volet II.3.2 « Stratégies d’adaptation à l’échelle des régions françaises ». Nous nous intéressons en effet à deux grands hydrosystèmes fluviaux français, la Seine et la Somme. Les risques climatiques n’y sont peut-être pas aussi marqués que dans d’autres bassins versants plus méridionaux ou plus montagneux, mais les enjeux socio-économiques y sont particulièrement importants, notamment dans le secteur de l’eau.
A l’heure actuelle, ces hydrosystèmes soutiennent bien les différents usages de l’eau en situation normale, notamment d’un point de vue quantitatif (eau potable, prélèvements agricoles, navigation, etc.). Ils sont en revanche très vulnérables aux extrêmes hydrologiques, comme ont pu l’illustrer les crues de 1910 de la Seine et 2001 de la Somme, ou les sécheresses de 2003 et 2005. Les fortes crues s’accompagnent en effet d’inondations importantes, causant d’autant plus de dommages que les corridors fluviaux concentrent la majeure partie des activités humaines (agglomérations urbaines, industries, production électrique). Quant aux sécheresses, elles sont susceptibles d’entraîner des conflits d’usage sur la ressource, par exemple entre le secteur agricole et les autres usagers en cas de recours important à l’irrigation pour maintenir les niveaux de production agricole, ou bien sur les débits d’étiage dans les cours d’eau.
Comme demandé par l’appel à propositions, nous prendrons donc soin d’étudier à la fois les tendances lourdes d’évolution climatique, déjà étudiées par les partenaires du projet dans le cadre des projets GICC-Rhône et GICC-Seine, mais aussi l’évolution de la fréquence et de l’ampleur des événements extrêmes. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux extrêmes hydrologiques, et les inondations et les sécheresses font explicitement partie de notre étude. Ce projet offre donc aussi des éléments de réponse relatifs au thème I.3.3 “ Enjeux climatiques et dynamiques d'investissement dans le secteur énergétique et les infrastructures ” car la connaissance de l’évolution des risques d’inondation et d’étiage sévère peut affecter les dynamiques d’investissement dans ces secteurs.
Les extrêmes hydrologiques sont évidemment conditionnés par les extrêmes météorologiques, et l’originalité de notre projet, qui nous permet enfin de considérer l’impact du changement climatique dans toute sa variabilité au lieu de nous limiter au seul changement moyen, réside dans les méthodes de désagrégation des simulations numériques du changement climatique. Nous utiliserons deux de ces méthodes (régimes de temps et correction variable), qui ont récemment fait leurs preuves dans le cadre de plusieurs projets de recherche y compris le projet IMFREX du programme GICC1.
Nous pensons que notre démarche fournit une solution adaptée au problème de l’évolution de systèmes régionaux incluant d’une part les systèmes naturels (ici les hydrosystèmes et le fonctionnement biologique des systèmes de culture) et d’autre part les systèmes sociaux, parce qu’elle aborde les situations sensibles pour ces derniers. C’est un projet de recherche appliquée, à destination des acteurs institutionnels des stratégies d’adaptation au changement climatique dans les deux bassins cibles. Le projet prévoit donc de contacter ces acteurs dès le début du projet, en concertation avec l’ONERC, pour définir avec ceux qui le souhaitent les types de résultats qui leur seraient particulièrement utiles dans ce cadre.
2. Situation actuelle du sujet / Etude bibliographique commentée
La réalité d'un changement climatique (CC) suite à l'émission anthropique de gaz à effet de serre (GES) fait désormais l'objet d'un consensus bien affirmé (Houghton et al., 2001). Il repose sur la convergence de nombreux éléments de preuve :
- les tendances de température au cours des derniers siècles (e.g. Mann et al., 1998),
- la comparaison de ces tendances avec la variabilité naturelle du système climatique (e.g. IDAG, 2005),
- les simulations numériques, par des modèles de circulation générale (MCG), du CC qui pourrait résulter d'augmentations variées des GES.
Quand on s’intéresse à l’échelle régionale et au cycle de l’eau, comme c’est le cas pour les études d’impact hydrologique, on se trouve cependant confronté à deux problèmes : l’augmentation des incertitudes sur le changement climatique (e.g. Kittel et al., 1998) et les biais significatifs, à l’actuel, des variables traditionnelles du climat local (précipitation, nébulosité, température de l’air en surface, etc.). Différentes raisons expliquent ces deux problèmes, qui sont intrinsèquement liés : description simplifiée de la surface terrestre (simplification du trait de côte, lissage de l’orographie) due à une résolution spatiale insuffisante, rupture de la cascade d’énergie vers les petites échelles (troncature numérique) et nécessité de la paramétriser, erreurs liées aux paramétrisations des processus sous-mailles (précipitation, infiltration, évaporation, ruissellement, nébulosité …). La question essentielle devient alors celle du changement d’échelle : comment passer des échelles caractéristiques des modèles de climat (200-500 km) aux échelles des modèles d’impact (1-20 km) avec des performances suffisantes pour analyser les impacts résultants ? C’est la problématique de la désagrégation.
La désagrégation dynamique consiste à utiliser des modèles atmosphériques à haute résolution (20-50 km) forcés par des conditions aux limites (atmosphériques et/ou océaniques) provenant des réanalyses et/ou des observations pour le climat actuel, et de MCG couplés globaux pour le climat futur. On distingue les modèles régionaux à aire limitée, comme le modèle ALADIN-Climat du CNRM, et les modèles globaux à résolution variable comme le modèle ARPEGE-VR (Gibelin et Déqué, 2003). Bien que ces modèles permettent une amélioration sur un certain nombre de points (par exemple, une bien meilleure représentation des effets liés à l’orographie), ils souffrent toujours des biais liés aux paramétrisations sous-maille, en général identiques à celles des MCG globaux à résolution régulière.
Une solution est d’utiliser des méthodes de désagrégation statistique. Elles sont basées sur l’hypothèse que le climat régional est conditionné par deux facteurs : la climatologie à grande échelle et les effets locaux (relief, contraste terre-mer, utilisation du sol). Dans un premier temps, un modèle statistique est établi entre climat régional / local et variables à grande échelle pour le climat présent. Ensuite, les résultats des modèles de circulation générale dans les scénarios sont utilisés en entrée de ce modèle statistique pour en déduire un nouveau climat régional. Un des avantages de ces techniques est qu’elles sont très peu coûteuses, contrairement aux simulations climatiques à très haute résolution. Elles peuvent aussi être appliquées à des simulations de plusieurs modèles de circulation générale.
La méthode des perturbations mensuelles (Xu, 1999) constitue le « degré 0 » de ces méthodes de désagrégation statistique. Pour chaque variable météorologique, des perturbations sont calculées mensuellement, comme le rapport (ou la différence dans le cas de la température) entre le climat mensuel moyen simulé sous CC et à l'actuel. Ces perturbations mensuelles servent à modifier les séries actuelles observées, en étant appliquées uniformément à tous les pas de temps du mois considéré. Cette stratégie ne rend compte que du changement de climat moyen, et préserve sous climat perturbé la variabilité du climat actuel aux échelles qui ne sont pas celles du mois (journalière et interannuelle notamment).
C’est cette méthode de désagrégation qui fut utilisée dans les projets GICC-Rhône (Noilhan et al, 2001 ; Leblois et al, 2004) et GICC-Seine (Ducharne et al, 2004), à partir de plusieurs simulations de changement climatique pour évaluer la gamme d’incertitudes liées à ces dernières. Dans les deux bassins, les différents MCG analysés s’accordent sur un réchauffement et des précipitations moyennes qui augmentent en hiver et diminuent en été. Ces tendances sont conformes avec celles qui sont reportées à l’echelle de la France par le projet IMFREX (Déqué, 2005). Les impacts résultant sur l’hydrologie sont relativement convergents : intensification des contrastes saisonniers du débit de la Seine, impact de la diminution du manteau neigeux sur les bassins du Rhône, étiages précoces et accentués, sécheresse estivale accrue… Ces impacts sont aussi entachés d’une incertitude liée aux modèles hydrologiques utilisés, forcément imparfaits comme tout modèle numérique. Le projet GICC-Rhône a conclu que pour la restitution des débits, l'incertitude liée au calage des paramètres des modèles hydrologiques et à l’utilisation de différents modèles hydrologiques était très inférieure à l'incertitude liée aux scénarios climatiques. Dans le cadre du projet GICC-Seine, les impacts sur les débits de crue étaient au contraire sensibles au choix du modèle hydrologique (Ducharne et al, 2005).
De manière générale, les impacts du CC sur les hydrosystèmes fluviaux font l’objet d’une recherche très active, comme synthétisé pour le GIEC par Arnell et al. (2001), à cause de l’importance de l’eau pour les sociétés humaines, en terme de ressource mais aussi de facteur de risque. Néanmoins, les études concernant la variabilité interannuelle et la fréquence des événements extrêmes sont encore rares (Arnell 2003) et la grande majorité des études concernent les régimes hydrologiques (hydrogrammes moyens, y compris crues et étiages moyens) et reposent, comme dans les projets GICC-Rhône et GICC-Seine, sur une désagragation par perturbations mensuelles. C’est une limite importante de ces études d’impact, car il n’y a pas de raison qu’en climat modifié, il y ait exactement le même nombre de jours de pluie et qu’ils soient répartis de manière identique à la situation actuelle, ou que le cycle diurne des températures augmente uniformément (autant pour les températures minimales et maximales par exemple).
Pourtant, les travaux de recherche sur les méthodes de désagrégation statistique sont extrêmement variés (Goodess, 2000 ; Zorita et Von Storch, 1999), et nombre d’entre elles peuvent produire des résultats locaux ayant les propriétés statistiques adéquates (moyenne et variabilité) pour les études d’impact. Dans le domaine hydrologique, on conçoit aisément qu’au delà des variations de cumuls de précipitations ou de températures au niveau mensuel ou annuel, il faille s’intéresser aux précipitations extrêmes, aux périodes sèches et à la variabilité interannuelle, qui conditionnent non seulement la distribution des extrêmes hydrologiques, mais aussi les impacts moyens étant donné la non linéarité du fonctionnement des hydrosystèmes. Parmi toutes les méthodes disponibles, nous détaillons ci-dessous les deux méthodes que nous utiliserons dans le cadre de ce projet.
La première est la méthode de correction variable (Déqué 2005), développée et appliquée dans le cadre du projet IMFREX pour l’étude des modifications des événements extrêmes dans le climat perturbé de la fin du 21ème siècle. L’idée est simplement de corriger les données des modèles climatiques par une fonction construite comme une probabilité conditionnelle sur les données observées. La fonction de correction est la fonction de correspondance entre les quantiles des observations (stations quotidiennes de références, possédant des données validées sur de longues durées) et ceux du modèle sur une période concomitante pour chaque variable, saison et points de mesure. Cette méthode paramétrique revient à considérer que le modèle est capable de prédire une distribution des variables climatiques mais pas les valeurs exactes de ces variables. Moyennant l’hypothèse de stationnarité des erreurs du modèle pour le climat futur, on peut utiliser la fonction de correction déterminée à partir du climat présent pour les scénarios. Il est important de noter que cette hypothèse est nécessaire quelle que soit la méthode de désagrégation choisie (méthode des perturbations ou méthode des régimes de temps, comme ci-dessous).
La méthode des régimes de temps, qui recouvre de nombreuses variantes, repose sur le constat que pour le climat présent, les variables météorologiques sensibles sont mal simulées par les modèles de climat globaux ou régionaux, alors qu’ils reproduisent très raisonnablement la circulation de grande échelle. Il existe un lien fort entre la circulation de grande échelle et les variables météorologiques utilisées en forçage des modèles hydrologiques. Il est donc tentant d’utiliser les variables représentatives de la circulation de grande échelle comme des « prédicteurs » conditionnels pour caractériser les variables de forçage locales.
La variante la plus simple est celle des analogues (e.g. Martin et al. 1997; Timbal et al. 2003; Bontron, 2004) qui consiste à rechercher, dans une base de données de référence (dans notre cas les réanalyses ERA40 du Centre Européen), les situations météorologiques les plus proches possibles de celles simulées par le MCG. Une contrainte forte de ce type d’approche est donc de disposer simultanément des réanalyses atmosphériques (grande échelle) et des variables météorologiques de forçage (échelle locale) sur une période la plus longue possible. Une autre limitation de la méthode est qu’elle ne peut pas rendre compte de variables de forçage ayant une amplitude supérieure au maximum observé pour le climat présent. Cette méthode est simple à implémenter mais présente l’inconvénient de ne pas représenter de façon réaliste les épisodes persistants liés par exemple aux précipitations et températures.
Ces constatations ont conduit au développement dans le cadre du projet RIVAGES (en cours) financé par le PNRH d’une nouvelle méthode de désagrégation basée sur les types de temps les plus discriminants possibles pour les variables de forçage les plus importantes des modèles hydrologiques, à savoir les précipitations et la température (Boé et al. 2005). L’étape initiale de la méthode consiste à effectuer une classification du champ de précipitation observé (issu des analyses SAFRAN du climat présent fournies par le CNRM ; Le Moigne, 2002) sur le domaine d’intérêt (bassin de la Seine dans le cadre du projet RIVAGES). Pour chacun des régimes de précipitation obtenus (définis par un ensemble de jours), on procède ensuite à une classification de la circulation atmosphérique « observée » (avec comme variable discriminante le géopotentiel à 500 hPa issu de la réanalyse ERA40) qui produit un nombre N relativement faible de types de temps caractéristiques (N=5 pour le bassin de la Seine). Les distances (métrique euclidienne) entre chaque situation atmosphérique « observée » (réanalyse ERA40) et les N types de temps sont alors utilisées comme prédicteurs dans une régression multivariée dont les prédictands sont les moyennes spatiales des précipitations et températures observées. Cette régression permet de construire des index de précipitation et température qui sont classés en une série de quantiles. L’étape finale de la méthode de désagrégation est basée sur une technique de re-échantillonnage des données de forçage observées. Cette méthodologie est en cours de validation pour le bassin de la Seine et ses performances sont bien supérieures à celles de la méthode des analogues pour un certain nombre de caractéristiques (propriétés de persistance, variabilité basse fréquence). Son extension aux autres bassins versants français, y compris le bassin de la Somme, est en cours dans RIVAGES.
3. Articulation avec les programmes régionaux, nationaux et européens
Ce projet RExHySS bénéficiera de l’expérience que les différents partenaires ont acquise dans le cadre de nombreux projets de recherche, récapitulés dans le tableau ci-dessous. Ce tableau montre aussi que ces partenaires ont l’habitude de collaborer, ce qui constitue une garantie d’efficacité du projet malgré son ampleur.
Ce projet s’inscrit dans le prolongement des études antérieures pilotées par le programme GICC sur les hydrosystèmes fluviaux, les projets GICC-Seine et GICC-Rhône. Il se propose de dépasser la simple étude du changement de régime hydrologique qui y fut menée par manque de méthode adaptée pour explorer les changements des extrêmes. Pour ce faire, il profitera des méthodes de désagrégation des simulations de scénario climatique développées dans le cadre des projets IMFREX et RIVAGES, et des simulations numériques du changement climatique réalisées dans le cadre des projets DISCENDO et ENSEMBLES.
La plupart des modèles hydrologiques mobilisés dans le cadre du présent projet RExHySS ont été mis en œuvre et validés dans le bassin de la Seine dans le cadre des projets PIREN-Seine et GICC-Seine. L’intérêt de la méthode de désagrégation par les régimes de temps a été testé dans ce bassin grâce au modèle SIM du CNRM dans le cadre du projet RIVAGES, qui étendra cette validation avec le modèle CaB de Sisyphe.
Enfin, la plupart des modèles hydrologiques du projet RExHySS sont aussi mobilisés dans le cadre du projet PNRH-Somme, qui vise à identifier les processus clés et les résolutions minimales nécessaires pour reproduire le fonctionnement d’un bassin tel que la Somme dans des conditions extrêmes incluant la crue de 2001 et la sécheresse de 2003 en comparant les performances de modèles de complexité différente. Ce projet PNRH-Somme comprend aussi une analyse fréquentielle des débits observés de ce cours d’eau.
| Projets | Programme | Coordinateur | Participants du projet RExHySS impliqués |
| GICC-Seine | GICC1 | A. Ducharne (Sisyphe) | E. Ledoux, P. Viennot (Sisyphe) |
| GICC-Rhône | GICC1 |
J. Noilhan (CNRM-GAME)
E. Leblois (Cemagref Lyon) |
F. Habets, M. Déqué (CNRM-GAME), E. Ledoux, P. Viennot (Sisyphe), D. Thiery (BRGM) |
| IMFREX | GICC1 | M. Déqué (CNRM-GAME) | L. Terray (CERFACS) |
| DISCENDO | ACI | L. Terray (CERFACS) | F. Habets, E. Martin (CNRM-GAME) |
| ENSEMBLES | FP6 | D. Griggs (MetOffice) | M. Déqué (CNRM-GAME), L. Terray (CERFACS) |
| RIVAGES | ECCO-PNRH | E. Martin (CNRM-GAME) | L. Terray, J. Boe (CERFACS), F. Habets (CNRM-GAME), A. Ducharne (Sisyphe) |
| PNRH Somme | ECCO-PNRH | F. Habets (CNRM-GAME) | A. Ducharne, E. Ledoux, S. Gascoin (Sisyphe), D. Thiery (BRGM), E. Leblois (Cemagref Lyon) |
| PIREN-Seine |
AESN et autres
gestionnaires du bassin |
G. Billen (Sisyphe) | E. Ledoux, P. Viennot, A. Ducharne (Sisyphe) |