Réf. Planton & al. 2005 - A

Référence bibliographique complète
PLANTON S., DÉQUÉ M., DOUVILLE H., SPAGNOLI B. Impact du réchauffement climatique sur le cycle hydrologique. C. R. Geoscience, 337, 2005, 193-202.

Résumé : À l'échelle planétaire, les modèles simulent de façon cohérente une intensification du cycle hydrologique dans un climat futur, plus chaud que le climat actuel. Cependant, cette intensification du cycle pourrait s'accompagner de son ralentissement dû à l'augmentation du temps de résidence de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. L'impact des changements climatiques sur les événements extrêmes de précipitations est beaucoup plus difficile à évaluer, tant les résultats dépendent des méthodologies employées, des scénarios d'émissions et, principalement, des modèles. L'augmentation des précipitations extrêmes hivernales sur  l'Europe du Nord est cependant un trait commun de ces évaluations. Le cycle hydrologique, au travers de la répartition géographique des humidités de surfaces continentales, semble jouer un rôle déterminant sur la possibilité de détecter le réchauffement  climatique en France.

Mots-clés
Réchauffement climatique, cycle hydrologique, modèles couplés océan-atmosphère, évapotranspiration, précipitations extrêmes

Organismes / Contact
Centre national de recherches météorologiques, Météo-France, 42 av. Gaspard-Coriolis, 31057 Toulouse cedex 1, France

(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 Humidité des sols    

Pays / Zone
Massif / Secteur
Site(s) d'étude
Exposition
Altitude
Période(s) d'observation
Monde, Europe, France          

(1) - Modifications des paramètres atmosphériques
Reconstitutions
 
Observations
 
Modélisations

Précipitations
Monde :

Les modèles (comparaison de 18 modèles) simulent en moyenne une augmentation des précipitations totales sur la planète de l'ordre de 0,07 mm/j sur une période de 60 ans, à comparer à l'estimation des précipitations totales déduites d'observations, qui se situe entre 2,66 et 1,82 mm/j, suivant différentes sources [18].

Cette augmentation limitée des précipitations totales masque aussi des disparités importantes suivant les régions de la planète considérées et suivant les saisons. Lorsque les changements moyens de précipitations simulés sont rapportés à l'écart entre les précipitations simulées par les différents modèles, certains traits caractéristiques communs apparaissent en effet clairement. Les moyennes et hautes latitudes connaîtraient ainsi des augmentations de précipitations significatives. Bien que moins faciles à distinguer de la variabilité inter-modèle, les tendances à l'augmentation des précipitations le long de la zone de convergence intertropicale et à la diminution des précipitations dans les régions intertropicales se dégagent aussi de l'analyse.

Les précipitations augmenteraiet donc dans les régions où elles sont déjà importantes et diminueraient là où elles sont plus faibles. Les tendances simulées sur la différence entre précipitations et évaporation en surface, une mesure du transfert d'eau de l'atmosphère vers la surface, vont en effet dans le sens d'une humidification des régions humides et d'un assèchement des régions sèches.

Il faut bien sûr nuancer cette conclusion par trop simplificatrice. Cependant, les changements de précipitations induits par une augmentation de la concentration en CO2 semblent pouvoir être interprétés à grande échelle par une modification des contraintes dynamiques et thermodynamiques que les modèles reproduisent de manière cohérente. Il s'agit, par exemple, d'une intensification de la circulation de Hadley intertropicale [10] ou d'une augmentation de la quantité d'eau contenue par l'atmosphère, notamment aux moyennes latitudes.
 
Dans une étude récente, Douville et al. [3] ont détaillé la réponse des différentes composantes du cycle hydrologique dans une simulation de scénario B2 du GIEC. La réponse en termes de changement de précipitations est bien conforme à celle exposée précédemment. Mais cette étude permet aussi de montrer que l'intensification du cycle hydrologique à l'échelle planétaire ne s'accompagne pas d'une accélération, mais, au contraire, d'un ralentissement de ce cycle. Le temps moyen de résidence de la vapeur d'eau dans l'atmosphère, évalué comme le rapport entre le contenu total en vapeur d'eau et le taux de précipitations, a en effet, sur la plupart des régions, tendance à augmenter dans le climat simulé d'ici à la fin de ce siècle. Ce résultat, obtenu avec un modèle couplé océan-atmosphère particulier, devra être bien sûr confirmé dans d'autres simulations de scénarios de changement climatique.

Europe :
Une simulation met en évidence un impact du changement climatique sur les précipitations en Europe conforme à celui qui est noté en général aux moyennes latitudes [3]. En hiver, l'augmentation des précipitations est plus importante sur l'Europe du Nord, mais cette augmentation n'est pas compensée par l'augmentation de l'évapotranspiration. Il est intéressant de noter que, si l'augmentation de l'apport d'eau au-dessus de l'Europe est essentiellement liée à la circulation moyenne atmosphérique, les changements du transport par les perturbations ont souvent un effet du même ordre de grandeur. Ils contribuent à étendre la région d'augmentation des précipitations vers le Nord de l'Europe. C'est l'importance de ces termes de transport dans le bilan qui peut expliquer la sensibilité des changements climatiques simulés en Europe en hiver à la représentation du rail des dépressions par les modèles [14].

En été, dans la simulation de scénario de changement climatique analysée par Douville et al. [3], les changements du transport de l'eau atmosphérique vont au contraire dans le sens d'une diminution de l'eau disponible pour former des précipitations au-dessus de l'Europe. Malgré une augmentation de l'évaporation de surface, toutefois plus faible qu'en hiver, les précipitations diminuent faiblement, en conformité avec les résultats de la plupart des simulations de scénario de changement climatique réalisées avec d'autres modèles couplés de basse résolution [8]. À noter que des simulations de scénario de changement climatique réalisées récemment avec une dizaine de modèles climatiques régionaux européens, sous la contrainte du scénario A2 du GIEC, indiquent de manière cohérente une diminution des précipitations estivales, plus marquée sur le Sud de l'Europe. La diminution des pluies estivales s'explique ici par une diminution, plus importante en été qu'aux autres saisons de l'efficacité du processus de formation des précipitations, en conformité avec le ralentissement du cycle hydrologique.

Précipitations extrêmes
L'impact des changements climatiques sur les événements extrêmes de précipitations est très difficile à évaluer à partir des simulations de scénarios de changement climatique. Dès lors, il s'agit souvent d'extrapoler les résultats portant sur des situations que les modèles reproduisent correctement à des situations que le modèle ne reproduit qu'imparfaitement. L'impact estimé des changements climatiques sur les événements extrêmes dépend aussi de la méthodologie employée pour le caractériser.

Monde :
Une première méthode (Kharin et Zwiers [9]) consiste à définir les extrêmes à partir de l'ajustement des paramètres de lois statistiques de distribution des événements extrêmes sur les résultats des simulations pour différentes périodes d'une vingtaine d'années. Cette méthode permet de s'affranchir de la nécessité de disposer de très longues  simulations pour déterminer l'impact du changement climatique sur les extrêmes. Elle présente, bien sûr, toutes les limites d'une extrapolation de résultats à partir de lois statistiques dont la validité ne peut être complètement vérifiée, faute de disposer de séries de données quotidiennes observées multicentennaires de qualité suffisante. Ils ont évalué la valeur du seuil de précipitations définissant les événements dont la durée de retour moyenne est de 20 ans, à la fois pour le climat présent et pour le climat futur (CO2 augmentant au rythme de 1 % par an). Ils concluent qu'à l'échelle planétaire, ces valeurs s'accroîtraient de 8 et 14 % par rapport au climat actuel, respectivement aux horizons 2040-2060 et 2080-2100. Cette augmentation serait plus importante que celle des précipitations moyennes, qui n'augmenteraient, sur les mêmes périodes, que de 1 et 4 %, respectivement.

Europe :
Une autre méthode de détermination de l'évolution des extrêmes consiste à définir ces événements à partir d'une estimation de l'écart type de la distribution des précipitations du climat actuel. Cette méthode a été mise en application par Palmer et Räisänen [12] sur les résultats des simulations CMIP. Ils calculent que la probabilité pour que les précipitations hivernales dépassent la moyenne de deux fois la valeur de l'écart type actuel passerait d'environ 2,5 % actuellement à environ 15 % sur l'Europe du Nord à la fin de la période simulée. En France, le facteur d'augmentation de cette probabilité serait compris entre 2 et 5.

Cette même méthode a été appliquée aux précipitations quotidiennes issues de deux simulations de scénarios de changement climatique régional utilisant le modèle ARPEGE-Climat, à résolution augmentée sur l'Europe et la Méditerranée [6]. L'intérêt d'utiliser un modèle dont la dimension de maille est plus petite (environ 50 km au lieu de 250 à 300 km) est que la représentation de la distribution des intensités des précipitations y est généralement améliorée. Pour les deux scénarios d'émissions considérés (A2 et B2 du GIEC), l'augmentation de la probabilité des précipitations quotidiennes hivernales entre le climat futur (période 2071-2100) et le climat actuel n'excède en général pas 60 %. Sur certaines régions de montagnes (Pyrénées, Alpes du Nord), on note aussi une très légère diminution de la probabilité. Bien que ces résultats dépendent du modèle utilisé, l'importante différence avec ceux obtenus par Palmer et Räisänen [12] conduit à considérer la résolution du modèle climatique utilisé et la résolution temporelle des données analysées comme des éléments déterminants du calcul. Selon la même méthode appliquée au cas des pluies quotidiennes estivales, la probabilité de précipitations extrêmes estivales diminuerait, dans la plupart des régions, d'un taux pouvant atteindre environ 40 %. En conformité avec une autre étude conduite avec un autre modèle climatique régional appliqué à l'Europe [1] pour le scénario B2, une augmentation très localisée de la probabilité d'un été humide peut accompagner une diminution de la moyenne des précipitations estivales (non montré). Il faut cependant rappeler que, dans ce cas, les extrêmes de pluies sont d'origine convective et sont moins bien reproduits par les modèles que ne le sont les extrêmes hivernaux. La méthode s'avère, par ailleurs, inappropriée à l'étude des événements de pluies quotidiennes les plus faibles, en raison de l'importance de la valeur de l'écart type par rapport à la moyenne.

Une troisième méthode a également été récemment mise en œuvre dans le cadre du projet IMFREX (Impact des changements anthropiques sur la fréquence des phénomènes extrêmes de vent, de température et de précipitation). Cette méthode consiste à corriger les distributions des intensités des pluies simulées par comparaison avec les distributions des intensités de pluie observées. En chaque point d'une station d'observation météorologique française comportant une longue série d'observations contrôlées des précipitations quotidiennes, les précipitations quotidiennes simulées pour le climat actuel au point du modèle le plus proche sont corrigées, de façon à reproduire exactement la fréquence des intensités observées. Ces mêmes corrections sont ensuite appliquées à la distribution des intensités simulée en ce point pour le climat futur, en faisant l'hypothèse d'invariance des corrections. L'application de ce mode de calcul permet de montrer, par exemple, que la fréquence de dépassement du seuil de 20 mm/j en hiver serait multipliée par un facteur le plus souvent inférieur à 2, dans des simulations de scénarios de type A2 réalisées à partir des modèles climatiques régionaux de Météo-France (trois simulations différentes de celles mentionnées précédemment) et de l'institut Pierre-Simon-Laplace.

L'ensemble de ces résultats montre que, si l'évaluation des changements sur les extrêmes de précipitations dépend de la méthode statistique employée, elle dépend aussi de la nature des modèles utilisés et, plus particulièrement, de leur résolution.

France :
Le point de départ de cette analyse est la détection d'un signal de changement climatique sur les températures minimales journalières observées en France au cours des dernières décennies, qui se distingue de la variabilité interne du climat [14,17]. Cette détection est fondée sur l'utilisation d'une méthode statistique, dite de l'« empreinte digitale » [7], permettant de mettre en évidence une corrélation entre la tendance observée sur 30 ans de ces températures et le signal de changement climatique calculé dans un ensemble de simulations de scénarios climatiques régionaux utilisant le modèle ARPEGE-Climat. Le niveau de confiance de la détection d'un signal calculé à partir de cette méthode est de 90 %.

Dans les simulations de scénarios régionaux de changement climatique réalisées avec le modèle régional, nous avons pu montrer que la répartition de l'augmentation des températures minimales d'été pouvait être interprétée par les variations d'évapotranspiration en surface et, plus précisément, de la sensibilité de la réponse de l'évapotranspiration à un changement d'humidité des sols donné. Plus le sol est sec, plus l'augmentation (la diminution) d'évapotranspiration réelle consécutive à une humidification (un assèchement) donnée du sol est importante. Or, c'est aussi lorsque le sol est plus sec dans le climat actuel simulé que le réchauffement des températures minimales d'été entre le climat actuel et le climat de la fin du XXIe siècle est le plus fort. Cette différence de réchauffement peut donc pour partie s'interpréter comme le résultat d'une plus forte sensibilité, lorsque le sol est déjà sec, de la diminution d'évapotranspiration à la diminution du contenu en eau du sol estival résultant du changement climatique. En effet, la diminution d'évapotranspiration favorise le réchauffement et ce mécanisme est dominant sur le changement climatique comparé, en particulier, aux processus radiatifs ou à l'advection d'air au-dessus de la surface, comme le montre la corrélation négative entre les changements d'évapotranspiration et ceux des températures minimales journalières (coefficient de corrélation d'environ -0,6 sur la France). Il reste à vérifier que ce mécanisme agit aussi dans le monde réel, ce qui semble être effectivement le cas d'après une étude préliminaire fondée sur des reconstitutions de contenus en eau à partir d'observations [15].

Le cycle hydrologique, au travers de la répartition géographique des humidités de surfaces continentales, semble donc parfois jouer un rôle dominant dans la répartition géographique du réchauffement climatique. Il paraît être, de ce fait, à l'origine de la possibilité de détecter un signal de changement climatique, observé en France sur les tendances de températures minimales d'été.

Hypothèses
 

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

Dans le cadre du projet international Coupled-Model Intercomparison Project (CMIP), Covey et al. [2] ont analysé les résultats de 18 modèles couplés océan-atmosphère simulant l'impact climatique d'une augmentation de la concentration du CO2 atmosphérique à un taux régulier de 1 % par an.


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

Europe :
Douville et al. [3] concluent que la fonte plus précoce de la neige devrait conduire en Europe à un avancement du pic printanier des écoulements. L'humidité des sols serait augmentée en hiver, particulièrement sur le Nord de l'Europe, à la fois du fait de l'augmentation des précipitations et de cette fonte plus précoce. En été, au contraire, l'humidité des sols devrait diminuer, en liaison avec l'augmentation de l'évaporation, notamment au printemps, et avec la baisse des précipitations estivales. Le changement climatique aurait donc pour effet moyen de renforcer le cycle saisonnier de l'humidité des sols.
Cependant, les auteurs soulignent le caractère incertain de l'évaluation des impacts sur le cycle hydrologique continental (incertitudes sur la représentation des écoulements à l'échelle décrite par les modèles climatiques). Il en est de même pour la représentation de l'impact des changements climatiques sur les débits des fleuves, dont les estimations dépendent fortement de la résolution du modèle utilisé [13]. Quelques études de régionalisation des impacts des changements climatiques sur les débits de fleuves français vont dans le sens d'une amplification du cycle saisonnier des débits [4]. Mais, ici aussi, les études sont trop peu nombreuses pour qu'on puisse conclure quant à la généralité des résultats.

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
 

Paramètre de l'aléa
Sensibilité du paramètres de l'aléa à des paramètres climatiques
Informations complémentaires (données utilisées, méthode, scénarios, etc.)
 
 

(4) - Remarques générales

 


(5) - Syntèses et préconisations

Les intercomparaisons des simulations de scénarios climatiques montrent, de manière cohérente, une intensification du cycle hydrologique à l'échelle planétaire dans un climat futur, en liaison avec l'augmentation de l'évaporation océanique due à l'augmentation de la température de surface. Cependant, l'analyse détaillée d'une simulation particulière semble indiquer que cette intensification s'accompagne, dans la plupart des régions, d'un ralentissement de ce cycle.
Indépendamment des incertitudes sur les modèles, les scénarios d'émissions et les méthodes, nous pouvons cependant conclure que la fréquence d'occurrence des événements extrêmes de précipitations hivernales devrait augmenter sur le Nord de l'Europe et sur la plupart des régions françaises. Cette augmentation devrait être proportionnellement plus importante que celle de la moyenne des précipitations. Par ailleurs, en été, les précipitations extrêmes les plus fortes, qui devraient généralement diminuer, pourraient localement augmenter, malgré la diminution des précipitations moyennes. Ce dernier résultat dépend lui aussi fortement du scénario et du modèle considéré.

Il faut s'interroger sur l'impact du changement climatique sur les processus microphysiques qui jouent aussi un rôle déterminant dans le processus de formation des précipitations (rôle des aérosols, modification des interactions entre les phases de l'eau, etc.). Ces processus étant encore mal reproduits par les modèles climatiques de grande échelle, il sera nécessaire de conduire des études plus détaillées, en particulier avec des modèles de moyenne échelle résolvant les cellules nuageuses.

Références citées :

[1] C. Covey, K.M. AchutaRao, U. Cubasch, P. Jones, S.J. Lambert, M.E. Mann, T.J. Phillips, K.E. Taylor, An overview of results from the Coupled Model Intercomparison Project, Global Planet. Change 37 (2003) 103-133.

[2] J.H. Christensen, B. Christensen, Climate modelling: severe summertime ftooding in Europe, Nature 421 (2003) 805-806. [Fiche biblio]

[3] H. Douville, F. Chauvin, S. Planton, J.-F. Royer, D. SalasMélia, S. Tyteca, Sensitivity of the hydrological cycle to increasing amounts of greenhouse gases and aerosols, Clim. Dyn. 20 (2002) 45-68.

[4] P. Etchevers, C. Golaz, F. Habets, J. Noilhan, Impact of a climate change on the Rhone River catchment hydrology, J. Geophys. Res. 107D (16) (2002) 4316. [Fiche biblio]

[5] C. Frei, J.H. Christensen, M. Déqué, D. Jacob, R.G. Jones, P.L. Vidale, Daily precipitation statistics in regional climate models: evaluation and intercomparison for the European Alps, J. Geophys. Res. 108D (3) (2003) 4124.

[6] A.-L. Gibelin, M. Déqué, Anthropogenic Climate Change over the Mediterranean region simulated by a gl6bal variable resolution model, Clim. Dyn. (2003) 327-339.

[7] G.C. Hegerl, H. Von Storch, K. Hasselmann, B.D. Santer, U. Cubash, P.D. Jones, Detecting greenhouse-gas-induced climate change with an optimal fingerprint method, J. Clim. 9 (1996) 2281-2306.

[8] J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. Van der Linden, X. Dai, K. Maskell, C.A. Johnson, Climate Change 2001: The Scientific Basis, University Press Cambridge, Cambridge, UK, 2001.

[9] V. V. Kharin, F. W. Zwiers, Changes in the extremes in an ensemble of transient climate simulations with a coupled atrnosphere-ocean GCM, J. .Clim. 13 (2000) 3760-3788.

[10] H. Le Treut, Les scénarios globaux de changement climatique et leurs incertitudes, C. R. Geoscience 335 (2003) 525-533.

[11] P.C. Milly, R.T. Wetherald, K.A. Dunne, T.L. Delworth, Increasing risk of great ftoods in a changing climate, Nature 415 (2002) 514-517. [Fiche biblio]

[12] T.N. Palmer, J. Räisänen, Quantifying the risk of extreme seasonal precipitation events in a changing climate, Nature 415 (2002) 512-514. [Fiche biblio]

[13] S. Planton, Scénarios de changement climatique et impacts sur l'hydrologie, La Houille Blanche 8 (2002) 73-77.

[14] S. Planton, À l'échelle des continents, le regard des modèles, C. R. Geoscience 335 (2003) 535-544.

[15] S. Planton, B. Spagnoli, Quand la simulation numérique reproduit et explique le réchauffement des nuits d'été, La Météorologie, 8e série 42 (2003) 4-5.

[16] J.-F. Royer, D. Cariolle, F. Chauvin, M. Dequé, H. Douville, R.M. Hu, S. Planton, A. Rascol, J.-L. Ricard, D. Saias-Melia, F. Sevault, P. Simon, S. Somot, S. Tyteca, L. Terray, S. Valcke, Simulation des changements climatiques au cours du XXIe siècle incluant l'ozone stratosphérique, C. R. Geoscience 334 (2002) 147-154.

[17] B. Spagnoli, S. Planton, M. Déqué, O. Mestre, J.-M. Moisselin, Detecting climate change at the regional scale: the case of France, Geophys. Res. Lett. 29 (10) (2002) 1450.

[18] P. Xie, P. Arkin, Global precipitation: a l7-year monthly analysis based on gauge observations, satellite estimates, and numerical model outputs, Bull. Am. Meteor. Soc. 78 (1997) 2539-2558. .

[19] F. Yang, A. Kumar, M.E. Schlesinger, W. Wang, Intensity of hydrological cycles in warmer climates, J. Clim. 16 (2003) 2419-2423.