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Résultats du projet Climsec : un diagnostic sur les sécheresses passées et des projections pour le XXIe siècle

06/07/2011

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Lancé en mars 2008, le projet de recherche Climsec avait pour objectif de caractériser l'impact du changement climatique sur la ressource en eau, notamment sur l'humidité des sols, et de produire de nouveaux outils pour les services en charge du suivi climatique. Coordonné par Météo-France et soutenu par la Fondation MAIF*, le projet a associé des chercheurs du CNRS, du CERFACS, du Cemagref et de l'Ecole des Mines de Paris.

L'effet de serre et les émissions anthropiques modifient le climat. Si la température moyenne à l'échelle du  globe est la première concernée, d'autres composantes climatiques subissent ou subiront ce changement : parmi elles, la ressource en eau.

De nombreuses études d'impact du changement climatique sur le cycle de l'eau ont été menées ces dernières années, essentiellement sur les précipitations et les débits des rivières. Très peu ont été consacrées aux paramètres hydriques des sols superficiels, ces couches supérieures - de un à deux mètres de profondeur – dans lesquelles les plantes puisent l'eau. Pourtant, une sécheresse se décline en plusieurs composantes : des composantes météorologique (déficit de pluviométrie) et hydrologique (niveau anormalement bas des rivières) mais aussi une composante dite "agricole" (déficit des réserves en eau des sols superficiels). Pour être en mesure de gérer durablement la ressource en eau, il est essentiel de prendre en compte ces trois dimensions.

Le projet Climsec s'est donc attaché à compléter les études antérieures en produisant un diagnostic complet des trois composantes des sécheresses. Les chercheurs ont construit des bases de données de référence sur la période 1958-2008 pour les pluies, l'humidité des sols et les débits de rivière et ont défini des indices pour évaluer l'intensité des sécheresses correspondantes.

Ce travail a ensuite été étendu aux projections climatiques, pour évaluer l'impact du changement climatique sur les pluies et les réserves en eau des sols superficiels pour le XXIe siècle.

Ces différentes projections indiquent l'apparition, à partir du milieu du siècle, de phénomènes de sécheresse inhabituels par rapport aux normes actuelles tant par leur étendue que leur durée. De plus, l'aggravation est encore plus marquée pour l'humidité des sols superficiels que pour la pluviométrie.
 

* Le projet Climsec a été sélectionné en juin 2007 dans le cadre d'un appel à projet de la Fondation MAIF sur le thème «Evolution climatique, risques engendrés et impacts sur la société».

Un diagnostic complet des sécheresses passées

Des bases de données inédites construites par la modélisation numérique

Pour dresser un diagnostic étayé des sécheresses passées, les chercheurs ont besoin de longues séries de données climatologiques. Des réseaux d'observation fournissent depuis longtemps des mesures hydrométéorologiques. Mais les bases de données ainsi obtenues sont hétérogènes, car ces réseaux ont beaucoup évolué au cours du temps. Leur résolution spatiale est aussi relativement faible (un point de mesure tous les 50 kilomètres environ pour le réseau actuel). Par ailleurs, jusqu'à récemment, certains paramètres tels que l'humidité des sols n'étaient pas accessibles par des mesures physiques directes.

Les climatologues ont donc eu recours à une chaîne de modélisation numérique pour construire les séries de données nécessaires au diagnostic.
Ils ont tout d'abord produit une base de données des paramètres atmosphériques sur la période 1958-2008 en effectuant une "réanalyse atmosphérique" (1)  avec le modèle SAFRAN. En s'appuyant sur toutes les données d'observations disponibles sur la période 1958-2008  (température, humidité, vent, précipitations solides et liquides…) et les données issues de modèles de prévision du temps, le modèle SAFRAN a permis d'extrapoler les valeurs des paramètres atmosphériques toutes les heures et à une échelle spatiale très fine (un point tous les 8 kilomètres sur le plan horizontal et tous les 300 mètres d'altitude) sur ces cinquante années. La base de paramètres atmosphériques obtenue constitue une nouvelle référence pour la caractérisation du climat sur la période 1958-2008.

Cette base a ensuite alimenté le modèle numérique ISBA de Météo-France qui simule les échanges d'eau et d'énergie entre la surface du sol, la végétation et les basses couches de l'atmosphère, ainsi que le modèle MODCOU de l'Ecole des Mines de Paris qui simule le transfert de l'eau vers/dans les rivières et l'évolution des nappes aquifères. Ces modélisations ont permis de produire des jeux de données homogènes avec une résolution spatio-temporelle inédite sur la période 1958-2008 pour l'humidité des sols et les débits des rivières. Ces résultats constituent un apport essentiel pour le suivi hydroclimatique national et les futures études sur la ressource en eau.

De nouveaux indices pour évaluer l'intensité des sécheresses

Pour définir et décrire les épisodes de sécheresses, les climatologues utilisent des « indices », qui peuvent être calculés à partir des paramètres de précipitations, d'humidité des sols, de débits mais aussi d'autres paramètres climatiques (température de l'air, évaporation de l'eau…).

Depuis 2009, l'Organisation météorologique mondiale préconise d'utiliser l'indice SPI (Standardized Precipitation Index), fondé sur la probabilité que surviennent des précipitations, pour décrire les sécheresses météorologiques.

Les chercheurs engagés dans Climsec ont construit deux indices inspirés du SPI pour qualifier les autres composantes des sécheresses :
-    un indice d'humidité des sols (SSWI – Standardized Soil Wetness Index), qui tient compte de la capacité de la couverture végétale à absorber de l'eau et de la nature du sol,
-    un indice hydrologique (SFI – Standardized Flow Index), fondé sur la climatologie des débits simulés.
Comme le SPI, ces deux nouveaux indices sont standardisés : ils sont conçus de façon à s'affranchir des particularités climatiques locales. Ils permettent donc de comparer la sévérité des sécheresses touchant des régions aux climats hétérogènes.

 Illustration En calculant l'évolution dans le temps de l'indice d'humidité des sols, les climatologues peuvent identifier les différents épisodes de sécheresse des sols superficiels et évaluer leur durée, leur sévérité et leur magnitude (représentée ici par l'aire jaune).
© Météo-France
 

Résultats

Grâce à ces trois indices, les événements majeurs, en particulier les grandes sécheresses de 1976, 1989 et 2003, ont été comparés les uns aux autres afin de dégager des situations de référence pour chaque type de sécheresse.

La sècheresse de 1976 apparaît ainsi comme la plus sévère en termes de déficit de précipitations, alors que l'événement de 1989 est celui qui correspond au plus fort déficit de l'humidité des sols superficiels. La longue sècheresse des sols de 1989 dépasse ainsi largement l'événement de 2003, de forte intensité mais de courte durée.

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Relation entre surface moyenne et durée moyenne pour les principaux événements de sécheresses
météorologiques (à gauche) et des sols superficiels (à droite) depuis 1958 (durée de référence : 3 mois).
L'aire des disques est proportionnelle à la magnitude totale de chaque sécheresse.
© Météo-France

Les chercheurs ont également montré que la durée moyenne des sècheresses des sols superficiels s'avère plus importante en Provence, dans les Pays de la Loire, le Bassin Parisien et les plaines d'Alsace et de Limagne que sur le reste du territoire métropolitain.

Les produits de ces travaux, et notamment les nouveaux indices, sont actuellement testés avec les services opérationnels en charge du suivi climatique, notamment afin de contribuer à qualifier la sécheresse actuelle.

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Evolution annuelle de l'indice d'humidité des sols moyennée sur la France : comparaison de l'année 2011 (en rouge) avec la distribution climatologique (médiane, quintiles et records) depuis 1958.
© Météo-France

 

Cette première phase du projet Climsec et les résultats obtenus ont été récompensés par l'obtention du prix Norbert Gerbier Mumm 2010 de l'Organisation météorologique mondiale.

 

Des projections pour étudier l'impact du changement climatique sur les pluies et l'humidité des sols superficiels

Dans un second temps, les chercheurs ont procédé à des études d'impact du changement climatique sur les sécheresses météorologiques (déficit de précipitations) et agricoles (déficit en eau des sols superficiels). Cette étape a consisté à produire de nouvelles simulations des modèles ISBA et MODCOU, non plus à partir de paramètres atmosphériques représentatifs du climat passé, mais à partir de ceux attendus pour le futur,  issus de projections climatiques réalisées dans le cadre des travaux du 4e rapport d'évaluation du GIEC.

Les projections climatiques sont les réponses des modèles climatiques globaux à différents scénarios d'émission de gaz à effet de serre. Les projections choisies pour les études d'impact du projet Climsec sont celles qui ont bénéficié d'une régionalisation sur la France. Elles permettent ainsi de rendre compte des particularités climatiques locales non prises en compte par les modèles climatiques globaux (dont la résolution est d'environ 300 km).

Une analyse des incertitudes liées à l'étude d'impact

Chaque étape de l'étude d'impact introduit des sources d'incertitude. Il est crucial de les prendre en compte dans l'analyse des résultats. Le projet Climsec s'est donc attaché à étudier l'influence des différentes sources d'incertitude : le choix du modèle climatique global, le choix de la méthode de régionalisation et le choix d'un scénario de concentration en gaz à effet de serre.

Il apparaît ainsi que :
- les résultats dépendent plus sensiblement du choix du modèle climatique pour les sécheresses des sols superficiels que pour les sécheresses météorologiques ;
- pour les deux types de sécheresses, les résultats sont peu influencés par le choix de la méthode de régionalisation, hormis à la fin du siècle ;
- l'influence du choix du scénario de concentration de gaz à effet de serre n'est sensible qu'à partir du milieu du XXIe siècle : les écarts restent toutefois faibles entre les scénarios A2 et A1B mais ils sont plus marqués avec le scénario de concentration plus modeste B1.
Les scénarios A2, A1B, B1 correspondent à trois hypothèses socio-économiques distinctes : ils se traduisent ainsi par des émissions de gaz à effet de serre différentes, et donc des concentrations dans l'atmosphère différentes. Parmi les scénarios étudiés ici, le scénario A2 est associé aux concentrations les plus élevées, le scénario B1 aux plus faibles. Le scénario A1B est un scénario intermédiaire.

Des projections préoccupantes

La typologie des sécheresses attendues dans les décennies à venir, sous l'effet du changement climatique et par rapport au climat actuel (période de référence 1961-1990, préconisée par l'organisation météorologique mondiale), a été établie en comparant le résultat des nouvelles simulations ISBA/MODCOU avec l'état de référence reconstruit sur les 50 dernières années.
-    Pour le premier tiers du siècle, les changements identifiés par les différents modèles sont variables et peu marqués pour les sècheresses météorologiques, même si la probabilité d'apparition de sécheresse est plus importante quelle que soit la saison.
-    Au milieu du siècle, l'évolution du régime pluviométrique est encore peu sensible, mais l'assèchement des sols superficiels s'intensifie et des phénomènes inhabituels en termes d'expansion spatiale et/ou d'intensité commencent à apparaître sur toute la métropole.
-    A partir des années 2080, des déficits pluviométriques plus forts apparaissent, notamment en été. Les sécheresses des sols superficiels pourraient alors devenir extrêmes sur la majeure partie du territoire, et quasiment sans retour à la situation normale (par comparaison au climat actuel).

Il apparaît aussi que ce sont les régions qui ont en moyenne les sols les plus humides aujourd'hui (Nord-Ouest et Nord Est notamment) qui pourraient connaître à la fin du siècle les évolutions les plus fortes par rapport au climat actuel.

Si le projet Climsec confirme que les sécheresses météorologiques seront plus fréquentes et plus intenses au cours des décennies à venir, il montre aussi que les évolutions pourraient être encore plus marquées pour les sécheresses des sols superficiels. Ces dernières seront en effet aggravées par la hausse de l'évaporation induite par l'augmentation des températures moyennes en France métropolitaine. Cet élément semble prépondérant dans la compréhension des changements du cycle hydrologique au XXIe siècle et des sècheresses futures.

Cartes :
Evolution temporelle des sécheresses météorologiques au cours du XXIè siècle selon les saisons
Evolution temporelle des sécheresses des sols superficiels au cours du XXIè siècle selon les saisons

 

(1) Les paramètres atmosphériques sont calculés quotidiennement sur une grille régulière par des modèles numériques (appelés systèmes d'analyse atmosphérique), à partir des données d'observation météorologiques. Mais ces systèmes d'analyse ont évolué au fil du temps. Pour reconstruire une base de données de paramètres atmosphériques homogène sur une longue période passée, les climatologues procèdent donc à une nouvelle analyse, une « réanalyse atmosphérique », à partir de toutes les données du passé et avec un seul système d'analyse.

Actualité par Météo-France