# Réponse du cycle hydrologique aux forçages anthropiques: Que nous disent les dernières simulations du GIEC?

Hervé Douville, Pascal Terray

► To cite this version:

Hervé Douville, Pascal Terray. Réponse du cycle hydrologique aux forçages anthropiques: Que nous disent les dernières simulations du GIEC?. La Météorologie, 2007, 57, pp.31-36. 10.4267/2042/18187. hal-01322981

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# Réponse du cycle hydrologique aux forçages anthropiques

## Que nous disent les dernières simulations du Giec ?

Hervé Douville(1) et Pascal Terray(2)

(1) Météo-France - Centre national d'études et de recherches météorologiques (CNRM) 42, avenue Gaspard Coriolis - 31057 Toulouse Cedex 01 herve.douville@meteo.fr

(2) Lodyc-IPSL - Université Pierre et Marie Curie - Paris

Cet article est la reprise du chapitre 5 du rapport Escrime, publication collective de la communauté des chercheurs français dans le domaine du changement climatique (voir la présentation dans La Météorologie 56, page 26).

## Résumé

L'objectif de cet article est de dresser un bref inventaire des principaux résultats publiés depuis le 3e rapport d'évaluation du Giec et de situer la contribution de la communauté française sur le thème de la réponse du cycle hydrologique aux forçages anthropiques pris en compte dans les scénarios climatiques du XXIe siècle.

## Abstract

### Response of the hydrological cycle to anthropic forcing: What tell the last IPCC simulations?

The aim of this article is to make an inventory of the main results published since the IPCC 3rd Assessment report and to the french community contribution on the response of the hydrological cycle to the anthropic forcings taken into account in the climatic scenarios of the 21st century.

La réponse du cycle hydrologique aux forçages anthropiques est, pour de nombreuses raisons, beaucoup plus difficile à prévoir que celle des températures. Au-delà des inconnues liées aux différents scénarios d'émissions de gaz à effet de serre(1), qui jouent principalement sur l'amplitude des anomalies simulées, les projections hydrologiques globales demeurent très variables d'un modèle à l'autre. Il s'agit là d'incertitudes beaucoup plus fondamentales et problématiques que celles associées aux forçages, car la réponse d'un modèle particulier ne peut être déduite des autres modèles. Dans certains cas, c'est le signe même des impacts hydrologiques à grande échelle qui reste incertain. Les incertitudes sont cependant réparties de manière très hétérogène. Elles sont importantes en ce qui concerne les précipitations tropicales, notamment sur l'Afrique de l'Ouest. Elles sont généralement plus faibles aux moyennes et hautes latitudes, en particulier sur l'Europe, où la plupart des modèles s'accordent pour prévoir un assèchement estival marqué au Sud et une augmentation des précipitations hivernales au Nord. Globalement, on semble se diriger vers une accentuation des contrastes hydrologiques spatio-temporels qui devrait se traduire par une multiplication et une intensification des inondations et des sécheresses. Cependant, de nombreux points restent encore à éclaircir concernant la nature exacte et la répartition régionale des impacts, montrant la nécessité de mieux contraindre la réponse hydrologique des modèles. Cette tâche prioritaire demeure extrêmement difficile pour deux raisons principales :

## LIVRE BLANC
### ESCRIME

### Étude des Scénarios Climatiques
Réalisés par l'IPSL & Météo-France

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Édité par :

Laurent Terray (CERFACS) et Pascale Braconnot (IPSL/LSCE)

Avec le soutien de l'INSU, de l'ONERC et de l'IDDRI

- la multiplicité et le caractère parfois grossier des paramétrisations physiques qui contrôlent l'état actuel et la sensibilité du cycle hydrologique ;

- le manque de résultats probants concernant la détection des changements hydrologiques, du fait de l'insuffisance des observations, des faiblesses des modèles, des incertitudes sur les forçages anthropiques du XXe siècle et de leurs effets parfois antagonistes sur les précipitations.

<footnote>(1) Pour les scénarios d'émission du Giec, voir Dufresne et al., 2007. Le scénario A2 est « pessimiste », le scénario B1 « optimiste » et le scénario A1B « moyen ».</footnote>
Réponse globale

L'intensification à long terme du cycle
hydrologique global en réponse à l'ac-
croissement de l'effet de serre ne fait plus
guère de doute. Modèles et observations
suggèrent en effet que le réchauffement
global de la planète se fait à humidité
relative quasi constante, c'est-à-dire avec
une augmentation significative de la
vapeur d'eau présente dans la tro-
posphère. Il faut cependant noter que
cette intensification s'accompagne dans
les modèles d'un ralentissement du cycle
de l'eau, déjà constaté dans les précé-
dents scénarios climatiques réalisés au
CNRM (Douville et al., 2002). Il faut
aussi remarquer que l'augmentation des
précipitations globales n'est pas encore
clairement observée, notamment enrai-
son de la couverture très partielle du
réseau d'observation conventionnel et
d'une diminution des précipitations tropi-
cales continentales pendant la seconde

moitié du XXe siècle. Cela ne remet pas
nécessairement en cause les projections
climatiques basées sur les modèles cou-
plés océan-atmosphère. D'une part, la
diminution des pluies tropicales conti-
nentes est correctement reproduite par
certains modèles atmosphériques, qu'ils
soient forcés par des températures de sur-
face de la mer (TSM) observées (Kumar
et al., 2004) ou couplés à un modèle
océanique et forcés par des concentra-
tions observées de gaz à effet de serre
(Wang et Lau, 2006). D'autre part, la
relative convergence des modèles couplés
sur l'accroissement des précipitations
globales ne se manifeste qu'à la fin du
XXe siècle et disparaît lorsqu'on se limite
au domaine continental (figure 1). Les
principales sources d'incertitude recen-
sées concernent la paramétrisation des
effets directs et indirects des aérosols
anthropiques (Liepert et al., 2004 ;
Ramanathan et al., 2006), la répartition
spatiale des anomalies de TSM sous les

tropiques (Douville, 2006a ; Barsugli et
al., 2006), ainsi que la simulation des
téléconnexions entre précipitations et
TSM tropicales (Douville et al., 2006 ;
Joly et al., 2006).

Une autre interrogation majeure
concerne la réponse de l'évaporation
globale. La plupart des modèles s'accor-
dent sur un renforcement de l'évapora-
tion océanique dès le XXe siècle, mais
cette tendance reste difficile à vérifier
dans les observations (Liu et Curry,
2006). La réponse continentale est, quant
à elle, très variable d'un modèle à l'autre,
non seulement en raison des incertitudes
déjà évoquées sur les précipitations, mais
également en raison de l'introduction de
nouvelles paramétrisations dans les
modèles, telles que l'effet direct du CO2
atmosphérique sur la transpiration des
plantes. Cet effet tendrait à limiter l'éva-
poration des surfaces recouvertes de
végétation et serait important au point

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 - Anomalies filtrées (filtre digital passe-bas avec une fréquence de coupure à 10 ans) des précipitations et de l'évaporation annuelles en mm/j relativement à la climatologie 1971-2000 dans les simulations historiques et les scénarios A2 du Giec-AR4 (résultats de divers modèles climatiques). En haut : moyennes globales. En bas : moyennes globales continentales (sauf Antarctique). Sont également tracées à titre indicatif l'évolution des précipitations continentales estimées à partir de la climatologie CRU TS2.1 et l'évolution de l'évaporation continentale estimée à partir des réanalyses ERA40 (à considérer avec beaucoup de prudence).</figcaption></figure>
d'expliquer en partie l'accroissement du ruissellement continental global observé au cours du XXe siècle (Gedney et al., 2006). Ce résultat doit cependant être considéré avec beaucoup de prudence, tant les observations utilisées sont de qualité insuffisante pour prétendre détecer une éventuelle signature de l'enrichissement atmosphérique en CO₂. Une autre étude, basée sur un ensemble de simulations du Giec, suggère à l'inverse que l'effet radiatif du CO₂ suffit à expliquer une part significative de l'évolution récente des débits des grands fleuves, sans pour autant démontrer que le forçage anthropique soit ainsi clairement détecté (Milly et al., 2005). Concernant enfin l'humidité des sols, les scénarios obtenus varient largement d'un modèle à l'autre, mais ils soulignent majoritairement la possibilité d'une diminution des ressources en eau pendant la saison de croissance des végétaux dans les principales régions agricoles (Wang, 2005).

Devant de tels risques et de telles incertitudes, il est urgent de réfléchir aux moyens de contraindre la réponse hydrologique des modèles couplés dans les scénarios climatiques (Allen et Ingram, 2002). Les simulations paléoclimatiques permettent notamment de tester la sensibilité des modèles à des forçages externes relativement importants. Ces forçages sont malheureusement d'une autre nature que ceux pris en compte dans les scénarios, et la validation ne repose alors que sur des observations indirectes et partielles. Les études de **détection-attribution**<sup>(1)</sup> représentent une solution potentiellement plus efficace. Néanmoins, le caractère limité des observations disponibles au cours du XXe siècle et l'importance de la variabilité naturelle des précipitations sont des obstacles majeurs. Une étude récente, basée sur la moyenne globale des précipitations continentales, indique que le signal anthropique n'est détecté que dans la moitié des modèles étudiés (Lambert et al., 2005). La formulation des modèles paraît ainsi plus importante que le raffinement des forçages utilisés pour mettre en évidence une modification du cycle hydrologique.

Au-delà de la comparaison des tendances observées et simulées, la validation de la variabilité interannuelle apparaît

comme une alternative intéressante. Douville et al. (2006) montrent par exemple que les relations précipitations-températures globales mises en évidence à l'échelle interannuelle ont un lien apparent avec la sensibilité hydrologique des modèles au renforcement de l'effet de serre. Ils suggèrent ainsi que l'Enso, qui domine la variabilité naturelle du cycle hydrologique global, pourrait représenter un substitut intéressant du réchauffement global pour tester les modèles. L'étude semble notamment discréditer le modèle le plus sensible en termes de précipitations continentales. La méthode demeure cependant critiquable dans la mesure où les anomalies interannuelles de TSM liées à l'Enso sont réparties de façon beaucoup moins uniforme que dans le cas des scénarios du XXe siècle. Douville et al. (2006) tentent de répondre à cette critique en stratiifiant les anomalies interannuelles selon leur ressemblance avec les structures tropicales du réchauffement global en surface. Cette stratégie originale s'avère parfois payante, mais reste inopérante lorsque le changement climatique ne se projette pas sur les modes de variabilité interannuelle des TSM.

## Contrastes régionaux et variabilité temporelle

En moyenne zonale (figure 2), la réponse des précipitations annuelles dans les scénarios SRES A2 réalisés en vue du 4e rapport d'évaluation du Giec montre un comportement assez cohérent d'un modèle à l'autre (Douville et al., 2006) :
- accroissement des précipitations aux moyennes et hautes latitudes, accompagné d'un déplacement vers les pôles des maxima de précipitations associés aux rails dépressionnaires (Douville et al., 2002) ;

- diminution dans les régions sub-tropicales ;

- augmentation en zone équatoriale par renforcement des précipitations associées à la zone de convergence intertropicale.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 - Moyennes zonales des anomalies annuelles de précipitations (P), d'évaporation (E) et de convergence d'humidité (P-E) sur continent (en haut) et sur océan (en bas) dans les scénarios A2 du Giec -AR4 par comparaison entre les climatologies calculées sur les trente dernières années du XXe et du XXIe siècle respectivement.</figcaption></figure>

<footnote>(1) Détection : démonstration que le climat a changé dans un sens statistique défini, sans donner de raison à ce changement. Attribution : établissement des causes les plus probables pour un changement détecté avec un certain niveau de confiance.</footnote>
Sur continent, cette distribution zonale des anomalies doit cependant être nuancée. Elle se superpose à des gradients de plus fine échelle et laisse apparaître des divergences importantes entre les modèles. En zone tropicale, ce n'est pas seulement l'intensité mais aussi le signe des anomalies continentales qui reste incertain. Dans ces régions, une grande partie des pluies annuelles est associée au phénomène de mousson, notamment en Afrique de l'Ouest et au sud de l'Asie. Bien que les modèles montrent en général un affaiblissement de ces circulations de grande échelle, conformément aux études précédemment réalisées au CNRM (Douville et al., 2000b ; Ashrit et al., 2003) et à certains arguments théoriques (Held et Soden, 2006), les précipitations de mousson ne diminuent pas nécessairement dans les scénarios climatiques du XXIe siècle. Elles tendent plutôt à augmenter sur le sud de l'Asie, tandis que la réponse reste très incertaine sur l'Afrique de l'Ouest (Douville et al., 2006). La difficulté des modèles à reproduire les caractéristiques actuelles des climats de mousson n'est pas la seule explication à la diversité des résultats obtenus. Parmi les autres sources d'incertitudes, le rôle des aérosols semble particulièrement important (Biasutti et Giannini, 2006 ; Held et al., 2006 ; Ramanathan et al., 2006) ainsi que la réponse du Pacifique tropical (Douville et al., 2006 ; Douville, 2006a) ou, dans une moindre mesure, les rétroactions biophysiques potentiellement liées aux surfaces continentales (Douville et al., 2000a).

Aux moyennes et hautes latitudes, la réponse des précipitations est plus consensuelle avec une augmentation en moyenne annuelle (Douville et al., 2006). Les projections sont particulièrement cohérentes sur l'Europe, avec un assèchement marqué sur le Sud et une augmentation plus ou moins importante des précipitations annuelles sur le Nord, la limite entre les deux régions se situant entre 45 et 50° N. De manière générale, les changements régionaux de précipitations prévus dans les nouveaux scénarios réalisés pour le 4e rapport d'évaluation du Giec semblent plus cohérents que dans la génération précédente (Giorgi et Bi, 2005). La réponse du bilan d'eau en surface reste cependant très incertaine. Elle dépend, non seulement des anomalies de précipitations simulées, mais également de la modélisation du sol et de la végétation. À titre d'exemple, la paramétrisation de la résistance stomatique des plantes influence la réponse de l'évaporation (Gedney et al., 2006), de même que celle du permafrost influence

la réponse du ruissellement aux hautes latitudes (Poutou et al., 2004). Par ailleurs, contrairement à ce qu'indiquent certaines simulations, le réchauffement en surface observé aux moyennes latitudes de l'hémisphère Nord ne s'est, pour le moment, pas encore traduit par un assèchement estival des sols (Robock et al., 2005) ni même par une augmentation de l'évaporation potentielle (Roderick et Farquhar, 2002), si l'on se réfère aux quelques observations disponibles. Le retrait progressif de la couverture neigeuse hivernale observé depuis les années 1970 est, en revanche, reproduit par certains modèles, comme cela avait déjà été mis en évidence dans la précédente génération de scénarios du CNRM (Douville et al., 2002).

Une fois encore, les études de détection-attribution demeurent un outil privilégié pour tester la sensibilité des modèles. Elles demeurent cependant rares à l'échelle régionale, en raison d'une diminution fréquente du ratio signal sur bruit par rapport aux études plus globales. Des tentatives sont cependant en cours pour tenter de mettre à jour des réponses hydrologiques significatives sur l'Afrique de l'Ouest, l'Europe ou même la France dans le cadre du projet français Discendo (www.cerfacs.fr/globc/Discendo). De tels travaux peuvent être complétés par une analyse approfondie de certains scénarios, visant à comprendre les principaux mécanismes qui sous-tendent la réponse hydrologique des modèles à l'échelle régionale (Douville et al., 2002). De ce point de vue, l'étude la plus ambitieuse est probablement celle de Rowell et Jones (2006) visant à dis-

criminer quatre mécanismes susceptibles d'expliquer l'assèchement estival simulé sur l'Europe. En remontant ainsi aux causes des anomalies de précipitations prévues, on peut formuler certaines hypothèses sur leur caractère plus ou moins robuste. La réduction des incertitudes régionales passe également par une approche probabiliste multimodèles. Des réflexions sont en cours pour pondérer chaque scénario selon une métrique susceptible de rendre compte de la qualité des modèles. Le débat sur la métrique idéale reste cependant très ouvert (Collins et al., 2005).

Au-delà des hétérogénéités spatiales, la réponse hydrologique des modèles aux forçages anthropiques montre également des signatures temporelles. On note en particulier un renforcement des contrastes saisonniers, notamment aux moyennes latitudes de l'hémisphère Nord (Douville et al., 2002 ; Wang, 2005), même si cette tendance est difficile à vérifier dans les observations (Robock et al., 2005). De nombreux modèles s'accordent également pour prévoir une augmentation de la variabilité interannuelle des précipitations, notamment dans les régions de mousson, ainsi que des extrema de précipitations mensuelles aux moyennes et hautes latitudes. L'analyse des sorties quotidiennes indique, par ailleurs, un accroissement probable de l'intensité des pluies, déjà perceptible dans les séries observées du XXe siècle sur la plupart des continents extratropicaux (Groisman et al., 2005 ; Klein Tank et Können, 2003). De tels changements ne sont guère étonnants dans les régions où les cumuls saisonniers tendent à augmenter, étant donné la nature asymétrique

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Les inondations, un danger du changement climatique ? (Photo Météo-France)</figcaption></figure>
de la distribution des précipitations quotidiennes. Il serait donc intéressant de distinguer ce qui relève réellement d'un accroissement de la variance de ce qui reflète simplement une augmentation de la moyenne. Nous ne prolongerons pas ici la discussion sur les événements climatiques extrêmes car ils font l'objet d'un chapitre [du livre blanc Escrime, Ndlr] spécifique. Notons toutefois que le renforcement des contrastes spatiaux et saisonniers des précipitations devrait aboutir à un accroissement des risques d'inondations et/ou de sécheresses dans de nombreuses régions du globe. Notons également que les études de détection devraient bénéficier des analyses en cours sur les précipitations quotidiennes, car certains travaux suggèrent que les changements prévus sur les queues de distribution pourraient être plus robustes que les anomalies sur la moyenne des précipitations (Hegerl et al., 2004).

## Conclusions

Actuellement, environ un tiers de la population mondiale vit dans des pays considérés comme à risque en ce qui concerne les ressources en eau. En accentuant les contrastes hydrologiques existants, notamment en termes de précipitations, le réchauffement global de la planète pourrait aboutir à une aggravation de la situation. Le changement climatique n'est cependant qu'une facette du problème et l'évolution de la demande en eau, liée notamment à des contraintes démographiques, représente dans certaines régions un danger beaucoup plus important (De Marsily et al., 2006). Par ailleurs, dans les régions où les précipitations annuelles devraient augmenter, l'accroissement des ressources en eau n'est pas garanti si les pluies se concentrent sur une période relative courte et si la capacité de stockage (réservoirs) ne permet pas de tirer parti de cet excédent. Une augmentation du nombre et de l'intensité des inondations n'est donc pas à exclure, d'autant plus que le changement climatique devrait dans de nombreuses régions s'accompagner d'un accroissement des risques de fortes pluies.

Les simulations climatiques réalisées en vue de la préparation du 4ᵉ rapport d'évaluation du Giec représente un effort sans précédent de la communauté scientifique pour tenter de dégager un consensus sur les conséquences climatiques des forces anthropiques récents et futurs. Cet objectif n'est cependant atteint que

partiellement car la multiplication des modèles, si elle permet de tendre vers une approche probabiliste du changement climatique, n'exclut pas la possibilité de réponses parfois antagonistes, sans qu'il soit pour autant aisé de discerner le « vrai » du « faux ». Par ailleurs, si les impacts hydrologiques déjà soulignés par le 3ᵉ rapport d'évaluation se confirment (ce qui est en soi un résultat très positif), le 4ᵉ rapport ne devrait pas fournir de nouveautés majeures sur ce thème, en dehors d'une évaluation des changements climatiques déjà engagés (« committed climate change ») et d'une analyse beaucoup plus approfondie des impacts sur la variabilité et les extrêmes.

Ainsi, malgré (ou en raison de ?) la sophistication croissante des outils numériques, les impacts hydrologiques du réchauffement global restent parfois très incertains. Ces incertitudes sont toutefois réparties de manière hétérogène et certaines tendances semblent relativement robustes. Le bassin médiiterranéen apparaît ainsi comme une zone particulièrement sensible, où le stress hydrique devrait largement augmenter. Progresser dans la localisation et la quantification des risques hydrologiques demandera encore beaucoup d'efforts. Il s'agit, d'une part, de préciser la réponse climatique de grande échelle en termes de moyenne et de variabilité, d'autre part, de développer des méthodes efficaces de régionalisation des scénarios climatiques, permettant d'évaluer les impacts à une échelle pertinente (cf. chapitre 4 consacré à ce thème). Au-delà des travaux de modélisation, le développement de nouveaux instruments de télédétection permettant un suivi global et régulier de certaines variables hydrologiques est une priorité

pour appréhender l'évolution du cycle de l'eau dans sa globalité et contraindre les modèles utilisés pour produire les scénarios climatiques.

Notons enfin que la réponse du cycle hydrologique est au cœur des multiples questions que soulèvent les perturbations anthropiques du système climatique. Elle présente ainsi des liens étroits avec les autres chapitres de ce rapport. Les rétroactions liées à la branche atmosphérique du cycle hydrologique, et plus particulièrement les nuages, modulent ainsi fortement le réchauffement global simulé par les modèles (Bony et Dufresne, 2005). Les principaux modes de variabilité atmosphérique (Enso, NAO) ont une influence majeure sur les précipitations observées au cours du XXᵉ siècle dans de nombreuses régions. La réponse de ces modes au réchauffement global est donc déterminante pour comprendre et prévoir celle du cycle hydrologique (Camberlin et al., 2004; Terray et al., 2004; Douville et al., 2006). Par ailleurs, le couplage entre cycles de l'eau et du carbone semble également devoir être un enjeu majeur, que ce soit pour prévoir la variabilité des émissions de CO₂ (Ciais et al., 2005) ou celle du bilan hydrique continental (Gedney et al., 2006). Enfin, en matière de détection-attribution, la forte variabilité naturelle des précipitations et leur réponse incertaine dans les scénarios climatiques représentent un obstacle important pour identifier, à l'échelle régionale, la signature des forçages anthropiques sur les températures de surface. Ce problème peut toutefois être en partie résolu en utilisant le lien qui existe entre température et précipitations à l'échelle interannuelle pour « corriger » les tendances de température (Douville, 2006b).

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>La sécheresse représente une autre menace. (Photo Météo-France)</figcaption></figure>
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