Partie II. Première phase du diagnostic
4.2. Méthodologie
neige, puis libérées au printemps avec des hautes eaux liées à la fonte atteignant leur maximum au mois de juin. La présence de glaciers sur ce bassin est très limitée et sera négligée par les modèles utilisés ici.
4.2.2. Chaîne de modélisation considérée
La production de projections long terme en hydrologie met en action une véritable chaîne de modélisation. Cette chaîne se compose de différents maillons pour lesquels des variantes sont possibles. Les données du projet RIWER2030 à notre disposition nous permettent de considérer les configurations suivantes :
• Un scénario d’émission de gaz à effet de serre : SRA1B.
Ce scénario prévoit à une augmentation des émissions jusqu’en 2050 suivie d’une diminution pour la seconde moitié du siècle. Il correspond à un scénario médian de réchauffement mondial, tel qu’il était estimé dans IPCC (2007).
• Quatre modèles climatiques globaux : CNCM33 (1 run disp.),DMIEH5C (3 runs disp.), EGMAM2 (1 run disp.),MPEH5C (3 runs disp.).
Les mécanismes des circulations climatiques à l’échelle globale font intervenir des compo- santes chaotiques qui sont intégrées dans les GCMs. Deux simulations d’un même GCM (appelées expériences ou runs) ne seront donc pas équivalentes. Pour apprécier cet aléa, plusieurs runs d’un même GCM sont généralement considérés dans les exercices de projec- tion à long terme.
• Trois méthodes de descente d’échelle stochastiques, basées sur une approche du type ana- logue : ANADTG, DDWGEN,DSCLIM avec 100 réalisations disponibles pour chacune
• Cinq modèles hydrologiques : GR4J, Mordor6, SimHyd, Cequeau etMordor.
Les trois premiers (GR4J, Mordor6 et SimHyd) sont utilisés en couplage avec CemaNeige, tandis que les deux derniers (Cequeau et Mordor) disposent de leur propre module neige.
Enfin, 40 jeux de paramètres sont considérés pour chaque modèle, issus de calages sur les observations disponibles (sous-périodes glissantes de 10 ans entre 1959 et 2008).
(1 calage sur toute la période 1959-2008 et 39 calages sur des sous-périodes glissantes de 10 ans)
L’assemblage des trois premiers maillons nous permet de générer des séries journalières de précipitations et températures sur la période 1860-2099, qui alimentent un modèle hydrolo- gique (le quatrième maillon) pour aboutir à l’émission des projections long terme de débits.
De nombreuses combinaisons d’assemblage sont possibles, chacune aboutissant à une série de débits simulés. Parmi ces combinaisons, nous en choisissons une qui servira de référence pour étudier les sensibilités des projections aux choix réalisés au niveau de chaque maillon.
Ces sensibilités sont traitées indépendamment les unes des autres, c’est-à-dire que les options d’un seul maillon sont testées à la fois, toutes choses restant égales par ailleurs. Par exemple,
nous étudierons l’impact d’un changement de modèle hydrologique sur les débits projetés en gardant les mêmes GCM, MDES, mais aussi la même période de calage du modèle.
4.2.3. Détail des sensibilités étudiées
Un seul scénario d’émission de gaz à effet de serre est à notre disposition. Par conséquent, ce maillon à l’amont de tous les autres, pourtant source majeure d’inconnues, ne sera pas soumis à notre étude de sensibilité.
Quatre modèles climatiques globaux sont à notre disposition, plusieurs expériences (ou runs) étant disponibles pour certains. Des différences importantes pouvant avoir lieu entre deux simulations d’un même GCM, nous avons fait le choix pour cet exercice simplifié de considérer dans un lot commun les différents GCMs et les différents runs d’un GCM.4
La phase de descente d’échelle est distinguée en deux sous-maillons de chaîne : la méthode uti- lisée d’une part (parmi les trois structures disponibles) et l’aléa lié à la dimension stochastique des méthodes statistiques de descente d’échelle d’autre part. Cette dimension stochastique se traduit en pratique par l’existence de différentes réalisations pour chaque méthode, 100réali- sations étant disponibles pour chaque MDES dans le cadre du projet RIWER2030.
La modélisation hydrologique est également distinguée en deux sous-maillons dans notre ana- lyse de sensibilité : la sélection du modèle d’une part, et l’impact du choix de la période de calage de chaque modèle d’autre part, qui est traité séparément. D’autres distinctions auraient toutefois pu être considérées, telles que le choix de la fonction objectif lors de l’optimisation du modèle ou encore les aléas liés aux questions d’équifinalité5. La question du choix de la formule d’évapotranspiration utilisée constitue également un point important. Cette sensibilité est partiellement incluse dans nos travaux au travers des comparaisons multi-modèles :GR4J, Mordor6 et SimHyd sont tous les trois alimentés par une ETP d’Oudin mais les modèles Cequeau etMordor utilisent leurs propres formulations dont les paramètres sont calés avec le reste du modèle. L’impact de ces différences de formulations n’est cependant pas explicitement étudié ici et un travail complémentaire pourrait venir préciser ce point.
4. Il est vrai que ce maillon aurait pu être divisé en deux à l’image de ce que nous faisons pour la descente échelle ou la modélisation hydrologique.
5. Conservation de multiples jeux de paramètres à l’issu du calage, plutôt que de n’en retenir qu’un seul.
4.2.4. Situation de référence
Maillons retenus
L’étude des différentes sensibilités listées ci-dessus est menée autour d’une chaîne de modéli- sation de référence qui correspond à la situation suivante :
- scénario d’émission de gaz à effet de serre SRA1B
- modèle climatique de circulation générale CNCM33 (unique run disponible)
- méthode de descente d’échelle DSCLIM
- réalisation analogue n°90 (de la méthode DSCLIM)
- modèle hydrologique GR4J couplé au module CemaNeige (paramètres calés)
- calage du coupleGR4J-CemaNeigesur toutes les observations disponibles(période 1961-2008)
Le choix de cette chaîne de modélisation ne relève pas complètement du hasard. Le mo- dèle de climat CNCM33 produit des simulations médianes comparativement aux deux autres méthodes disponibles. La méthode de descente d’échelle retenue (DSCLIM) permet une res- titution du régime des débits en temps présent qui est comparable à celle obtenue en utilisant les forçages SPAZM (issus de mesures et non d’un modèle de circulation atmosphérique). Les débits étant des intégrateurs du climat, cette similarité entre les débits simulés est recherchée car elle permet, dans une certaine mesure, de contrôler la pertinence de la chaîneGCM-MDES d’une façon indépendante à l’erreur du modèle hydrologique (le même modèle étant utilisé dans les deux cas). La réalisation n°90 deDSCLIM est une réalisation plutôt médiane parmi les 100 disponibles. Enfin, le modèle hydrologique choisi estGR4J, utilisé ici dans une version couplée à CemaNeige. Bien qu’il reproduise moins bien les régimes queCequeau ou SimHyd en temps présent, il comporte peu de paramètres et une période de calage 10 ans est communément jugée suffisante pour obtenir un jeu de paramètres robuste, ce qui peut être questionné pour les autres modèles.
Projections correspondantes
Les projections de débits mensuels moyens pour cette chaîne sont présentées à la figure 4.1 pour trois périodes de 30 ans correspondant à des situations de temps présent (1979-2008), milieu (2035-2064) et fin (2070-2099) du siècle. Dans ces graphiques, ainsi que dans tous ceux qui suivront dans ce chapitre, les simulations issues de la chaîne de modélisationGCM-MDES - modèle hydrologique sont indiquées en bleu. Le régime observé en temps présent est indiqué en rouge pointillé et le régime simulé en temps présent à partir des forçages observés (et non pas de la chaîne GCM-MDES) est en rouge continu. À la différence des courbes bleues qui changent donc avec la période et l’assemblage de maillons considéré, ces courbes rouges restent fixes (rq. elles sont reproduites sur tous les graphiques).
jan mar mai jui sep nov 0
50 100 150
bQmens.(m3 /s)
1979-2008
jan mar mai jui sep nov
0 50 100
150 2035-2064
jan mar mai jui sep nov
0 50 100
150 2070-2099
Figure 4.1.: Simulation des débits dela Durance à Embrun avec la chaîne de référence choisie bleu : simulation sur la période de 30 ans pour la chaîne de modélisation considérée ; rouge continu :
simulation sur 1979-2008 avec forçages observés ; rouge pointillé : observations sur 1979-2008
Mode de représentation et de lecture des résultats
Comme souvent dans ce type d’exercice, nous remarquons que la chaîne de modélisation pré- sente déjà certaines difficultés à reproduire les observations en temps présent. Cela nous invite à lire ces graphiques de manière relative (par comparaison des situations entre les différentes échéances temporelles) plutôt que par analyse des valeurs absolues de débits simulés. Le ré- gime observé est donc volontairement représenté de façon moins visible que la simulation issue des forçages observés qui constitue un meilleur point de repère. Celui-ci permet de consta- ter l’imperfection de la modélisation hydrologique lorsqu’elle est comparée aux observations (rouge continuvs.rouge pointillé, sur la période historique). Il permet surtout, pour chaque as- semblage des maillons GCM-MDES, d’apprécier l’imperfection de la représentation du climat local, indépendamment de l’erreur du modèle hydrologique (rouge continu vs. bleu continu, sur la période historique).
En résumé, notre exercice se focalise sur l’estimation des sensibilités des projections aux choix de modélisation et les courbes de projections seront, pour cette raison, analysées relativement les unes aux autres. Les valeurs absolues des projections seront relativement peu commentées, notre attention se portant sur l’épaisseur des faisceaux formés par les tests de différentes op- tions pour un maillon. Cette épaisseur nous servira d’indicateur du degré de sensibilité de la chaîne de modélisation aux différents maillons qui la composent. Enfin, seuls les graphiques concernant les débits sont présentés dans le corps du manuscrit pour assurer une clarté de l’exposé. Certaines figures concernant les forçages (précipitations et températures) sont tou- tefois disponibles dans l’annexe F, notamment celles illustrant notre situation de référence et l’étude des sensibilités des projections aux choix du GCM et de la MDES (cf. figures F.1 à F.4, pages 307-308).