Contexte

Avec le changement climatique en cours, le risque de catastrophes naturelles est accru et de lourds impacts sur les sociétés sont à prévoir. La modélisation du climat doit donc impérativement intégrer une composante économique pour répondre aux attentes des instances décisionnelles. Dans ce contexte, une quantification précise des incertitudes, une réflexion approfondie sur l'identification des facteurs de décision et une intégration des enjeux économiques deviennent des éléments primordiaux de toute étude climatique d'impact intégrée. Ceci est particulièrement pertinent dans le cadre de l'analyse de phénomènes très locaux et extrêmes (par exemple les précipitations intenses) qui ne sont pas facilement représentés par des modèles physiques. Dans ce cadre, toute analyse statistique et décisionnelle peut être améliorée par l'apport d'une recherche théorique et pratique de plans d'expérience car ces derniers permettent une amélioration de la représentation des incertitudes et une réduction des coûts.

Objectifs

Le projet PEPER vise à développer une méthodologie de planification d'expérience dédiée à l'observation et à la modélisation du risque d'évènements climatiques extrêmes sous contraintes économiques. Cet aspect « développement méthodologique » permettra de fournir aux autres communautés des outils statistiques et économiques génériques. Un package sous le logiciel libre de statistique « R » sera développé et mis à la disposition de la communauté internationale afin de disséminer, de manière simple et gratuite, des algorithmes de plans d'expérience développés dans le cadre de cette étude. Ils seront également intégrés à la plate-forme de calcul d'incertitude URANIE (licence LGPL) développée au CEA. 

De part sa nature théorique, l'objectif du projet ne repose pas sur le traitement d'une variable ou d'une région particulière. Toutefois, pour tester et valider la méthodologie qui sera développée, la variable climatique d'intérêt sera la précipitation car elle présente des complexités intéressantes de part son aspect local et sa distribution non-gaussienne. Concernant la région d'intérêt, l'ensemble de la zone géographique française sera étudié dans ce projet. Les approches développées se focaliseront prioritairement sur la région Méditerranéenne qui présente des particularités géographiques importantes, générant régulièrement des évènements météorologiques intenses.

Méthodologie

L'évaluation des incertitudes dans le contexte du changement climatique, sous contrainte économique, sera au centre du projet. La stratégie du projet va donc reposer sur les quatre piliers méthodologiques suivants:

- Les méthodes de downscaling, essentielles pour travailler à une échelle locale sur la variabilité climatique
- La théorie probabiliste des valeurs extrêmes qui devrait fournir un socle mathématique et permettre une meilleure intégration des évènements extrêmes dans la conception des plans d'expérience.
- L'optimisation des coûts, basée sur des fonctions de coûts et d'utilité issues de la sphère économique
- La théorie des plans d'expérience, qui devrait permettre de choisir un réseau de mesure de manière optimale

Volet 1 : Définir les liens théoriques entre les plans d'expérience et la théorie des valeurs extrêmes

Les deux premières années du projet serviront à définir et étudier de nouveaux modèles de planification qui seront en adéquation avec la théorie des valeurs extrêmes. Deux approches seront utilisées (modèles hiérarchiques conditionnels à des régimes de temps et modèles multivariés basés sur des calculs d'entropie). Les propriétés de ces modèles (qualité des procédures d'estimation des paramètres, validation de modèles, performances prédictives, etc) seront étudiées de manière théorique et à l'aide de simulation. L'aspect de la non-stationnarité (changement climatique) sera aussi étudié dans cette modélisation statistique.

Volet 2 : Evaluation des incertitudes dans la détermination itérative des expériences permettant l'amélioration des performances d'un modèle statistique à partir d'un minimum de mesures

Dans ce volet, on cherchera d'abord à recenser les contraintes (géographiques, économiques, techniques, etc.) intervenant dans la construction du plan d'expérience. On étudiera ensuite les phénomènes à modéliser afin de déterminer la famille de plan d'expérience à mettre en oeuvre. Il s'agira alors de déterminer un ou plusieurs critères d'optimalité conditionnant la construction du plan, et de mettre en oeuvre la construction et l'évaluation de plans test. A terme, les documents et outils logiciels permettant la construction de ces plans seront mis à la disposition de la communauté scientifique.

Volet 3 : Détermination d'un réseau de mesure minimal permettant un taux de détection acceptable des évènements extrêmes dans un cadre d'aide à la décision

Le troisième volet s'appuiera sur les développements théoriques issus du volet 1 et sur les avancées algorithmiques du volet 2. Il s'attachera à élaborer des procédures de décisions basées sur des critères en lien avec la réforme du système français d'assurance des catastrophes naturelles. L'objectif consiste donc, via un réseau "minimal", à faire le lien entre les décisions d'indemnisation des assureurs et le nombre d'évènements extrêmes.

Volet 4 : Communication du risque et intégration des sciences politiques

Le quatrième volet consiste à diffuser les résultats auprès des décideurs :

- Pendant les deux premiers trimestres du projet, des décideurs ou des chercheurs travaillant sur la communication du risque et son intégration dans la sphère politique seront invités à présenter leurs méthodes. Cette étape permettra d'adapter le cahier des charges du projet à leurs besoins réels, tout en prenant en compte les contraintes méthodologiques.
- Au cours des deux derniers trimestres du projet, un retour d'expérience sera effectué avec ces mêmes personnes. Un workshop interdisciplinaire dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire de Sciences Actuarielle et Financière (Lyon) et le groupe SAMA de l'IPSL sera organisée sur trois jours. Des chercheurs en économie, finance et science politique seront conviés à présenter leurs travaux en lien avec l'étude du changement climatique, des valeurs extrêmes ou des plans d'expériences. Un accent sera mis sur l'intégration de jeunes chercheurs et l'apport de quelques spécialistes des domaines concernés.