Section 8 Etude de cas : Impacts hydrologiques du changement climatique
Cette activité mobilise les notions de la section Evapotranspiration. Les acquis d’apprentissage visés pour cette activité sont :
Développer les sens critique de l’application d’un modèle
Connaitre et manipuler les projections climatiques issues des expériences d’intercomparaison de modèles de climat du GIEC
8.1 Contexte de l’étude de cas proposée
Les études d’impact hydrologique du changement climatique sont cruciales pour déterminer quelles seront les évolutions des ressources en eau dans le futur et pour envisager des stratégies d’adaptation de nos usages de ces ressources.
On prend ici le rôle du scientifique qui doit répondre à une demande des gestionnaires d’un bassin versant sur l’évolution des ressources en eau. C’est vous qui allez choisir le bassin versant d’étude. Les projections climatiques indiquent des chanegments assez diversifiés en terme de température et surtout de précipitation à l’échelle de la France. Pour cette raison, dans ce cas d’étude, nous vous proposons d’évaluer l’impact hydrologique du changement climatique sur (idéalement plusieurs) bassins versants en suivant une évaluation multi-modèle et multi-scénario.
Malgré la volonté de de proposer un cas d’étude réel, les résultats que vous pourrez obtenir dans cette activité sont bien sûr à prendre avec précaution. Nous reviendrons sur les limites de la méthodologie suivie ici dans la fin de l’activité.
On se propose dans cette activité de réaliser un cas d’étude mobilisant les différentes notions vues précédemment sur l’estimation de l’évapotranspiration à partir de données d’évapotranspiration potentielle et de précipitations.
L’objectif pédagogique est double :
Appliquer les méthodes d’estimation vues en cours
Appréhender les impacts hydrologiques du changement climatique et leur diversité en fonction des modèles utilisés et des régions étudiées.
8.2 Méthodologie et données
Cette section détaille les données que vous pouvez utiliser et les méthodes à suivre.
8.2.1 Etapes de l’étude de cas
Vous suivrez les étapes classiques d’une étude d’impact hydrologique du changement climatique :
- Analyse des données historiques et détermination / optimisation du modèle hydrologique à utiliser
- Analyse des biais éventuels des simulations climatiques historiques
- Analyse de l’évolution climatique sur le bassin versant
- Détermination des écoulements futurs en fonction des modèles de climat et des scénarios d’émission de gaz à effet de serre
Ces différentes étapes marqueront les différentes taches à réaliser pour cette étude de cas.
8.2.2 Données mobilisées pour l’étude de cas
Toutes les données utilisées dans le cadre de cette étude de cas sont publiques. Ces données publiques sont disponibles à l’échelle de la France et la méthodologie est donc réplicable à d’autres bassins versants.
Les données historiques d’observation de température, précipitation, débit et évapotranspiration potentielle (ETP) sont extraites de la base de données CAMELS-FR (https://doi.org/10.57745/WH7FJR). En général, on dispose des données historiques sur près de 50 ans (1971-2020).
Les simulations climatiques de température, précipitation et ETP ont été extraites à partir du site DRIAS-CLIMAT (https://www.drias-climat.fr/) qui met en ligne des projections issues du programme CMIP5 sur toute la France métropolitaine. Des multiples projections disponibles, nous avons retenu les projections de 5 modèles de climat (GCM-RCM) qui fournissent chacun 1 simulation historique (1950-2005) et 3 simulations pour le 21ème siècle (2005-2100) représetant les 3 scébarios d’émissions couramment utilisés (RCP pour Representative Concentration Pathway)
Dans l’outil de visualisation des données, nous avons inclus des représentations cartographiques des bassins versants. Les données d’altitude ont été extraites du produit SRTM et les donnes d’occupation du sol du produit Corine Land Cover. Ces deux bases de données sont en accès libre.
L’outil de visualisation de données a été développé avec le package R Shiny. Cet outil vous permet de choisir et visualiser le bassin versant que vous allez étudier, de visualiser les données (observations et simulations climatiques) de ce bassin, et de télécharger ces données sur votre ordinateur en local afin de faire les calculs nécessaires.
8.3 A vous de jouer…
8.3.1 Etape 0 : Choisissez votre bassin versant et charger les données nécessaires
Vous avez le choix entre 36 bassins versants situés dans différents contextes climatique et géographique. L’outil de visualisation des données vous permettra de charger les données nécessaires.
Pour plus d’informations sur le site choisi, vous pouvez consulter le site Hydroportail (https://hydro.eaufrance.fr/) qui vous permettra de trouver le nom de la rivière à partir du code de la station hydrométrique.
8.3.2 Etape 1 : Déterminez votre modèle hydrologique
Les modèles d’estimation de l’évapotranspiration comme l’équation de Budyko peuvent être utilisés pour évaluer l’impact du changement climatique sur les débits moyens annuels des rivières. Le bilan hydrique sur un bassin versant s’écrit :
\(P = ET + Q + \Delta S\)
où \(P\) est la précipitation annuelle moyenne du bassin versant, \(ET\) est l’évapotranspiration moyenne annuelle et \(Q\) est l’écoulement du bassin versant et \(\Delta S\) est la variation de stock. A long-terme, la variation de stock est négligeable et le bilan s’écrit simplement :
\(P = ET + Q\)
Les modèles de bilan en eau (e.g. Budyko) permettent d’estimer \(ET\) à partir des données de précipitations \(P\) et des données d’évapotranspiration potentielle \(ETP\). L’estimation de \(ET\) permet alors de déterminer l’écoulement \(Q\) si l’hypothèse de considérer \(\Delta S\) négligeable est valide. Le choix de déterminer des moyennes des flux sur un temps long permet en général de garantir la validité de cette hypothèse.
Pour cette étape, il faudra donc au préalable moyenner les données de \(P\), \(ETP\) et \(Q\) sur des périodes de 10 ans, puis évaluer quels modèles de bilan permet de se rapprocher de l’écoulement observé.
L’équation de Budyko (1974) est largement utilisé dans la littérature :
\(\frac{ET}{P} = \big(\ \frac{ETP}{P} \cdot tanh \big(\frac{P}{ETP} \big)\ \cdot \big( 1 - exp \big(\ - \frac{ETP}{P} \big) \big)^{0.5}\)
Des alternatives existent cependant à cette équation, comme les formules de Schreiber, Turc-Mezentsez, Ol’Dekop ou Fu-Tixeront. le détail des équations des ces formules sont données ici :
Schreiber (1904) : \(\frac{ET}{P} = 1 - exp \big(\ -\frac{ETP}{P} \big)\)
Ol’Dekop (1911) : \(\frac{ET}{P} = \frac{ETP}{P} \cdot tanh \big(\frac{P}{ETP} \big)\)
Tixeront(1964) et Fu (1981) : \(\frac{ET}{P} = 1 + \frac{ETP}{P} - \big(1 + \frac{ETP}{P} \big)^{0.5}\)
Plusieurs auteurs ont également suggéré de rajouter un degré de liberté à ces équations afin de rendre l’estimation plus proche de l’observation. On peut citer :
L’approche paramétrique de Schreiber : \(\frac{ET}{P} = 1 - exp \big(\ - \alpha \cdot \frac{ETP}{P} \big)\)
L’approche paramétrique de Tixeront-Fu : \(\frac{ET}{P} = 1 + \frac{ETP}{P} - \big(1 + \frac{ETP}{P} \big)^{\frac{1}{\omega}}\)
8.3.3 Etape 2 : Vérifiez que les simulations climatiques historiques ne sont pas biaisées
Les données de simulations de modèles de climat mises à disposition pour cette étude de cas sont des données dites débiaisées. C’est-à-dire que les sorties “brutes” des modèles de climat ont été corrigées afin de s’approcher au mieux des observations. Il peut cependant subsister des écarts que vous allez évaluer dans cette étape.
Pour ces comparaisons, il est extrêmement important de bien comprendre que ces simulations sont des simulations climatiques et non des reconstitutions météorologiques. De ce fait, une simulation sur la période dite historique n’a pas pour objectif de reconstituer la temporalite des évènements climatiques mais plutôt de reconstituer le climat observé en terme fréquentiel. En d’autres termes, il n’est pas pertinent de comparer les pluies observées et simulées pour l’année a. En revanche, comparer les moyennes (et/ou des quantiles) et écart-types des pluies sur toute la période historique est pertinent.
8.3.4 Etape 3 : Analysez les projections climatiques sur votre bassin versant
En général, ces analyses se font en analysant le climat sur des périodes suffisamment longues (afin de gommer l’effet de la variabilité naturelle du climat). Vous pourrez choisir par exemple deux échéances : la période 2041-2070 et la période 2071-2100, à comparer avec la période historique (par exemple 1976-2005).
Il est important de bien spécifier quelles périodes vous utilisez lorsque vous présentez vos résultats, notamment la période historique. Selon les rapports du GIEC, cette période peut être la période actuelle (e.g. 1961-1990 ou 1981-2010) ou la période pré-industrielle (e.g. 1850-1900).
Comme pour l’étape 2, vous pouvez analyser les variations de moyennes, de quantile ou d’écart-types, en fonction de si vous voulez caractériser le changement moyen, le changement sur les extrêmes ou le changement en terme de variabilité. D’une façon générale, ces variations et l’écart des variations d’une projection climatique à une autre s’analyse en relatif, i.e. si vous étudier le modèle i, vous allez comparer les simulations de ce modèle i sur la période de référence et sur une période du futur. Ceci est préférable que de comparer les observations avec les simulations sur les périodes futures, car les simulations sur les périodes historiques peuvent comporter des biais. Les changements se calculent généralement en relatif pour les précipitation et les évapotranspirations potentielles et en absolu pour les températures.
N’hésitez pas à comparer vos résultats à ceux des rapports AR5 et AR6 du GIEC. Vous pouvez aussi visiter l’atlas interactif du GIEC https://interactive-atlas.ipcc.ch