Modèles hydrologiques (dont les modèles de surface) ... corriger les principaux
défauts des distribu ons .... Conclusions : limites de l'exercice. Impacts poten?els
...
Les impacts hydrologiques du changement clima5que
A. Ducharne, F. Habets, L. Oudin (UMR Sisyphe, Paris) E. Ledoux, P. Viennot (Centre de Géosciences, Fontainebleau) K. Laval, J. Polcher, B. Sultan, M. Guimberteau (IPSL, Paris) D. Thiéry (BRGM, Orléans), F. Moatar (UMR ISTO, Tours) E. Sauquet, J.P. Vidal (Cemagref, Lyon) J. Boé, L. Terray (CERFACS, Toulouse), M. Déqué (CNRM, Toulouse)
Comité « Changement ClimaSque » du CoCNRS, 29 septembre 2010, Paris
Une recherche ciblée sur les méthodes 1. Le rôle central de la modélisa5on Projec5ons clima5ques de grande échelle, intégrant des modèles de surface Modèles hydrologiques (dont les modèles de surface) Mais imprécisions et incer5tudes 2. Qu’est-‐on capable de dire malgré tout ? 3. Comment ceGe ques5on se décline-‐t-‐elle du point de vue des « impacts » ? Ils concernent des « secteurs » très ciblés • Hydrologie, Agriculture, Forêts, Ecologie (aires de réparSSon), Santé, etc. • Impacts socio-‐économiques exclus du champ de cet exposé Demande sociale sur des indicateurs précis • En hydrologie : débits moyens, débits extrêmes (crues & éSages), ressources souterraines (niveaux des nappes), etc. • RégionalisaSon fine
Limites des modèles clima5ques en hydrologie Exemple : Milly et al., 2005, Nature 12 OAGCM x « ensembles » 35 runs Période 2041-‐2060 (A1B) vs. 1900-‐1970
Période 1900-‐1970 (« 20C3M »)
Moyenne du changement rela5f de runoff
Mean runoff valida5on : Obs vs. Model (165 bassins)
Nombre de runs d’accord sur le signe
Rsim > 2 Robs Rsim < Robs/2
La démarche des impacts hydrologiques Scénario d’émission
Modélisa5on clima5que à grande échelle couplage océan / atmosphère scénarios d’évoluSon des GES et aérosols Descente d’échelle / régionalisa5on introduire les hétérogénéités spaSales non résolues par les modèles de climat (e.g. relief) corriger les principaux défauts des distribuSons spaSo-‐temporelles simulées (e.g. biais) mais on découple climat et surface
Modèle régional 20-50 km (optionnel)
Modèle hydrologique 100 m-10 km
Source : CRU
Avancée récente : les extrêmes Par méthodes de régionalisaSon permedant de rendre compte de la variabilité climaSque de l’échelle journalière à interannuelle : régimes de temps (Boé et al., 2006) correc5on variable (Déqué, 2007)
Modèle global MCGOA 300 km
Incer5tudes hydrologiques
Incer5tudes clima5ques
Une cascade d’incer5tudes élargie
Scénarios d’émissions de CO2
Modèles de circulaSons atmosphériques globales
Méthodes de « descente d’échelle »
Structure des modèles hydrologiques
Paramètres des modèles hydrologiques
ProjecSons hydrologiques 5
Un exemple concret dans le basin de la Seine Projet RExHySS : Ressources en eau et Extrêmes Hydrologiques dans les bassins de la Seine et de la Somme Coordina(on : A. Ducharne (2007-‐2009) Collabora(ons : Sisyphe, MINES ParisTech, Météo-‐France, CERFACS, Cemagref, BRGM, INRA, 2 bureaux d’étude Scénarios GES (2)
Modèles de climat (15)
Descente d’échelle (3)
Modèles Hydrologiques (5)
Evalua5on des scénarios régionalisés 1. Climat récent : scénarios vs. analyse SAFRAN P, T, ETP : biais faibles, distribuSons journalières saSsfaisantes Régimes hydrologiques sa5sfaisants Distribu*on des précipita*ons journalières Scénario ARPEGE A2
Correction variable Régimes de temps SAFRAN
Précipita*ons journalières rares T = 10 ans 12 scénarios, amont de Paris
OBS
P< 1 mm/d
REF
2. Climat futur : Les deux méthodes donnent des réponses similaires
Impacts sur le régime hydrologique Débit de la Seine à Poses (m3/s) 12 scénarios régionalisés x 5 modèles hydrologiques validés Moy. SIM TP OBS
Moy. SIM 2050
Moy. SIM TP Moy. SIM 2050 Moy. SIM 2100
Baisses du débit moyen à l’horizon 2100 Seine à Poses : -‐152 m3/s +/-‐ 60 m3/s (-‐28 % +/-‐ 10% TP) Somme à Abbeville : -‐10 m3/s +/-‐ 5 m3/s (-‐29 % +/-‐ 15% TP)
Source : F. Habets
Moy. SIM TP
Analyse des incer5tudes Hiérarchisa5on des facteurs d’incer5tude par analyse de variance Modèles climaSques > Modèles hydro > RégionalisaSon Horizon et scénarios d’émission beaucoup plus faibles Le calage des modèles hydrologiques est aussi source d’incer5tude sur les impacts : il ne garan5t pas une réponse resserrée RExHySS
EQUIFINALITE
Cascade des incer5tudes
Source : P. Brigode
Calage d’un modèle à 4 paramètres (GR4J) : les « bons » jeux de paramètres sont nombreux (Nash > 0.95)
ΔQmoy (%) à Poses en FS
Les débits extrêmes Evénements caractérisés en termes d’intensité – durée – fréquence Probabilités par ajustement à des lois ad hoc (Gumbel, Fréchet, GEV, etc.) Souvent exprimées en période de retour moyenne T
Crue de la Seine à Paris Pont de l’Alma, 28 janvier 1910 (photo Pierre Pe(t)
T ≈ 100 ans
T ≈ 15 ans Crue de la Seine à Paris Pont de la Tournelle, janvier 1982 (photo AESN)
Les débits extrêmes dans RExHySS Trois fenêtres de 20 ans sous hypothèse de pseudo-‐sta5onnarité PST (1981-‐2000) ; MS (2046-‐2050) ; FS (2081-‐2100)
Méthodes classiques d’analyse fréquen5elle Dans l’ensemble du bassin de la Seine : 154 staSons (seulement 8 par tous les modèles hydro) environ 8000 chroniques QJXA10 : Débit journalier maximal annuel surpassé en moyenne tous les 10 ans, (déduit de l’ajustement des QJXA à la loi de Gumbel) QMNA5 : Débit mensuel minimal annuel sous-‐passé en moyenne tous les 5 ans, (déduit de l’ajustement des QMNA à loi log-‐normale) Jus5fica5on : Faciles à medre en œuvre de manière automaSque USlisés couramment pour le dimensionnement d’ouvrages ou les plans de prévenSon des risques, avec des indicateurs d’événements plus extrêmes
Evolu5on des extrêmes du débit La Seine à Paris Varia(ons rela(ves par rapport aux simula(ons PST QJXA10
QMNA5
Source : E. Sauquet
Baisses systéma5ques des é5ages sévères (QMNA5) Réponse incertaine des pointes de crue (QJXA10)
Eaux souterraines : évolu5on de la recharge Recharge annuelle simulée par le modèle hydrogéologique MODCOU 19 scénarios clima*ques
2050 -27 % -2200 Mm3/an
2100 -33 % -2700 Mm3/an
Source : P. Viennot
Changements de moyenne sta5s5quement significa5fs Déficits proches des prélèvements totaux actuels (nappes + surface) Double des prélèvements actuels en nappe
Eaux souterraines et irriga5on Baisse de la nappe de Beauce selon 2 impacts dis*ncts du changement clima*que Modèle hydrogéologique MODCOU, scénario ARPEGE-‐A2 régionalisé, horizon 2100
1. Déficit de recharge (-‐37%) sans changer l’irriga5on
-‐15m
2. Augmenta5on de 54% de l’irriga5on sans déficit de recharge
-‐3.5 m
L’effet direct du changement clima5que suffit à remeGre en cause la viabilité de l’irriga5on des grandes cultures telle que pra5quée actuellement. Source : P. Viennot
Conclusions : limites de l’exercice Impacts poten5els, toutes choses égales par ailleurs Les interac5ons avec les ac5vités humaines sont une perspec5ve importante pour adapta5on et mi5ga5on Quelle confiance accorder à ce type de résultats ? CeGe ques5on dépasse l’analyse des incer5tudes, qu’on ne peut couvrir de manière exhaus5ve La réponse hydrologique dépend étroitement de celle des précipita5ons, une des variables clima5ques les plus difficiles à simuler La démarche suivie n’est pas forcément applicable partout Ex: Afrique de l’Ouest La réduc5on des incer5tudes (clima5ques & hydrologiques) est une perspec5ve essen5elle, au niveau na5onal et interna5onal Et n’oublions pas que l’hydrologie rétroagit sur le climat
Merci de votre adenSon
