L’adaptation et la régionalisation des projections climatiques: les différentes

approches et leurs problèmes

Laurent TerrayCERFACS/CNRS

Séminaire «Changement Climatique et Biosphère: Expertise,

Futurs et Politiques »,Centre Alexandre Koyré, Paris

27 Mars 2012

Cheminement

• Quelques définition/questions autour de l’adaptation

• Régionalisation et désagrégation • La question des incertitudes• Vers les services climatiques• Les points à retenir

L’adaptation: une définition et quelques questions

• A quoi veut-on s’adapter ? Une situation nouvelle• Pourquoi veut-on s’adapter ? Notions de vulnérabilité et de risque (et son acceptabilité). Nécessité d’une vision claire de la réponse si on veut mobiliser les acteurs. • Comment veut-on s’adapter ? Adaptation spontanée/planifiée Nécessité d’une politique d’anticipation

Adaptation: Action de s’adapter, v. tr. XIIIe siècle, emprunté du latin adaptare « S’ajuster à » :Ajustement des systèmes naturels ou humains en réponse à des changements (climatiques) ou à leurs effets, afin d’en atténuer les effets néfastes ou d’en exploiter des opportunités bénéfiques

Le changement climatique est déjà en cours et ses effets commencent à se manifester :« une multitude de systèmes naturels sont touchés par les changements climatiques régionaux ». Le message des scientifiques ne laisse pas de place au doute quant au sens de ces évolutions même s’il existe encore des incertitudes sur son ampleur. Des changements profonds sont désormais inéluctables, quels que soient les efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre qui pourront être déployés, du fait de l’inertie du système climatique. Ces changements vont affecter de nombreux secteurs : agriculture, forêt, tourisme, pêche, aménagement du territoire, bâtiments et infrastructures, protection des populations, etc. En ce sens, la question du changement climatique a cessé d’être une question strictement scientifique concernant un avenir lointain pour devenir un enjeu actuel et prégnant de politique mondiale.

Extrait du préambule du Plan National d’Adaptation de la France aux effets du changement climatique (2011)

Suite du Grenelle, un plan national d’adaptation

PNACC, 2011: « L’adaptation planifiée, quant à elle, résulte de décisions stratégiques délibérées, fondées sur une perception claire des conditions qui vont changer et sur les mesures qu’il convient de prendre pour parvenir à la situation souhaitée. »

DEFRA, Natural Environment Adapting to Climate Change: « It is absolutely essential that all the policies that we formulate are based on sound evidence. We now understand more about the challenges facing the earth’s climate, ecosystem services and the supply of sustainable and healthy food. There has never been a time when there was a greater need for good quality evidence to contribute to policy making and sound decisions. »

NOAA, NCS Vision and Framework: « People are not indiscriminant seekers of information; rather, they seek sources they consider to be trustworthy, relevant, and easy to use. Just as Americans have come to rely upon authoritative and official forecasts from NWS, they also want authoritative and official information about climate on many scales, from local to global, monthly to decadal. Decision makers, in particular, seek an agency that can serve as an “honest broker” of accurate, reliable climate information. »

Les exigences de l’adaptation aux risques climatiques vis-à-vis de la communauté scientifique

Les tensions inhérentes à la question de l’adaptation aux risques climatiques

• Contexte général: complexité croissante (science du climat Earth System Science), changement de paradigme méthodologique (rôle prépondérant de la modélisation) Métier du physicien du climat et nouveaux rôles: le prévisionniste et l’ingénieur

La notion de changement: détection (réalité du changement par rapport à un climat dit non perturbé) et attribution (causalité )

La diversité des types de changement: nouveaux événements / occurrence plus fréquente d’événements (cyclones, tempêtes, canicules, sécheresse) Attribution d’événements singuliers

Les échelles spatiales: global / local , lien avec la vulnérabilité Les échelles temporelles: la non stationnarité, futur proche (les trente

prochaines années) et futur lointain (la fin du siècle) La thématique des extrêmes: forte vulnérabilité et les difficultés

associées à l’estimation de leur évolution, approche probabiliste La cascade d’incertitude, son évaluation et sa hiérarchisation, comment

la communiquer Adaptation et atténuation: la géoingénierie ?

Changements climatiques: Forte variabilité régionale

Evolution des précipitations (%) sur continent de 1900 à 2005

Augmentation

Diminution

Source : GIEC, 2007

02040

1 6 11 16 21 26

02040

1 6 11 16 21 26

Fréquence 6.7%Intensité 37.5 mm

Fréquence 67%Intensité 3.75 mm

Total 75 mm

Total 75 mm

Sècheresse, feux, inondations

Sols humides, peu de ruissellement

A

B

Changements climatiques: nécessité d’aller au-delà de la moyenne

Fréquence et intensité des précipitations

Régionalisation et Désagrégation: problématiqueComment étudier les impacts du

changement climatique ?

Désagrégation

Changement d’échelle ?

Impacts du changement climatique

Variables météorologiques de forçage <10km

Modèle d’impact

Précipitations (mm/jour)

Variables météorologiques dans climat perturbé ~ 100-200km

Modèle climatique

Information sur le changement climatique

Précipitations (mm/jour)

Désagrégation statistique

Désagrégation dynamique

=>Aller de l’échelle spatiale du modèle climatique vers celle du modèle d’impact.

Deux grandes familles de méthodes:

Etablir une relation statistique entre variables locales et prédicteurs de

grande échelle

Résoudre explicitement la physique et la dynamique du système climatique régional

Utilisées de façon indépendante ou combinée

La désagrégation

Modèles climatiques régionaux:=>Augmentation de la résolution d’un modèle atmosphérique=> Meilleure représentation du relief, des traits de côtes etc. Contraints par les modèles climatiques pour les conditions aux limites.

La désagrégation dynamique

Modèle climatique Modèle régional

280 km 50 km

Relief

8 km

SAFRAN 8-km résolution

Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

Modèles régionaux:Des biais systématiques sont toujours présents

(12 km) (8 km)

ALADIN (°C)Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

Mais tous les biais ne sont pas systématiques

ALADIN (°C)Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

Correction des biais des modèles:Technique quantile-quantile

Climat futur: hypothèse de stationnarité de la correction

Idée de base: Cpe = F(CGE, Φs)avec:Cpe = le climat aux petites échelles (régionales/locales)CGE = le climat aux grandes échelles (globales/continentales)Φs = les caractéristiques de surface aux petites échelles (orographie, contraste terre-océan, usage

des sols)

Þ La désagrégation statistique consiste à établir une relation statistique G entre les variables locales et les prédicteurs de grande échelle.

Cpe(t) = G[CGE(t)] + ε(t)

La désagrégation statistique

G ne change pas dans le climat perturbé

CGE est simulé de façon réaliste dans les modèles

Le changement climatique ne joue pas sur ε

Différentes approches statistiques pour définir G (par exemple les méthodes d’analogue)

Hypothèses

Type de circulation atmosphérique, flux de sudFlèches: Vent 850 hPaLignes: Anomalies pression

Anomalies relatives des précipitations associées (%)

Désagrégation:illustration

Observations

8 km

Modèle régional

50 km

Modèle climatique

280 km

Modèle Climatique Global

GES, Aerosols

SDM: Calibration Validation

Modèle Régional

Bias correctionSpatialisation

Prédicteurs

Conditions Océaniques

Forçages atmosphériques

OBS.

OBS.

Modèle Couplé hydro-météorologique: ISBA-MODCOU

Forçages atmosphériques

Désagrégation Statistique

Désagrégation Dynamique

Méthodologies de désagrégation

Prédicteurs

Le modèle couplé hydro-météorologique ISBA-MODCOU

Analyse SAFRAN

Scénarios climatiques avec modèle

Forçage atmosphérique: Pluie, neige, humidité

rayonnements incidents, température,vent…

ISBA

Données physiographiques pour le sol et la végétation

+

Modcou

QrQi

E

H

G

Nappe

Débitsjournaliers

Photosynthèse,Végétation interactive

entrées

sorties

Schéma de surface

Modèle hydrologiqueRétroaction de la nappe sur l’humidité des sols

Neige

•Source: Habets et al., 2007

Winter MeanOBSNCEP (0.85)SAFRAN (0.97)

L’indispensable étape d’évaluation avant la projection

Changements moyens simulés par le multi-modèle GIEC (14 modèles) des débits annuels des fleuves et rivières français

Ecart-type inter-modèle des débits (%),

2046/2065 – 1971/2000

Nombre de modèles donnant une augmentation des débits (%),

2046/2065 – 1971/2000

Les impacts du changement global: l’hydrologie des bassins versant français

Thèse Julien Boé, 2007, CERFACS

Changement relatif multi-modèle des débits (%),

2046/2065 – 1971/2000

Les sources d’incertitude sur le changement climatique

• Epistémique: connaissance imparfaite des phénomènes (sensibilité climatique et rôle des nuages, cycle du carbone) pas mesurable !

• Stochastique: variabilité climatique intrinsèque et chaotique (rétroactions), problème des conditions initiales (circulation océanique) pas observable !

• Réflexive: la société fait partie à la fois du problème (émission des GES) et de la solution(atténuation et adaptation) pas estimable ! pas de base solide pour construire une distribution de probabilité des scénarios d’émission des gaz à effet de serre

• Irréductibilité congénitale de l’incertitude! Le futur est incertain, quelle prévisibilité climatique à quelles échelles ? Le degré d’incertitude est lui-même incertain, il est possible (certain?) que l’incertitude ne soit pas totalement quantifiable: pas de quête de l’incertitude vraie, elle n’existe probablement pas…

• Il faut vivre et agir avec … et fortes conséquences sur la communication de l’information climatique pour l’adaptation

Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

A1B A2 B1

Futur Moyen terme 2040-2070

A1B A1B A1B

A1B A2 B1

Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

A1B A1B A1B

Futur long terme 2070-2100

INCERTITUDES !!!

Modèle Climatique

Modèle d’impact

Scénario d’émissions (GES, aérosols)

Emissions => Concentrations

Désagrégation

La question des incertitudes

Désagrégation = juste une étape d’une étude des impacts du changement climatique. Même avec une méthode de désagrégation “parfaite”, si un seul modèle climatique ou impact utilisé: =>problème ...

L’approche probabiliste

Température d’été

Précipitation d’été

http://www.ukcip.org.uk/ukcp09/

Les services climatiquesNOAA: A climate service is a process of developing and delivering climate information in such a way as to meet a user’s need.

• Information climatique: simple ou complexe, observée et/ou simulée, toutes les échelles spatiales et temporelles, passée/présente/future

• Nécessité d’une expertise associée à l’information et à son utilisation• Diversité des utilisateurs et des domaines concernés (global/régional/national/local), Importance du contexte national

• Co-production de la connaissance à différents niveaux:

• Sciences du climat/Autres sciences par ex. Hydrologie• Producteur/utilisateur (équilibre User Pull / Science Push) et donc

nécessité d’une structure et d’intermédiaires favorisant les échanges.• Actuellement, dispersion des producteurs, de l’information et des méthodologies, pas de structure fixe ou d’intermédiaires pour les échanges, pas de gouvernance ni de coordination

• Disparité pays développés/émergents/en voie de développement

Les services climatiquesWCC-2009: Global framework on climate services (GFCS)

requests

Data & methods catalogData &

methods expertiseClimate

expertiseRaw climate

dataProcessing &

analysis methods

Collect, analyse and validation of the request Planning

Define proceeding instructions: dataset and

methods

Data processing

Quality assessment

Data Packaging

Data Release

Input Output

USE

R

spec

ifica

tion

Agreement

USE

RS

atis

fact

ion

Methods and tools

specification

Final productOK

Planning information

Presentation of final product

Data quality & recommenda-

tion report

Data & Method development

rejection

1

2

3

45 6 7

rejection

CLIM

ATE

RESE

RACH

ERSProjet Européen IS-ENES

Service climatique: analyse de 17 Etudes de cas

Déandreis et al. 2011, IS-ENES D11.2

Les points à retenir

• Adaptation: une demande forte pour des informations climatiques (observations, modélisations) à toutes les échelles et dûment validées (et faisant autorité).

• Incertitudes: présentes à tous les étages, approche probabiliste nécessaire, comment communiquer (Keep It Simple Scientists)

•Tension sur les échelles spatiales : Global / Local, diversité des méthodes de désagrégation, hiérarchie différente des sources d’incertitude,

• Tension sur les échelles temporelles : prévision décennale / projections climatiques

• L’émergence des services climatiques : une forte demande mais une structuration encore bien timide, tension Weather Service / Climate Service , la question de l’évaluation, quelle gouvernance, quel financement, inventer des nouvelles structures de co-production des savoirs

Thaïlande, Automne 2011

Garonne 2050