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Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 26 juin 2023 par Jamal Shokory, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
Le rapide changement climatique a un impact sur les ressources en eau de l’Afghanistan, un pays situé dans l’ouest de l’Himalaya. Il s’agit d’un pays semi-aride à aride d’Asie centrale. En Afghanistan, les moyens de subsistance et les économies se sont développés pour dépendre fortement des ressources en eau des montagnes, et la fonte des neiges et des glaciers fournit 80% de l’approvisionnement en eau. L’Afghanistan est également peu développé en termes de recherche scientifique et de surveillance de l’environnement.
Les températures moyennes mondiales augmentent et les glaciers rétrécissent considérablement, ce qui pourrait avoir un impact critique sur l’approvisionnement en eau. Cet effet est probablement caché pour le moment, car les glaciers ont encore un volume plus important que celui associé à un climat plus chaud. Toutefois, lorsque les glaciers auront atteint une certaine taille, le « pic hydrique » sera atteint. Et l’approvisionnement en eau diminuera. Si les chutes de neige hivernales diminuent ou deviennent plus variables, les glaciers sont moins susceptibles de compenser le manque d’eau qui en résulte.
Des recherches récentes ont mis en évidence la complexité de l’identification du moment où le pic d’eau est atteint, notamment parce que lorsque les glaciers reculent, ils peuvent se couvrir de débris, ce qui peut modifier de manière significative la relation entre le changement climatique et la fonte des glaciers.
Étant donné le manque de recherche en Afghanistan sur ce sujet, l’objectif principal de cette thèse est de quantifier les impacts du changement climatique actuel et futur sur les glaciers afghans et les conséquences associées pour les ressources en eau en Afghanistan. Dans ce but, une approche multidisciplinaire est utilisée, basée sur la combinaison de la télédétection, d’une campagne de terrain restreinte, de la modélisation hydrologique, des données d’archives, et des scénarios de changement climatique ajustés localement. La thèse de doctorat a abordé les quatre questions de recherche suivantes :
R1 : Est-il possible d’améliorer les techniques de télédétection pour la surveillance des glaciers en Afghanistan afin de permettre la cartographie non seulement de la couverture de glace mais aussi de la glace couverte de débris à l’échelle du pays tout entier ?
R2 : Comment les étendues de glace totale, de glace nue et de glace couverte de débris des glaciers d’Afghanistan ont-elles évolué au cours des dernières décennies avec l’apparition d’un réchauffement rapide ?
R3 : Est-il possible de développer un modèle de ruissellement des eaux de fonte des glaciers et des neiges adapté à une application à grande échelle dans le contexte pauvre en données de l’Afghanistan ?
R4 : Comment le changement climatique a-t-il influencé et comment influencera-t-il l’écoulement futur des glaciers en Afghanistan ?
Cette étude est contextualisée par une revue systématique de plus de 130 articles scientifiques, rapports et sources de données afin d’évaluer les impacts potentiels du changement climatique sur la cryosphère, le débit des cours d’eau, les eaux souterraines et les extrêmes hydrologiques en Afghanistan et de mettre en évidence les lacunes en matière de connaissances. Cette revue montre l’importance de la cryosphère pour les ressources en eau afghanes et identifie le besoin de développer un meilleur inventaire de la couverture glaciaire en Afghanistan, notamment en prenant en compte la couverture de débris étant donné la géologie et de la géomorphologie de la région.
Pour ce faire, la thèse développe deux nouveaux indices de cartographie de la couverture de débris basés sur les bandes thermiques et infrarouges proches de Landsat 8. Les indices sont calibrés avec des données de terrain, et la validation à l’intérieur et à l’extérieur de l’Afghanistan suggère qu’ils ont un haut niveau de précision. Une analyse des composantes principales a été appliquée à 9 paramètres des glaciers afin d’identifier les facteurs les plus influents de l’étendue de la glace couverte de débris. Cette analyse a montré que des proportions plus faibles de couverture de débris étaient associées à des glaciers d’altitude plus élevée qui sont plus grands, plus longs et plus larges.
Toutefois, ces schémas sont statistiquement plus clairs lorsque l’ensemble des données est décomposé en zones climatiques et en régions géologiques. Cette méthodologie est ensuite appliquée à deux périodes (2000-2008 et 2008-2020) pour évaluer les changements récents des glaciers en Afghanistan.
Trois inventaires des glaciers ont été élaborés pour les années 2000, 2008 et 2020. En 2020, une zone glaciaire de 2684±100.7 km2 a été cartographiée, divisée en 75±0.7% de glace propre et 25±3.0% de glace couverte de débris. La superficie totale du glacier a reculé de -4.5±0.5 km2 yr-1 (-0.15±0.01% yr-1) entre 2000 et 2008 et de -12.3±1.5 km2 yr-1 (-0.43±0.05% yr-1) entre 2008 et 2020.
Toutefois, l’analyse a révélé des variations spatiales substantielles dans ces taux de recul en fonction de la région géographique, de la taille du glacier et de la région climatique. Les résultats soulignent la complexité environnementale de l’Afghanistan et suggèrent que certaines régions peuvent passer par le pic hydrique beaucoup plus tôt que d’autres. L’évolution de la couverture de débris s’est également révélée complexe avec l’étendue de la glace couverte de débris qui augmente beaucoup plus pour les petits glaciers <2.5 km2 que pour les plus grands.
Afin de comprendre les implications actuelles et futures du recul des glaciers sur les ressources en eau afghanes, trois bassins versants représentatifs ont été sélectionnés en fonction de leur emplacement et de la disponibilité des données : le bassin versant de Taqchakhana (264.4 km2 avec une couverture glaciaire de 2.8%) dans le nord ; le bassin versant de Sust (4609 km2 avec une couverture glaciaire de 15.6%) dans l’est ; et le bassin versant de Bamyan (325.3 km2 avec une couverture glaciaire de 0.7%) dans le centre de l’Afghanistan.
Les taux actuels de recul des glaciers sont différents pour chaque bassin versant, sur base de l’étude sur les changements glaciaires. Il s’agit également de bassins versants pour lesquels le ministère afghan de l’énergie et de l’eau a fourni des données sur le climat et le débit entre 2012 et 2019.
Pour comprendre les contributions relatives actuelles et futures de la glace, de la neige et d’autres composants sur l’approvisionnement en eau, Hydrobricks, un nouveau cadre de modélisation glacio-hydrologique semi-lumped basé sur un noyau C++ avec une interface Python, a été utilisé. Le modèle a été modifié pour permettre une représentation simple des effets du développement de la couverture de débris sur la fonte des glaces. Le modèle a été calibré individuellement pour chaque bassin versant sur la base de l’algorithme d’évolution complexe aléatoire (SCE-UA), avec les meilleurs paramètres retenus après 30000 itérations. Huit modèles climatiques régionaux (MCR) selon deux scénarios (2.6 et 8.5) ont été utilisés dans le modèle pour simuler le débit futur des cours d’eau dans les bassins versants. Les MCRs ont été corrigés des biais à l’aide d’une transformation statistique non paramétrique. L’évolution future des glaciers a été introduite dans le modèle en utilisant une propagation très simple des taux de recul des glaciers mesurés actuellement. La validation du modèle calibré a produit de bonnes valeurs de l’efficacité de Kling-Gupta (KGE) pour le débit journalier simulé (KGE>⁓0.8).
Le ruissellement des glaciers a dominé le bassin versant de Sust (76%), le ruissellement des pluies et de la neige le bassin versant de Taqchakhana (50%) et le débit de base pour le bassin versant de Bamyan (61%). Les projections de débit dans le cadre du RCP 2.6 suggèrent que l’écoulement glaciaire annuel moyen pour les bassins versants de Sust et de Taqchakhana augmentera jusqu’en 2050, à la suite d’une augmentation de la température (0.9˚C). L’écoulement diminuera ensuite jusqu’à la fin du 21e siècle. Il est prévu que le ruissellement du Bamyan diminue tout au long du 21e siècle. Toutefois, dans le cadre du RCP 8.5, l’écoulement des glaciers augmente de manière plus marquée dans les bassins versants de Sust et de Taqchakhana, car les hausses de température sont plus importantes, et les mesures d’atténuation du changement climatique n’inversent pas cette tendance. Ces bassins versants sont susceptibles de passer par une phase de pic hydrique non pas en raison de la limitation de l’écoulement par la température, comme dans le cas du RCP 2.6, mais en raison de la diminution progressive de la taille des glaciers.