Centre Alexandre Koyré, Paris L’adaptation et la régionalisation des projections climatiques: les différentes approches et leurs problèmes Laurent Terray CERFACS/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 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 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

Suite du Grenelle, un plan national d’adaptation 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)

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

Evolution des précipitations (%) sur continent de 1900 à 2005 Changements climatiques: Forte variabilité régionale Augmentation Diminution Evolution des précipitations (%) sur continent de 1900 à 2005 Source : GIEC, 2007

A B Total 75 mm Fréquence et intensité des précipitations Changements climatiques: nécessité d’aller au-delà de la moyenne Fréquence et intensité des précipitations Total 75 mm A B Fréquence 6.7% Intensité 37.5 mm Fréquence 67% Intensité 3.75 mm Sècheresse, feux, inondations Sols humides, peu de ruissellement

Modèle climatique Modèle d’impact Variables météorologiques dans climat perturbé ~ 100-200km Modèle climatique Information sur le changement climatique Précipitations (mm/jour) Régionalisation et Désagrégation: problématique Comment étudier les impacts du changement climatique ? Impacts du changement climatique Variables météorologiques de forçage <10km Modèle d’impact Précipitations (mm/jour) Désagrégation Changement d’échelle ?

Désagrégation statistique Désagrégation dynamique La désagrégation =>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 Désagrégation statistique Désagrégation dynamique Utilisées de façon indépendante ou combinée

Relief La désagrégation dynamique 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. Relief SAFRAN 8-km résolution Modèle climatique Modèle régional 8 km 280 km 50 km

Des biais systématiques sont toujours présents Modèles régionaux: Des biais systématiques sont toujours présents (12 km) (8 km) 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 ALADIN (°C) Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

Cpe(t) = G[CGE(t)] + ε(t) La désagrégation statistique 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) 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) Différentes approches statistiques pour définir G (par exemple les méthodes d’analogue) 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 Hypothèses

Type de circulation atmosphérique, flux de sud Désagrégation: Flèches: Vent 850 hPa Lignes: Anomalies pression Désagrégation: illustration Anomalies relatives des précipitations associées (%) Modèle climatique 280 km Modèle régional 50 km Observations 8 km

Désagrégation Statistique Désagrégation Dynamique Méthodologies de désagrégation GES, Aerosols Désagrégation Statistique Désagrégation Dynamique Modèle Climatique Global Conditions Océaniques Prédicteurs Prédicteurs Modèle Régional SDM: Calibration Validation OBS. Forçages atmosphériques Bias correction Spatialisation OBS. Quelles sont les techniques de spatialisation? Forçages atmosphériques Modèle Couplé hydro-météorologique: ISBA-MODCOU

Le modèle couplé hydro-météorologique ISBA-MODCOU Scénarios climatiques avec modèle entrées Analyse SAFRAN Forçage atmosphérique: Pluie, neige, humidité rayonnements incidents, température,vent… sorties E Schéma de surface Photosynthèse, Végétation interactive H ISBA G + Neige Données physiographiques pour le sol et la végétation Analyse Safran au pas horaire (oper depuis mars 2003) des variables atmosphériques (incluant précip et flux radiatifs incidents) sur une grille régulière de 8 km ISBA: calcul du cycle diurne des bilans d’énergie et hydrique (évap., eau du sol, neige) et des écoulements: ruissellement de surface et drainage à la base du sol. Ces flux de ruissellement sont cumulés sur un jour et transmis au modèle hydrologique distribué MODCOU (CIG/ENSMP) qui calcule le routage de l’eau dans le réseau hydrographique de surface (1km de résolution), le niveau des aquifères (ex. Seine) et estime le débit journalier. Le système SIM sera oper. En déc. 2003. Qr Qi Rétroaction de la nappe sur l’humidité des sols Débits journaliers Modèle hydrologique Modcou • Nappe Source: Habets et al., 2007

L’indispensable étape d’évaluation avant la projection Winter Mean OBS NCEP (0.85) SAFRAN (0.97)

Changements moyens simulés par le multi-modèle GIEC (14 modèles) Les impacts du changement global: l’hydrologie des bassins versant français Changements moyens simulés par le multi-modèle GIEC (14 modèles) des débits annuels des fleuves et rivières français La figure de gauche donne les changements moyens (la moyenne du multi-modèle du GIEC) des débits annuels pour la période 2046-2065 en % des normales de la période 1971-2000 (l’échelle va donc de -45% à + 45%). On voit donc une baisse généralisée des débits (15-20%) et plus forte sur le sud-ouest (30%). Cette baisse des débits annuels est due en particulier à une forte diminution des débits d’étiage (forte réduction des précipitations estivales et augmentation de l’évaporation au printemps). Le panneau du milieu indique la dispersion donnée ici par un écart-type entre les différents modèles du GIEC, toujours en % des normales de la période 1970/2000. Attention les palettes de couleur ne correspondent pas même si l’unité est la même (la dispersion va de 0 à 30%). On voit que l’incertitude telle qu’elle est représentée ici est presque partout inférieure au changement moyen, en particulier dans le sud-ouest. La figure de droite donne le nombre de modèles donnant une augmentation des débits annuels (l’échelle va de 0 à 14 modèles). On voit que les réponses sont très cohérentes en signe et que l’incertitude porte essentiellement sur l’amplitude et pas sur le signe de changement de débits. Changement relatif multi-modèle des débits (%), 2046/2065 – 1971/2000 Ecart-type inter-modèle des débits (%), 2046/2065 – 1971/2000 Nombre de modèles donnant une augmentation des débits (%), 2046/2065 – 1971/2000 Thèse Julien Boé, 2007, CERFACS

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

Futur Moyen terme 2040-2070 A1B A2 B1 A1B A1B A1B Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

Futur long terme 2070-2100 A1B A2 B1 A1B A1B A1B Déqué et al., 2011 Projet SCAMPEI, http://www.cnrm.meteo.fr/scampei/

INCERTITUDES !!! La question des incertitudes Scénario d’émissions (GES, aérosols) Emissions => Concentrations 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 ... Modèle Climatique Désagrégation Modèle d’impact

L’approche probabiliste Température d’été Précipitation d’été http://www.ukcip.org.uk/ukcp09/

Les services climatiques NOAA: 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 climatiques WCC-2009: Global framework on climate services (GFCS)

Data & Method development Projet Européen IS-ENES Service climatique: analyse de 17 Etudes de cas requests Data & methods catalog Data & methods expertise Climate expertise Raw climate data Processing & 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 USER specification Agreement Satisfaction Methods and tools specification Final product OK Planning information Presentation of final product Data quality & recommenda-tion report Data & Method development rejection 1 2 3 4 5 6 7 CLIMATE RESERACHERS 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