Réf. Dubuisson & Moisselin 2006 - A

Référence bibliographique complète
DUBUISSON, B., MOISSELIN, J.-M., Evolution des extrêmes climatiques en France à partir des séries observées, La Houille Blanche, N°6, 42–47, 2006.

Abstract: The studies previously realized at the Climatology Department of Météo-France allowed characterizing the mean climate change. But one of the major concerns with a potential change in climate is the evolution of extremes. The study presented here is part of the GICC/IMFREX project. In this project, daily reference series were constituted. These series complete the monthly homogenized series already available for climate change study. Climate indices were then calculated on these daily reference series.The indices of temperature show a pronounced warming over the second half of the 20th century. The trends of indices of precipitation are less coherent. They however show evidence of an increase of total precipitation (especially in the north of the country), an increase of summer droughts and a lengthening of rainy spells. No evidence of an increase in heavy precipitation events was found.

Mots-clés
Valeurs rares et extrêmes de précipitations et de débits

Organismes / Contacts
Météo-France, Direction de la Climatologie 42 avenue G. Coriolis, F-31057 Toulouse cedex ; Tél: +33 (0)5 61 07 83 75 ; brigitte.dubuisson@meteo.fr

(1) - Paramètre(s) atmosphérique(s) modifié(s)
(2) - Elément(s) du milieu impacté(s)
(3) - Type(s) d'aléa impacté(s)
(3) - Sous-type(s) d'aléa
Températures, Précipitations      

Pays / Zone
Massif / Secteur
Site(s) d'étude
Exposition
Altitude
Période(s) d'observation
France         1901-2000
1931-2000
1951-2000

(1) - Modifications des paramètres atmosphériques
Reconstitutions
 
Observations

Evolution des températures
Les 70 séries homogénéisées de températures ont permis d'analyser le changement climatique en France. Les résultats montrent un réchauffement marqué de l'ordre de 1 °C au cours du XXe siècle. Le réchauffement est plus marqué pour les températures minimales que pour les températures maximales. Il présente des disparités régionales (gradient de réchauffement est-ouest pour les minimales et nord-sud pour les maximales) et saisonnières (les minimales ont le plus augmenté en été, les maximales en automne). Le réchauffement constaté s'accélère à la fin des années 1980.

Sur la période 1951-2000, les indices sur les températures traduisent tous un réchauffement marqué. Si on se positionne par rapport à une partie des extrêmes analysés sur le XXe siècle par Easterling et al.2000, les tendances sur la période 1951-2000 sont nettes pour :
• des températures maximales plus élevées (les tendances varient de 0,15 à 0,3 °C/décennie),
• plus d'étés chauds : la hausse s'observe à la fois sur les températures minimales et les maximales en été,
• des températures minimales plus élevées (les tendances varient de 0,2 à 0,35 °C/décennie),
• moins de jours de gel (les tendances du nombre de jours de gel varient de - 0,3 j à - 5,8 j/décennie), et relativement nettes pour :
• plus de vagues de chaleur,
• moins de vagues de froid.

L'analyse sur les indices a également montré une augmentation de la variabilité des températures estivales. Enfin, sur un grand nombre d'indices l'année 2003 ressort nettement.

Evolution des cumuls de précipitations au cours du 20e siècle
Les 300 séries mensuelles homogénéisées de précipitations actuellement disponibles confirment les résultats précédemment établis à partir de 226 séries homogénéisées [Moisselin et Schneider 2002], [Moisselin et al. 2002]. L'évolution des précipitations en France au cours du XXe siècle est caractérisée par une pluviométrie annuelle à la hausse, à l'exception du sud de la France qui présente des cumuls en baisse, localisés essentiellement sur le pourtour méditerranéen. Ces résultats sont cohérents avec ceux du Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'évolution du Climat, à savoir une augmentation de 0.5 à 1 % par décennie du cumul annuel sur le XXe siècle aux moyennes et hautes latitudes continentales de l'hémisphère nord [Houghton et al. 2001]. L'évolution des précipitations est contrastée selon la saison considérée, avec des précipitations hivernales en augmentation, et des précipitations estivales plutôt en baisse.

Evolution des extrêmes de précipitations
Compte tenu du faible nombre de séries quotidiennes de référence (SQR) disponibles pour les précipitations [cf. étude] et de la forte variabilité spatiale de ce paramètre, il n'est pas possible d'établir un diagnostic à l'échelle du pays pour l'évolution des extrêmes de précipitations en France sur le XXe siècle. Des diagnostics sur les périodes 1901-2000 et 1931-2000 sont néanmoins disponibles pour quelques séries sur le sur le site d'IMFREX. On s'intéresse donc dans ce qui suit à la période 1951-2000. Les études traitant de l'évolution des extrêmes climatiques à partir de données observées portent sur des périodes comparables [Klein Tank et Können, 2003], [Frich et al., 2002].

Le cumul de précipitations sur la période 1951-2000 présente une tendance annuelle à la hausse sur le pays, à l'exception des stations situées dans une zone allant des Landes au bassin méditerranéen où le cumul annuel des précipitations présente une tendance à la baisse. La tendance à la hausse est moins marquée sur la période 1951-2000 que sur l'ensemble du XXe siècle. Les contrastes saisonniers caractérisant l'évolution des précipitations sur le XXe siècle sont nets sur la période 1951-2000 : les précipitations hivernales sont en hausse sur les 2/3 nord du pays et en baisse sur le tiers sud ; les cumuls de précipitations estivales sont en baisse, et les cumuls de précipitation en automne et au printemps sont en augmentation générale et en baisse sur le pourtour méditerranéen.

On dispose sur la période 1951-2000 de 98 séries quotidiennes de référence (SQR) qui permettent de calculer les indices définis précédemment. Comme pour l'évolution des cumuls saisonniers de précipitations, on teste la significativité de l'évolution de chacun des indices et pour chaque saison à l'aide du test de Spearman sur la corrélation des rangs. Les indices CLIVAR sur les températures traduisent tous un réchauffement marqué. Les résultats obtenus sur les précipitations sont plus contrastés. Ce résultat est cohérent avec les études réalisées à l'échelle globale [Frich et al., 2002] ainsi qu'à l'échelle européenne [Klein Tank et Können, 2003].

On observe tout d'abord une augmentation du nombre annuel de journées pluvieuses (rr1), les journées pluvieuses étant définies par un cumul de précipitation (rr) supérieur ou égal à 1 mm. Cette hausse s'observe sur l'ensemble des saisons à l'exception de l'été où le nombre de journées pluvieuses est en baisse sur la majorité des stations traitées.

Les évolutions en France sur la période 1951-2000 des principaux indices de précipitations recommandés par le programme CLIVAR ont été analysées. Les évolutions sont en majorité non significatives, les ordres de grandeur sont faibles : le quartile supérieur des tendances du nombre de jours de fortes précipitations (r10) vaut 0,8 j/décennie ; le quartile inférieur des tendances du nombre maximal de jours secs consécutifs (cdd) vaut - 0,7j/décennie ; et le quartile supérieur des tendances du maximum de précipitations cumulées sur 5 jours (r5d) vaut 2 mm/décennie.

Les indices présentent généralement un contraste nord-sud avec une pluviométrie plutôt en hausse sur une grande partie nord : le nombre de jours de fortes précipitations (r10) est plutôt en hausse au nord, le maximum des précipitations cumulées sur 5 jours (r5d) est aussi en hausse sur les 2/3 nord de la France. Les indices présentent également un contraste saisonnier été-hiver avec des sécheresses estivales en augmentation : le nombre de journées pluvieuses (rr1), le nombre de jours de fortes précipitations (r10), le maximum des précipitations cumulées sur 5 jours (r5d) et le cumul de pluie moyen des jours pluvieux (sdii) sont plutôt en baisse en été, et le nombre maximal de jours secs consécutifs (cdd) est plutôt en hausse en été.

Le GIEC attribue l'augmentation des cumuls de précipitations annuels à un accroissement de 2 à 4 % de la fréquence des épisodes de fortes précipitations [Houghton et al., 2001].

Si l'on considère l'hiver, la hausse des cumuls de précipitations sur les 2/3 nord du pays (respectivement la baisse sur le 1/3 sud) correspond à une hausse du nombre de jours de fortes précipitations (r10) (respectivement une baisse sur le sud). Cela est un peu moins net lorsque l'on regarde le nombre de jours de très fortes précipitations (r20). L'analyse de l'évolution de la fraction des précipitations supérieures au 75e, 90e, 95e ou 99e centile ne permet pas de conclure sur la part des évènements de forte précipitation dans l'augmentation des cumuls.

Si on se positionne par rapport à une partie des extrêmes analysés sur le XXe siècle par Easterling et repris dans le rapport du GIEC [Easterling et al., 2000 ; Houghton et al., 2001], la richesse des indices permet l'étude de domaines assez peu visités jusqu'alors. Les indices de sécheresse « pourcentage du nombre de jours secs consécutifs » (pdd) et « durée moyenne des périodes sèches » (dry_ spell_mean) confirment le comportement déjà noté sur le nombre maximal de jours secs consécutifs (cdd) : les périodes sèches sont plutôt en baisse annuelle (surtout au printemps) et en assez nette augmentation estivale. Leur pendant « humide » montre des évolutions nettement plus marquées sur l'année et traduisent un allongement des périodes pluvieuses : 43 % de hausses significatives du nombre maximal du jours de pluie consécutifs (cwd), 59 % de hausses significatives du pourcentage du nombre de jours de pluie consécutifs (pww), 57 % de hausses significatives de la durée moyenne des périodes pluvieuses (wet_spell_mean). Les hausses les plus nettes se situent à l'automne et au printemps et, là aussi, le signal est inversé en été.

Plus d'évènements générant des cumuls journaliers intenses : Pas nette. Si le nombre de jours de fortes précipitations, avec plus de 10 mm (r10) est en hausse sur les 2/3 nord du pays, les indices « maximum des précipitations sur 1 jour » (r1d), « cumul de pluie moyen des jours pluvieux » (sdii) et nombre de jours de très fortes précipitations, avec plus de 20 mm (r20) ne confirment pas.
Plus d'évènements générant des cumuls multi-journaliers intenses : Pas généralisée. L'indice « maximum des précipitations sur 5 jours » (r5d) est en hausse sur les 2/3 nord du pays (et surtout en automne). Confirmée par les indices : « maximum des précipitations sur 3 jours » (r3d) et « maximum des précipitations sur 10 jours » (r10d).
Sécheresses aggravées : Relativement nette en été (mais plutôt moins de sécheresses sur l'année). L'indice « nombre maximal de jours secs consécutifs » (cdd) est en hausse en été et cette hausse atteint jusqu’à 2 j/décennie. Confirmé par la baisse des cumuls estivaux de précipitations, et par la hausse des indices « durée moyenne des périodes sèches » (dry_spell_mean), « total du nombre de jours secs consécutifs rapporté au nombre total de jours secs » (pdd).
Plus d'évènements pluvieux : Relativement nette. Médiane des tendances du nombre de jours de pluie (rr1) : 2,3 j/décennie. voir aussi l'indice « nombre maximal de jours consécutifs de pluie » (cwd).

Modélisations

Selon un scénario du GIEC de type A2 appliqué au modèle ARPEGE, le réchauffement entre la fin du XXe siècle et la fin du XXIe siècle serait compris entre 3 °C et 3,5 °C, avec des impacts significatifs sur les évènements extrêmes : en particulier un été sur deux de la fin de siècle serait au moins aussi chaud que l'été 2003. Les résultats sur les précipitations montrent que les fortes précipitations deviennent plus fréquentes en hiver et moins fréquentes en été.

Hypothèses
 

Informations complémentaires (données utilisées, méthode, scénarios, etc.)

Homogénéisation des séries mensuelles
Les séries de données climatologiques contiennent des ruptures d'homogénéité qui peuvent avoir différentes causes telles que les déplacements du site de mesure ou les changements de capteurs. Ces changements peuvent entraîner des ruptures du même ordre de grandeur que le signal climatique que l'on cherche à caractériser. L'étude des changements climatiques à partir de séries brutes, sans contrôle spécifique ni examen des ruptures d'origine non climatique, peut conduire à des conclusions erronées. Des méthodes d'homogénéisation des séries ont donc été développées. La Direction de la Climatologie de Météo-France utilise la méthode développée par Caussinus et Mestre [2004] pour homogénéiser les longues séries climatologiques françaises.

On dispose actuellement de 300 séries de précipitations mensuelles homogénéisées sur le XXe siècle. Ces séries couvrent 51 départements métropolitains. On dispose de 70 séries séculaires de températures homogénéisées.

Constitution des séries quotidiennes de référence (SQR)
Pour caractériser l'évolution des extrêmes, on utilise les séries de données quotidiennes. Les méthodes d'homogénéisation actuelles ne permettent pas de corriger les ruptures sur les séries climatologiques quotidiennes. Il est clair néanmoins que lorsqu'une rupture d'homogénéité d'origine non climatique affecte une série mensuelle, la série quotidienne correspondante est elle aussi affectée par une rupture d'homogénéité.

Pour étudier l'évolution des extrêmes de températures et de précipitations, une sélection des séries quotidiennes exploitables sur une longue période a été réalisée. Cette sélection s'appuie sur les informations issues de l'homogénéisation des séries mensuelles (date et amplitude des ruptures d'homogénéité). Cette méthode permet de déterminer des périodes supposées homogènes. Un inconvénient de la méthode est la nécessité de disposer d'une série mensuelle homogénéisée pour pouvoir sélectionner la série quotidienne correspondante. D'autres critères tels que le taux de données manquantes ou les déplacements de postes sont également pris en compte pour sélectionner les séries quotidiennes.


(2) - Effets du changement climatique sur le milieu naturel
Reconstitutions
 
Observations
 
Modélisations
 
Hypothèses
 

Sensibilité du milieu à des paramètres climatiques
Informations complémentaires (données utilisées, méthode, scénarios, etc.)
   

(3) - Effets du changement climatique sur l'aléa
Reconstitutions
 
Observations
 
Modélisations
 
Hypothèses
 

Paramètres de l'aléa
Sensibilité du paramètre de l'aléa à des paramètres climatiques et du milieu / Facteurs de contrôle
Informations complémentaires (données utilisées, méthode, scénarios, etc.)
 
 

(4) - Remarques générales

Outre l'examen des tendances passées, les séries quotidiennes de référence ont contribué à valider et calibrer les modèles numériques de climat pour la période « climat présent » : modèle ARPEGE du CNRM (Centre national de Recherche Météorologique) ou modèle du LMDZ (Laboratoire de Météorologie Dynamique de l'IPSL, Institut pierre Simon Laplace). La calibration est une méthode de correction des sorties de modèle, appliquée une fois le comportement général du modèle validé. La calibration est conduite en construisant à chaque point de grille du modèle, pour chaque paramètre et chaque saison une fonction qui transforme la donnée quotidienne du modèle pour la période « climat présent » en donnée observée, cette fonction est ensuite appliquée aux données pour la période « climat futur ». Les SQR ont donc participé, indirectement, à la description du climat prévu à la fin du XXIe siècle.


(5) - Syntèses et préconisations
Données quotidiennes fiables et relativement nombreuses, les séries quotidiennes de référence (SQR) ont montré leur intérêt pour l'étude de l'évolution des extrêmes de températures et précipitations, de la même manière que les séries mensuelles homogénéisées ont montré le leur pour l'étude des paramètres moyens.

La principale crainte liée à une évolution du climat vient de l'augmentation possible de la fréquence des phénomènes extrêmes. notre étude a permis d'analyser les évolutions des phénomènes extrêmes en France au cours des dernières décennies et certaines évolutions sont particulièrement nettes. Tous les indices de températures vont dans le sens d'un réchauffement marqué sur la période 1951-2000. Des indices de précipitations, on retient d'abord l'augmentation des cumuls annuels, surtout au nord et en hiver. L'été les sécheresses deviennent plus fréquentes et intenses, et pour certains secteurs les effets se superposeront à ceux liés à l'augmentation des températures. Le groupe deux du GIEC [McCarthy et al., 2001] souligne ainsi le risque de détérioration des sols en Europe méridionale avec un climat plus chaud et plus sec. On observe également l'allongement des périodes pluvieuses. Les précipitations intenses ne présentent pas d'augmentations significatives.

La prolongation des séries quotidiennes de référence passe nécessairement par celle des séries mensuelles homogénéisées, ce travail est actuellement poursuivi. De plus, les recherches méthodologiques sur les extrêmes à Météo-France portent maintenant sur les corrections des données quotidiennes une fois les ruptures détectées et sur la modélisation des paramètres des lois de valeurs extrêmes.

Références citées (sélection) :

Caussinus, H., Mestre, O., 2004, Detection and correction of artificial shifts in climate series. Appl. Statist., part 3, 405-425.

Easterling, D.R., Meehl, G.A., Parmesan, C., Changnon, S.A., Karl, T.R., Mearns, L.O., 2000, Climate extremes: observations, modeling, and impacts, Science, 289:, pp. 20682074.

Frei, C., Schär, C., 2001, Detection probability of Trends in Rare Events: Theory and application to Heavy precipitation in the alpine Region, Journal of Climate, vol 14, pp. 15681584. [Fiche Biblio]

Frich, P, Alexander, L.V., Delta-Marta, P., Gleason, B., HaylocK, M. Klein Tank, A. M. G., Peterson, T., 2002, Observed coherent change in climatic extremes during the second half of the twentieth century, Climate Research, vol 19, pp. 193-212.

Houghton, J.T., Ding, Y. , Griggs, D.J., Noguer, M., van der Linden, P. J., Xiaosu, D., 2001, (eds.), Climate Change 2001: The Scientific Basis, Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of IPCC, Cambridge University press, UK, 944 p.

Klein TanK, a. M. G., Können, G. P., 2003, Trends in Indices of Daily Temperature and precipitation Extremes in Europe, 1946-1999, J. of Climate, 16, pp. 3665-3680.

Moisselin, J.-M., Schneider, M., 2002, Homogénéisation des séries françaises de précipitations couvrant le 20e siècle, La Houille Blanche, 6/7-2002. [Fiche Biblio]

Moisselin, J.-M., Schneider, M., Canellas, C., Mestre, O., 2002, Changements Climatiques en France au 20e siècle. étude des longues séries de données homogénéisées françaises de précipitations et températures, La Météorologie, 38, pp. 45-56.

Moisselin, J.-M., Dubuisson, B., 2005, Evolution des extrêmes de températures et de précipitations en France au cours du XXe siècle, La Météorologie, 54, pp. 33-42.