• Energy Research

Au cours des deux dernières décennies, l'étude des impacts potentiels des changements climatiques sur la ressource et les risques liés à l'eau est devenue une question centrale, que ce soit pour les décideurs, les gestionnaires de la ressource ou la communauté scientifique. Ceci s'est traduit par de très nombreuses études et projets, ayant conduit à des développements méthodologiques variés et de très nombreux résultats sur les tendances possibles sur la ressource et les risques. De ce fait, il existe aujourd'hui une littérature fournie traitant de cette question, avec un nombre toujours croissant de publications et de rapports sur le sujet. L'objectif de cette revue bibliographique est de rendre compte de l'état des connaissances et des travaux existants sur la question de l'impact des changements climatiques futurs sur les eaux de surface en France. Cela permettra, dans le cadre du projet Explore2070, d'établir une référence à laquelle les résultats du projet pourront être comparés, ou au moins rapprochés. Cette analyse bibliographique visera en particulier à : -identifier les études existantes sur l'évaluation des impacts des changements climatiques sur les eaux de surface en France métropolitaine et dans les DOM, avec une remise en contexte à une échelle plus large par l'analyse de quelques études menées à l'échelle européenne ; -dégager les ressemblances/différences méthodologiques de ces études, leurs points faibles et forts et leurs éventuelles limites (méthodologie, incertitudes, etc.) ; -faire une synthèse des principales conclusions de ces études, en termes de tendances sur les étiages, les crues et les régimes, sur les grands bassins français et sur les zooms choisis pour le projet ; -présenter une synthèse des éléments de contexte et de bibliographie disponibles sur les zones retenues pour les zooms. Cette analyse bibliographique est essentiellement centrée sur les études d'impacts ayant porté sur l'hydrologie de surface, les impacts sur les eaux souterraines ou les eaux littorales étant traités respectivement par les Lots Hydrologie souterraine et Littoral du projet. L'analyse présentée ici comporte deux volets complémentaires : -une note de synthèse faisant ressortir les principaux aspects de la question des impacts des changements climatiques sur les eaux de surface en France ; -un tableau récapitulant l'ensemble des caractéristiques techniques des études analysées, l'objectif de ce tableau étant de faciliter la comparaison des études disponibles sur le sujet ; Notons que cette revue bibliographique n'a pas pour objectif de détailler les travaux réalisés sur : -le développement des scénarios climatiques eux-mêmes. Les sources d'incertitude liées à l'établissement de ces scénarios seront cependant brièvement discutées ; -la détection de tendances dans les séries passées. Bien que potentiellement intéressants pour le projet, ces deux aspects représentent des champs d'investigation à part entière, dont l'analyse dépasse largement la présente synthèse. Les paragraphes suivants présentent successivement : -les impacts potentiels des changements climatiques sur les eaux de surface et leurs implications pour les activités humaines ; -la démarche générale adoptée dans les études d'impacts des changements climatiques sur les eaux de surface, en faisant ressortir les hypothèses sous-jacentes et les différentes sources d'incertitudes associées ; -une synthèse des principales études réalisées en France, avec une analyse à l'échelle des grands bassins et des zooms choisis dans le projet ; -la question des influences humaines et des mesures d'adaptation préconisées pour limiter les conséquences du changement climatique. Un paragraphe particulier est dédié à la zone de zoom Languedoc-Roussillon. Il détaille les éléments de contexte et de bibliographie. Concernant ce zoom, étant donné les travaux de naturalisation et de modélisation que nous envisageons et l’expertise de BRLi sur la zone nous avons choisi de présenter des éléments dépassant les strictes eaux superficielles en restituant le zoom dans une échelle régionale. Enfin, nous avons inclus une dernière partie relative à la modélisation de la température de l'eau, qui est apparue au cours des discussions et qui constitue une question importante pour le Lot Biodiversité du projet. Nous terminerons cette analyse par quelques remarques sur le positionnement de la démarche adoptée par le Lot Hydrologie de Surface dans le cadre du projet Explore 2070 par rapport aux études existantes.

Dans le cadre du projet Explore 2070, une evaluation des impacts possibles des changements climatiques sur les eaux de surface a l’horizon 2046-2065 par rapport a un etat de reference 1961-1990 a ete realisee en France metropolitaine et sur les departements d’Outre-Mer sur la base du scenario d’emission de gaz a effet de serre A1B, de sept modeles climatiques et deux modeles hydrologiques (Isba-Modcou et GR4J). Sur la metropole, les resultats obtenus indiquent : (1) une augmentation possible des temperatures moyennes annuelles de l’air de l’ordre de +1,4°C a + 3°C ; (2) une evolution incertaine des precipitations, la plupart des modeles s’accordant cependant sur une tendance a la baisse des precipitations en ete sur l’ensemble de la metropole ; (3) une diminution significative globale des debits moyens annuels a l’echelle du territoire, de l’ordre de 10 % a 40 %, particulierement prononcee sur les districts Seine-Normandie et Adour Garonne ; (4) pour une grande majorite des cours d’eau, une baisse prononcee des debits d’etiage ; (5) des evolutions plus heterogenes et globalement moins importantes sur les crues. Une attention particuliere a ete donnee a l’evaluation des incertitudes associees a ces resultats. Elles permettent de mieux evaluer le niveau de signification des evolutions projetees. Les tendances calculees pour les departements d’Outre-Mer peuvent etre considerees comme non significatives compte tenu du niveau d’incertitude eleve associe a la chaine de modelisation hydro-climatique. Les resultats obtenus invitent a definir des a present des strategies d’adaptation basees notamment sur une meilleure gestion de la ressource. / Within the Explore 2070 project, an evaluation of the possible impacts of climate change on surface water between the 1961-1990 reference period and the 2046-2065 period was carried out in continental France and in overseas departments on the basis of the A1B greenhouse gas emission scenario, seven general circulation models and two hydrological models (Isba-Modcou and GR4J). In continental France, results indicate: (1) a possible increase in air temperature between +1.4°C and +3°C; (2) an uncertain evolution of precipitation, most models however agreeing on a decreasing trend in summer precipitation; (3) a significant decrease (10% to 40%) of mean annual flows at the country scale, especially pronounced in the Seine-Normandie and Adour-Garonne districts; (4) a strong decrease in summer low flows in most basins; (5) more heterogeneous and less significant evolutions for floods. A special care was given to the quantification of the uncertainties linked to these results. They provide an indication of the significance of projected changes. The evolutions calculated in the overseas zones can be considered non-significant given the level of uncertainty linked to the hydro-climatic modelling chain. These results urge to implement adaptation strategies based on a better management of water resources, among others.

International audience

The Mediterranean is a water stressed environment due to its limited water resources and to increasing anthropogenic and climatic pressures that threaten not only the amount of available water but also its quality. Moreover, catchments in this region exhibit high sediment yields that may increase in the future, due to land cover change and higher frequency of intense rainstorms, further deteriorating the quality of surface water. This work presents a review of hydrological studies carried out in the Mediterranean region. It contributes to the ongoing hydrological research initiative on “Hydrology in a changing world” launched by the IAHS in 2014 and aims to characterize the hydrological response of Mediterranean catchments and its implications for sediment transport and the overall quality of surface water in the region. It also aims to compare different methods and modeling approaches used for individual-catchment studies. The study region is divided into three sub-regions: Northwestern Mediterranean (NWM), Eastern (EM) and Southern Mediterranean (SM). Information on catchments responses and modeling approaches at different time scales (annual, dry season and event) were extracted from published studies, and analyzed. In terms of hydrological response characteristics, results indicate regional discrepancies (between NWM, EM and SM sub-regions) in the distribution of hydrological response characteristics at the annual and the event scale. The NWM catchments are the wettest, and the SM catchments are the driest, while the EM catchments are intermediate and exhibit the largest variability. The NWM sub-region shows the most extreme rainfall regime in the Mediterranean, particularly, in an arc that extends from Northeastern Spain to southern Italy. Observations indicate decreasing tendency in water resources due to both anthropogenic and climatic factors, and a more extreme rainfall regime. Moreover, Mediterranean catchments show very heterogeneous responses over time and space, resulting in limitations in hydrological modeling and large uncertainties in predictions. Nevertheless, the models in use are classical ones; very few were developed to address the specificities of the region. These results will be further analyzed to assess the implications of Mediterranean hydrological response characteristics on catchments sediment yields and water quality.

It is essential to assess the impact of future climate change on catchment hydrology in a rigorous manner, accounting for uncertainties. In this study, we assess the impact of climate change on the natural streamflow of the French part of the Meuse catchment. Climate projections from two Representative Concentration Pathways (RCPs) and five General Circulation Model/Regional Climate Model (GCM/RCM) couples were retrieved to feed four hydrological models run with several parameter sets to assess future streamflow. A variance analysis tool was employed to partition the sources of uncertainty. Although an increase in air temperature is expected in the future, particularly with the RCP 8.5, the projected trend in precipitation remains uncertain. A slight increase in annual precipitation, an increase in winter precipitation and an uncertain signal for summer precipitation are anticipated. These developments will result in an increase in winter streamflow and an uncertain signal for summer streamflow, although these evolutions may not be homogeneous along the Meuse course. Regarding uncertainties, internal variability represents the greatest uncertainty in the near future, while climate models account for the highest uncertainty in the mid and far futures. The results were found to be comparable to those of the Francewide Explore2 project.

Future projections of low flows are associated with different types of uncertainties, due to an imperfect knowledge of both future climate and rainfall-runoff processes. Due to computational constraints, impact and adaptation studies unfortunately cannot always afford to perform a detailed analysis of all these uncertainties. In that case, the modelling efforts have to focus on the most relevant source of uncertainty in order to provide the best estimate of the overall uncertainty. The present study thus aims at assessing the hierarchy of uncertainties in changes on low flows at the scale of France, within the national Explore2070 project. Amongst all possible sources of uncertainties, two are here considered: (1) the uncertainty in General Circulation Model (GCM) configuration, with 7 different models that adequately sample the range of changes as projected by the GCMs used in the IPCC AR4 over France, and (2) the uncertainty in hydrological model structure, with 2 quite different models: GR4J, a lumped conceptual model calibrated on each target catchment, and Isba-Modcou, a suite of a land surface scheme and a distributed hydrogeological model not fully calibrated at the catchment scale. The hydrological models have been run at more than 1500 locations in France over the 1961-1990 baseline period with forcings from both the Safran near-surface atmospheric reanalysis and the GCM control runs statistically downscaled with a weather type method, and over the 2046-2065 period with forcings from all downscaled GCM runs under the A1B emissions scenario. Various low-flow indices have been computed for both periods: the annual minimum monthly flow with a 5-year return period (QMNA5, commonly used as a policy threshold in France), the annual minimum 10-day mean flow with a 2-year return period (VCN10-2), the daily flow value exceeded 95% of the time (Q95), as well as a seasonality index. All low-flow indices show a dramatic increase in drought severity for the mid 21st century, with large uncertainties due to both future climate and associated hydrological response. An analysis of variance has been performed for each low-flow index and at all stations shared by the two hydrological models (around 550) in order to assess the two considered sources of uncertainty and their hierarchy. Results first show spatial differences over France in the amount of overall uncertainty due to both sub-regional climate change patterns and catchment properties. The analysis of hierarchy between climate and hydrological uncertainties shows a large spread over France for any single low-flow index, with the uncertainty in hydrological response appearing as important as the uncertainty in future climate. The large uncertainty in hydrological modelling partly comes from the difference in the way the two models simulate low flows and the way they are calibrated, which results in significant differences in their efficiency in low-flow simulation in the baseline period. The results of this study will help to define the relevant hydrological scenarios to be used in the adaptation part of the Explore2070 project for deriving national-scale adaptation strategies.

L'objectif de cette note est de présenter les éléments disponibles à ce jour concernant le choix de la période dite de référence pour le lot 3. Le choix de cette période aura en effet des implications pour d'autres lots utilisant les résultats du lot 3. La période 1961-1990 est souvent retenue comme période de référence dans les études d'impacts des changements climatiques, mais elle implique un certain nombre de contraintes sur la disponibilité des données hydrologiques. Il est donc intéressant de regarder les avantages à considérer une autre période de référence plus récente, avant d'arrêter ce choix.

This paper investigates the uncertainty of hydrological predictions due to rainfall-runoff model parameters in the context of climate change impact studies. Two sources of uncertainty were considered: (i) the dependence of the optimal parameter set on the climate characteristics of the calibration period and (ii) the use of several posterior parameter sets over a given calibration period. The first source of uncertainty often refers to the lack of model robustness, while the second one refers to parameter uncertainty estimation based on Bayesian inference. Two rainfall-runoff models were tested on 89 catchments in northern and central France. The two sources of uncertainty were assessed in the past observed period and in future climate conditions. The results show that, given the evaluation approach followed here, the lack of robustness was the major source of variability in streamflow projections in future climate conditions for the two models tested. The hydrological projections generated by an ensemble of posterior parameter sets are close to those associated with the optimal set. Therefore, it seems that greater effort should be invested in improving the robustness of models for climate change impact studies, especially by developing more suitable model structures and proposing calibration procedures that increase their robustness.