Contexte

Les impacts à court terme (30 à 50 prochaines années) du changement climatique seront certainement les plus importants dans les régions tropicales et subtropicales particulièrement vulnérables aux aléas climatiques car combinant à la fois une forte variabilité climatique et une faible capacité d’adaptation à cette variabilité. Actuellement, il existe une incertitude considérable dans l’évaluation de ces impacts, en particulier lorsque l’on considère des variables sous-mailles comme les précipitations. Ces dernières sont mal simulées par les modèles sur la période actuelle, sont fournies à des échelles insuffisantes pour alimenter des modèles d’impacts, et présentent une évolution future qui diverge selon les modèles de climat utilisés pour de nombreuses régions tropicales. Or pour des agricultures essentiellement pluviales comme pour le débit des fleuves et l’évolution des plaines inondables, les changements locaux dans les précipitations (moyenne et variabilité synoptique, saisonnière et interannuelle) sont des éléments déterminants.

Objectifs

Le projet REGYNA vise d'une part à identifier les différentes sources de cette incertitude afin d’améliorer l’évaluation des impacts hydrologiques et agronomiques à court terme, et d'autre part à étudier les conséquences sociétales de ces impacts dans 3 régions vulnérables : la région méditerranéenne, l’Afrique de l’Ouest et les bassins de la Plata et du sud de l’Amazonie. Une méthodologie générique et évolutive sera mise en place. Générique car l’effort portera sur trois régions très différentes en terme de variabilité climatique (alors que l’Afrique sahélienne connaît une forte sécheresse depuis la fin des années 1960, les pluies ont augmenté depuis cette date en Amérique du Sud tropicale et subtropicale) et de scénarios d’évolution pour le futur (les modèles s’accordent sur un assèchement du bassin méditerranéen dans le contexte du changement climatique alors que les projections sur le futur divergent pour l’Afrique de l’Ouest). Evolutive car on cherchera à définir une métrique pour classer les différents modèles en fonction de leur biais sur l’actuel et le futur, qui pourrait servir à l’évaluation d’autres simulations non traitées dans le cadre de REGYNA.

Méthodologie

Volet 1 : les liens entre la grande échelle et l'échelle locale

Ce volet vise à caractériser les liens entre la circulation atmosphérique à grande échelle et les précipitations locales de manière à reproduire statistiquement les pluies locales journalières qui constituent un élément déterminant pour les études d’impacts du climat.

  Les types de temps

Il s’agit dans un premier temps d’utiliser les réanalyses atmosphériques NCEP et ERA40 pour identifier les situations atmosphériques quotidiennes qui par leur persistance, leur alternance et leur fréquence d’apparition modulent la variabilité climatique dans les régions étudiées. Une fois ces types de temps obtenus pour chacune des régions, on analysera leur fréquence d’apparition, leur persistance et les transitions d’un régime à l’autre. On obtiendra ainsi une description exhaustive de la variabilité climatique de ces régions qui sera comparée avec celle de la littérature.

  Les liens avec la pluie

Il s’agit de décrire les liens entre les régimes de temps et les précipitations. Pour chacune des trois régions concernées par le projet, on dispose d’une base de données pluviométriques à l’échelle de la station d’au moins 30 années. Il semble donc possible à partir de ces données d’évaluer les effets des événements atmosphériques de grande échelle sur les précipitations locales en établissant une fonction de transfert entre la classification en types de temps et les caractéristiques des pluies locales (fréquence d’occurrence, intensité, périodes humides ou sèches…). L’approche statistique développée permettra de caractériser les événements de pluies habituels et extrêmes, l’objectif étant de reproduire au mieux les précipitations locales de chacune des trois régions d’intérêt et non de maximiser les performances de la méthode sur une seule région. Par ailleurs, la méthode sera évaluée sur la base des données de la période actuelle : erreurs et incertitudes, capacité à décrire la fréquence des valeurs journalières de pluies, leur variabilité saisonnière et interannuelle.

Volet 2 : Evaluation des incertitudes dans le contexte du changement climatique

Dans cette partie, on appliquera la régionalisation des précipitations dans le contexte du changement climatique. Cette régionalisation ainsi que l’utilisation des projections du climat futur sont assorties d’une hiérarchie d’incertitudes que l’on tentera de quantifier. C’est cette quantification de l’incertitude, essentielle pour les études d’impacts du climat, qui guidera les grandes lignes de cet axe.

Incertitudes sur les projections du climat futur

Une méthodologie en 2 étapes sera employée pour évaluer les incertitudes liées à la fois aux différences entre les modèles et aux projections du climat futur :
- Evaluation, pour deux scénarios d’émission de gaz à effet de serre (SRESA2 et SRESB1), des biais et des projections données par les modèles disponibles de la base IPCC, pour chacune des régions d’étude. Etude de la possibilité de grouper les modèles entre eux et recherche d’un lien éventuel entre biais et projections. Ce travail devrait fournir une mesure quantitative de la capacité des modèles à reproduire les structures de précipitations observées à différentes échelles de temps et à prévoir leur évolution en réponse au changement climatique. L’objectif de cette étape est de classer les modèles à la fois sur la façon dont ils représentent le climat actuel et sur la façon dont ils évoluent dans le futur.
- Choix des modèles qui seront utilisés pour l’étude des impacts.

Incertitudes sur les performances des modèles

Si le premier objectif du travail de régionalisation est de réduire les échelles des phénomènes résolus par les modèles de climat, cette réduction d’échelle ne serait pas suffisante si elle ne s’accompagnait pas d’une amélioration de la représentation du climat présent en termes de moyenne et de variabilité, dont celle des événements extrêmes. Pour les modèles sélectionnés, l’amélioration des simulations de précipitations sur la période actuelle sera démontrée en deux étapes :
- Evaluation de la capacité des modèles sélectionnés à reproduire les variables atmosphériques (définissant les types de temps) nécessaires à la régionalisation des précipitations ;
- Application de la fonction de transfert définie dans le volet 1 aux données issues des différents modèles, et comparaison des pluies locales ainsi générées avec les pluies locales observées. De meilleurs résultats que ceux obtenus avec les modèles climatiques actuels (à échelles comparables) sont attendus.

Incertitudes sur le signal du changement climatique

Pour chaque modèle sélectionné, plusieurs simulations seront menées (même scénario mais conditions initiales légèrement différentes) afin de mesurer la variabilité interne du modèle (incluant les variabilités décennale et multi-décennale) et de la comparer à l’amplitude du signal du changement climatique sur le futur proche (30 à 50 prochaines années). Ceci permettra d’évaluer dans quelle mesure les projections fournies par les modèles sont associées à un changement durable du climat ou à un événement de la variabilité décennale ou multi-décennale du climat.

Incertitudes sur le devenir des types de temps dans le futur

La méthode de régionalisation statistique développée dans le volet 1 est basée sur les liens actuels entre les régimes de temps à grande échelle et les précipitations locales. Sachant que ces relations ne sont pas garanties dans un climat modifié, la méthode de régionalisation peut-elle être appliquée aux scénarios de changement climatique, et si oui avec quelles incertitudes ? Cette question sera traitée par plusieurs approches :
- La stabilité de la méthode sera attestée par un processus d’évaluation qui sera mené sur trois régions différentes. Une telle méthode exclut l’introduction, dans la fonction de transfert, de particularités trop locales pouvant contribuer à l’instabilité de la méthode dans le contexte du changement climatique.
- Dans l’objectif d’une application de la régionalisation aux climats futurs, l’hypothèse d’un maintien des structures atmosphériques actuelles mais d’une modification de leurs fréquences d’occurrence est posée. Cette hypothèse sera vérifiée sur les modèles choisis.
- Enfin, pour s’affranchir de l’évolution des types de temps, on propose également une méthode statistique très simple pour générer des champs locaux futurs (précipitation et/ou températures) en modifiant les séries observées actuelles de façon à ce qu’elles reproduisent les changements dans la moyenne et la variabilité d’un scénario de changement climatique. Ce type de méthode basique peut être appliquée pour chaque modèle et scénario sélectionné de façon à servir de référence pour l’analyse des méthodes plus sophistiquées.

Volet 3 : les impacts du changement climatique en régions vulnérables

Evaluation des risques hydrologiques en Amérique du Sud

L’objectif de cette partie est d’évaluer le devenir des débits des rivières et des caractéristiques des plaines d’inondations dans le sud du bassin amazonien (Bassin du Madeira en Bolivie, Sud Ouest du Brésil) et dans le bassin de La Plata. Ce travail permettra notamment d’évaluer la vulnérabilité et la pérennité de fonctionnement de plusieurs infrastructures en projet (ports fluviaux le long de l’axe Rosario-Buenos Aires, centrales hydroélectriques du Madeira, voies fluviales amazoniennes), et de produire des cartes de zones à risques pour les populations, l’élevage et les cultures de céréales autour de villes (Buenos Aires) et des vastes plaines d’inondations (Llanos de Moxos en Bolivie, Entre Rios, Corrientes, Sante Fe).

Etape 1 : Amélioration de la connaissance des liens entre pluies et débits des rivières. Ce travail sera mené à l’aide des informations issues des bases de données construites au sein de l’ORE Hybam concernant plusieurs bassins du Sud de l’Amazonie (de tailles variables et sujets à une très forte variabilité saisonnière et interannuelle). La modélisation pluie-débit permettra ainsi de déterminer des scénarios d’évolution d’événements extrêmes à partir des champs régionalisés définis précédemment. Par ailleurs, la méthodologie mise au point dans le volet 2 permettra de mesurer l’incertitude des résultats obtenus grâce à l’analyse des biais et tendances des différents modèles.

Etape 2 : Etude des liens entre pluviométrie, débit des rivières et extension des zones inondées. Les zones inondées de la région des Llanos (Bolivie) présentent une dynamique complexe et stockent de grands volumes d’eaux au sein de champs d’inondations dont l’extension a été estimée entre 70000 et 150000 km². Pourtant les flux d’eaux semblent partiellement décorrélés de l’hydrologie des principaux cours d’eaux. Une meilleure cartographie des zones inondées et leur lien avec l’hydrologie du bassin versant apparaît donc nécessaire. Elle sera possible grâce à l’exploitation, sur plusieurs cycles hydrologiques, de données satellites MODIS (images journalières des cours d’eau et champs d’inondation) et de données altimétriques. Des cartes indiquant les zones à risques d’inondation (avec différentes probabilités) pourront alors être établies d’une part pour la période actuelle, et d’autre part pour différents scénarios d’évolution du climat en se basant sur les champs de pluies régionalisées définis dans le volet 2.

Les impacts du changement climatique en Afrique de l’Ouest

L’objectif de cet axe est de quantifier le devenir de la productivité de cultures tropicales pluviales qui occupent une place majeure dans les ressources alimentaires et financières de nombreux pays en développement des latitudes tropicales. L'effort sera porté sur l'Afrique de l’Ouest où de nombreuses données météorologiques (principalement pluviométriques) et agronomiques (rendement, surface cultivée, production…) sont disponibles.

Etape 1 : Identifier les facteurs climatiques les plus importants pour le rendement des cultures, via des analyses statistiques et des modèles plus mécanistes qui simulent la satisfaction en eau de la plante : SARRAH et et ORCH-Mil. Ce dernier modèle, en cours de développement est le fruit d’une collaboration entre le LSCE et le LOCEAN pour intégrer dans le modèle ORCHIDEE une représentation des cultures tropicales. L’évolution future du rendement des cultures pourra alors être déduite en appliquant ces relations climat-rendement (issues des observations) aux projections climatiques régionalisées. La méthodologie définie dans le volet 2 aura permis d’évaluer les incertitudes des projections du changement climatique. On pourra étudier la façon dont ces incertitudes se reportent sur les projections de rendement, sur une région où les modèles divergent fortement quant au devenir des pluies de mousson déterminantes pour l’agriculture.

Etape 2 : Mise au point d’un modèle simulant le comportement des agriculteurs en fonction du climat. En effet, dans cette région caractérisée par une forte variation interannuelle des précipitations, les producteurs préfèrent diversifier leurs cultures plutôt que de se spécialiser dans la culture la plus rentable, et limitent l’utilisation d’intrants de peur de ne pouvoir rembourser les emprunts contractés pour les acheter en cas de mauvaise récolte. Les cultures étudiées seront le coton, le maïs, le sorgho et le mil. Le modèle simulera le choix des cultures et celui du niveau d'intrants par les agriculteurs, et permettra de quantifier la modification de ces choix du fait du changement climatique. Il sera alors possible, pour les différents scénarios de changement climatique dont les précipitations auront été régionalisées précédemment, d’estimer le déplacement des zones de cultures par le déplacement des "analogues" climatiques. Il sera particulièrement intéressant d'étudier si certaines cultures importantes se déplacent au point de passer des frontières, une situation potentiellement génératrice de problèmes géostratégiques.

Adaptabilité et résilience sociale et écologique en climat méditerranéen

En région méditerranéenne, on s'attend à ce que le changement climatique entraîne une augmentation de la fréquence des sécheresses sévères et prolongées et des événements extrêmes, notamment les pluies abondantes et violentes. Cette partie du projet REGYNA se propose d'étudier plus précisément les impacts du changement climatique sur l'oléiculture méditerranéenne, fortement dépendante des températures et des précipitations. L'étude répond à une sollicitation des acteurs territoriaux, l'ADR Sierra Magina (association de développement rural) quant au futur de l'oléiculture de leur région face au changement climatique.

Il s'agira de développer un programme de recherche visant à mieux qualifier les tendances actuelles climatiques, sociales et écologiques, et à construire des scénarios en fonction des changements climatiques projetés.
Les axes de travail envisagés sont :
Etape 1 : Qualifier l'état moyen du climat méditerranéen mais aussi sa variabilité récente au regard des facteurs importants pour l'oléiculture. Un travail préalable de collecte des savoirs locaux sur le terrain permettra d'identifier les paramètres climatiques clés de la physiologie de l'olivier. Il sera suivi d'une étape de régionalisation du climat futur visant à obtenir des projections climatiques sur la région de la Sierra Magina.
Etape 2 : Explorer la sensibilité des acteurs locaux par rapport à la problématique du changement climatique. Des enquêtes seront menées dans l'objectif d'évaluer la capacité d'adaptation au changement climatique de la société locale et de son agro-éco-système. On veillera à échantillonner les acteurs à interviewer de façon à inclure à la fois des acteurs individuels (agriculteurs, habitants) et institutionnels, et à représenter la diversité spatiale de la situation de l'oléiculture dans la région étudiée.