Hydroclimatic Scenarios - Thirel - November 2024 (PDF)

Hydrological modelling and climate change impacts. Difficulties, methods and applications Guillaume Thirel (HYCAR) 29/11/2024 Hydrological modelling and climate change impacts p. 1 29 November...

Hydrological modelling and climate change impacts. Difficulties, methods and applications Guillaume Thirel (HYCAR) 29/11/2024 Hydrological modelling and climate change impacts p. 1 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Presentation outline Who am I? The HYCAR research unit activities The methodology for climate change impact studies Hydrological modelling Which future for water? What we already observe, and what to expect A nation-wide perspective, Explore2 Inclusion of water uses in hydrological modelling Hydrological modelling and climate change impacts p. 2 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Who am I? Hydrological modelling and climate change impacts p. 3 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume From hydrometeorologist to hydroclimatologist 2006: internship at the Center for the Study of the Biosphere from Space (CESBIO) in Toulouse 2006-2009: PhD at the National centre for research in meteorology (CNRM) in Toulouse. Improving of probabilistic streamflow forecasts over France 2009-2012: postdoctorate at the Joint Research Centre (JRC) in Ispra, Italy. Snow satellite data assimilation in an hydrological model for forecasting Since 2012: researcher at Irstea/INRAE in the HYCAR research unit, in Antony Since 2021: visiting scientist at Météo-France Hydrological modelling and climate change impacts p. 4 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume From hydrometeorologist to hydroclimatologist Research topics: Impact of climate change Hydrological modelling in a non-stationary context Distributed modelling Integrated water resources management Flood forecasting Use of open source modelling software for hydrology Hydrological modelling and climate change impacts p. 5 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  The HYCAR research unit activities Hydrological modelling and climate change impacts p. 6 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  INRAE INRA + Irstea = INRAE since 1st January 2020 Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’alimentation et l’Environnement Hydrological modelling and climate change impacts p. 7 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  The HYCAR research unit Anthropised Continental Hydrosystems - Resources, Risks, Restauration 3 teams and 1 observatory Website: https://www6.jouy.inrae.fr/hycar_eng Mitigation, transfers and Riverine hydrosystems modeling Hydroecology team team (ARTEMHYS) (HEF) https://artemhys.inrae.fr/ https://hef.inrae.fr/en en Catchment Hydrology ORACLE Observatory team (HYDRO) https://gisoracle.inrae.fr/?lang=en https://webgr.inrae.fr/e n Hydrological modelling and climate change impacts p. 8 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  The systems we study  Natural and human-impacted catchments Hydrological modelling and climate change impacts p. 9 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  The natural water cycle… Most of my lesson today will be about that -> Hydrological modelling and climate change impacts p. 10 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  … which is now clearly impacted by humans Mentioned at the end today - > Hydrological modelling and climate change impacts p. 11 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  What do we use quantitative surface hydrology for? Flood forecasting Low-flow forecasting Reservoir management Reservoir safety Human impact Hydrological modelling and climate change impacts p. 12 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  The methodology for climate change impact studies Hydrological modelling and climate change impacts p. 13 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume What is climate change? IPCC: « statistically significant variation in either the mean state of the climate or in its variability, persisting for an extended period » Hydrological modelling and climate change impacts p. 14 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume So, what is climate? Wikipedia: « Climate is the long-term pattern of weather in an area, typically averaged over a period of 30 years. » Simplified map of climates Hydrological modelling and climate change impacts p. 15 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume On the difference between climate and meteorology Meteo: Tomorrow weather will be foggy in Dijon and the temperature range from -1 to 3 °C Climate: usually, in March, in Dijon, the min air temperature is 5 °C and the max air temperature is 11 °C Hydrological modelling and climate change impacts p. 16 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Greenhouse gas effect: a natural phenomenon… reinforced by human causes Greenhouse gases: water vapor, carbon dioxyde (CO2), methan (CH4)… Natural effect: thanks to it, T mean Earth = 15 °C (-18 °C otherwise !) Effect reinforced by human-based emissions Hydrological modelling and climate change impacts p. 17 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume General Circulation Models (GCMs) Simulate atmospheric circulation and oceanic circulation Large meshes Heavy computation times These models need greenhouse gases concentration forcings Hydrological modelling and climate change impacts p. 18 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Future greenhouse gas concentrations Representative Concentration Pathway (RCP, AR5, CMIP5, 2012) scenarios 4 scenarios of radiative forcing and land cover evolution These 4 scenarios drive climate models RCP2.6: mitigation RCP8.5: business-as-usual Hydrological modelling and climate change impacts p. 19 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume GCM outputs Variables of interest for us hydrologists Precipitation, air temperature, wind speed, air humidity, radiation Spatial resolution 50 to 200 km grid meshes Temporal resolution Daily Hydrological modelling and climate change impacts p. 20 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume The classical modelling chain for climate change impact study Uncertainty cascade Hydrological modelling Bias correction Hydrological modelling and climate change impacts p. 21 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Hydrological modelling Hydrological modelling and climate change impacts p. 22 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Surface hydrological fluxes Hydrological fluxes by surface unit. Source: N. Le Moine and L. Santos Hydrological modelling and climate change impacts p. 23 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Surface unit: the catchment (a.k.a. watershed) Surface fluxes at the catchment scale. Source: N. Le Moine and L. Santos Hydrological modelling and climate change impacts p. 24 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Conceptualisation of the catchment system in a hydrological model Models are composed of a production function and a routing function In many models: lumped representation (i.e. at the catchment scale) urface fluxes at the catchment scale. Source: N. Le Moine and L. Santos Generic scheme of an hydrological model. Source: L. Santos. Hydrological modelling and climate change impacts p. 25 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Hydrological modelling Tool describing the rainfall-runoff relationship at the catchment scale Example of a modelling result fo the Yonne at Chaumard station (H2021010) Modelling of the catchment https://www.bvchevre.fr/images/bassin_versant_schema.jpg Modèle GR4J Actual Simplified representation of Reconstitution of actual catchment the catchment hydroclimatic catchment conditions Hydrological modelling and climate change impacts p. 26 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Slide inspired from Laura Nunez Torres  Three main categories of hydrological models « Black-box » models Conceptual (« bucket ») and Auto-regressive ARMAX model empirical models p r q j 1   Qt     j Qt  j      j Pt  j  t  j 1   j 1 j t j Neural networks The GR models Entrées Sortie « Physical » models MIKE_SHE model http://www.dhigroup.com/ Cours EIVP 7 février 2014 Hydrological modelling and climate change impacts p. 27 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  General structure of a rainfall-runoff model at the catchment scale Precipitation Losses by (+ PE) evapotranspiration Soil moisture Hydrograph rising time Production Deep infiltration ‘Net rainfall’ Routing Shape of the recession curve Streamflow + parameters to optimise: adaptation to the case study, to be as close as possible to observations Hydrological modelling and climate change impacts p. 28 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  GR4J The scheme of the GR4J model Belongs to a family of models developed since the end of the 70s This model works at the scale of the agregated catchment (space simplification), at a daily time step (time simplification), based on conceptual buckets with 4 parameters to optimise (processes simplification) GR4J does not take into account macropores made by worms… but still, it provides very good simulations of streamflows Perrin, C., Michel, C. and Andréassian, V., 2003. Improvement of a parsimonious model for streamflow simulation. Journal of Hydrology, 279 : 275-289 Hydrological modelling and climate change impacts p. 29 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume The CemaNeige model CemaNeige = snow-accounting model GR Hydrological modelling and climate change impacts p. 30 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Hydrological modelling calibration Hydrological modelling and climate change impacts p. 31 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Parameters calibration, a sewing story?! {c, l, L, h, H, p}1 {c, l, L, h, H, p}2  The choice of measure is based on the person body measurements Hydrological modelling and climate change impacts p. 32 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Parameters calibration, a sewing story?! ETP E Pluie P interception Es Ps Réservoir de production X1 S Pr Perc 0.9 0.1 HU1 HU2 X4 Q9 Q1 2.X4 F(X2) {X1, X2, X3, X4}2 Réservoir F(X2) {X1, X2, X3, X3 de routage R Qd Qr Débit Q X4}1 Marne catchment 12782 km² Sarthe catchme nt2882 km²  Which parameter values? Hydrological modelling and climate change impacts p. 33 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Extrapolation, a well-known weakness of hydrological models… … but a classical application of hydrological models Hydrological modelling and climate change impacts p. 34 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  On the temporal robustness of (hydrological) models Change i) Calibration-control strategies (a model must not lose much P1 P2 P3 P4 P5 performance when controled on a Time period independant from the calibration period) Warm-up Complete period ii) Analyses a posteriori of the evolution of errors (there must not be any dependance to climate) Hydrological modelling and climate change impacts p. 35 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Towards an improvement of the processes represented in the GR models Satellite data: a source of data complementary to streamflows Step 1 = modification of the model Step 2 = calibration with MODIS SCA + steamflows SCA observé MODIS SCA simulé CemaNeige benchmark SCA simulé CemaNeigeLH* Hydrological modelling and climate change impacts p. 36 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume A now semi-distributed hydrological modelling For a finer accounting of spacial heterogeneities Hydrological modelling and climate change impacts p. 37 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Which future for water? Hydrological modelling and climate change impacts p. 38 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  What is already observed and what to expect Hydrological modelling and climate change impacts p. 39 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Worldwide: IPCC reports Air temperature change at the surface of Earth compared to 1850-1900 Increase of Hydrological modelling and climate change impacts p. 40 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Trends on mean observed streamflows Evolution of annual observed streamflows over 1968-2018 Clear decrease in the South Nclear trends in the North Graphics (and other indicators) available on https://makaho.sk8.inra e.fr/ (INRAE Lyon) Hydrological modelling and climate change impacts p. 41 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Trends on observed low flows Evolution of QMNA (annual minimum of monthly streamflows) observed on 1968- 2018 Decrease in the South Some sparse increases Graphics (and other indicators) available on https://makaho.sk8.inr ae.fr/ Hydrological modelling and climate change impacts 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume (INRAE Lyon) p. 42 Trends on observed floods Evolution of QJXA (annual maximum of daily streamflows) observed on 1968- 2018 Decrease in the South Some increases n the North Graphics (and other indicators) available on https://makaho.sk8.inr ae.fr/ (INRAE Lyon) Hydrological modelling and climate change impacts p. 43 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume RCPs and SSPs Hydrological modelling and climate change impacts p. 44 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Worldwide: IPCC reports Hydrological modelling and climate change impacts p. 45 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Worldwide: IPCC reports More extreme patterns for precipitation Hydrological modelling and climate change impacts p. 46 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Precipitation evolution by 2100 Hiver Winter Eté Summer erray & Boé, 2013, CRAS (mm/day) Results from more than 25 GCMs and more than 60 projections for RCP8.5 Hydrological modelling and climate change impacts p. 47 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume 47  A nation-wide perspective, Explore2 Hydrological modelling and climate change impacts p. 48 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  (2021-2024) Emission scenarios Objectives: to update the knowledge on the impact of climate change on French hydrology Present and future climates (resources and hazards) to ease its transfer (climate models + towards water stakeholders dynamical or statistical downscaling) A nested approach to go to the local climate and to the catchment scale Simplified representations, uncertainties at Human actions Natural resources each modeling step (irrigation, (hydrological reglementation, etc.) models)  A multi-scenario and multi-model approach (water management) uniformly applied on metropolitan France over the XXIst century to explore a large range of possible futures and to estimate uncertainties for the different climate and hydrology modeling steps River streamflows or water levels in aquifer layers Hydrological modelling and climate change impacts p. 49 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Pourquoi se limiter au cycle de l’eau naturel ? A des fins de compréhension Pour s’adapter, il faut savoir à quoi s’adapter, avoir un ordre de grandeur des changements liés au climat seul Pour distinguer l’impact du changement climatique de celui des usages Pour des questions d’échelle Travailler sur les usages nécessite des travaux approfondis à échelle très locale… ce qui est difficile à réaliser à l’échelle de la France avec des moyens réduits Cependant : Le travail réalisé dans Explore2 servira (sert déjà) de base à des travaux sur les questions d’adaptation à échelle locale Hydrological modelling and climate change impacts p. 50 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Climate evolution Hydrological modelling and climate change impacts p. 51 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  LA CHAÎNE DE MODÉLISATION EXPLORE2 3 scénarios futurs possibles d’évolution des sociétés humaines  Émissions faibles de gaz à effet de serre et © CEA/DSM 2008 d’aérosols Modèle de Climat Global  Émissions modérées (GCM) Modèle de Climat Régional  Émissions fortes Scénario (RCM) © IPCC, AR5 d’émission Gaz à Effet de Serre et Aérosols Modèle Hydrologique Modèle d’ajustement des biais Méthodes CDF-t © Réseau québécois sur les eaux souterraines ADAMONT Les projections climatiques Hydrological modelling and climate change impacts Explore2 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume p. 52 CHANGEMENTS CLIMATIQUES FUTURS SELON L’ENSEMBLE EXPLORE2 Température moyenne annuelle Des messages robustes ( °C ) pour les températures : Tant que les émissions nettes de gaz à effet de serre continueront, le réchauffement se poursuivra. Scénario : émissions fortes Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 – Hydrological modelling and climate change impacts 2005) p. 53 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  CHANGEMENTS CLIMATIQUES FUTURS SELON L’ENSEMBLE EXPLORE2 Des incertitudes sur l’évolution future des Précipitations moyennes annuelles précipitations : (%) Très fortes variations d’une année à l’autre qui masquent les évolutions à long terme. Position géographique de la France (zone de transition). 6ème rapport du GIEC (projections CMIP6) les modèles ne s’accordent pas sur le signe des changements (hausse ou baisse ?) Scénario : émissions fortes Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 – Hydrological modelling and climate change impacts 2005) p. 54 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  QUE FAIRE DE TOUTES CES DONNÉES ? COMMENT PRENDRE EN COMPTE LES INCERTITUDES ? Les ensembles de projection : une source d’information précieuse pour se projeter Q05 Moyenne Q95 Communiquer, expliquer les incertitudes la socio-économique (qui nous échappe) l’épistémique (sur les modèles) la variabilité interne (irréductible) Prendre en compte les incertitudes considérer le degré d’accord entre les modèles l’évolution de certaines variables est très incertaine pour d'autres, intensité incertaine mais très forte confiance sur le signe des changements Considérer différents futurs possibles fuir l’approche « scénario moyen » approches plurielles, contrastées : les narratifs Explore2 Hydrological modelling and climate change impacts p. 55 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume CHANGEMENTS CLIMATIQUES FUTURS SELON L’ENSEMBLE EXPLORE2 Température moyenne Précipitations moyennes annuelle Estimation annuelles Estimation ( °C ) (%) médiane médiane A l’échelle du territoire : +4°C par rapport à 1976- 2005 [ +3°C à +5°C selon les modèles] → Comment synthétiser cet ensemble ?  1/ Approche probabiliste : produits de distribution statistique Hydrological modelling and climate change impacts p. 56 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume LES NARRATIFS EXPLORE2 : 4 FUTURS POSSIBLES Température moyenne Précipitations moyennes annuelle annuelles ( °C ) (%) Violet : fort réchauffement et fort contraste Vert : réchauffement marqué et saisonnier en précipitations augmentation des précipitations Orange : fort réchauffement et fort Jaune : changements futurs assèchement Hydrological modelling and climate en été change impacts p. 57 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume relativement peu marqués NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Température moyenne annuelle année + 5,0 °C Scénario : émissions fortes +1.5°C Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) ( °C ) Hydrological modelling and climate change impacts p. 58 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Température moyenne hiver année + 5,0 °C hiver + 4,2 °C Scénario : émissions fortes Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) ( °C ) Hydrological modelling and climate change impacts p. 59 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Température moyenne été année + 5,0 °C hiver + 4,2 °C été + 6,5 °C Scénario : émissions fortes Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) ( °C ) Hydrological modelling and climate change impacts p. 60 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Précipitations moyennes annuelles année + 5,0 °C Changements non significatifs hiver + 4,2 °C été + 6,5 °C Précipitations Scénario : émissions année -8% fortes Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) (%) Hydrological modelling and climate change impacts p. 61 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Précipitations moyennes hiver année + 5,0 °C Changements non hiver + 4,2 °C significatifs été + 6,5 °C Précipitations Scénario : émissions année -8% fortes hiver + 26 % Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) (%) Hydrological modelling and climate change impacts p. 62 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Température Précipitations moyennes été année + 5,0 °C hiver + 4,2 °C été + 6,5 °C Précipitations Scénario : émissions année -8% fortes hiver + 26 % Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 été - 45 % - 2005) (%) Hydrological modelling and climate change impacts p. 63 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume NARRATIF VIOLET : QUELS CHANGEMENTS D’ICI LA FIN DU SIÈCLE ? Evapotranspiration potentielle (ET0) Température annuelle année + 5,0 °C hiver + 4,2 °C été + 6,5 °C Précipitations Scénario : émissions année -8% fortes hiver + 26 % Horizon fin de siècle : (2070 – 2099) vs. (1976 été - 45 % - 2005) Ressource en eau ET0 + 26 % (%) Hydrological modelling and climate change impacts p. 64 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  NARRATIFS EXPLORE2 : 4 FUTURS Scénario : émissions fortes POSSIBLES POUR LA FRANCE (2070 – 2099) vs. (1976 - 2005) Violet Orange Jaune Vert Température Température Température Température année + 5,0 °C année + 4,6 °C année + 3,7 °C année + 4,8 °C hiver + 4,2 °C hiver + 3,7 °C hiver + 3,2 °C hiver + 3,8 °C été + 6,5 °C été + 6,4 °C été + 4,2 °C été + 6,1 °C Précipitations Précipitations Précipitations Précipitations année -8% année -9% année +6% année +6% hiver + 26 % hiver + 12 % hiver + 18 % hiver + 26 % été - 45 % été - 40 % été - 10 % été - 13 % Ressource en Ressource en Ressource en Ressource en eau eau eau eau ET0 + 26 % ET0 + 43 % ET0 + 28 % ET0 + 31 % Violet : fort réchauffement et fort contraste saisonnier en Vert : réchauffement marqué et augm. des Hydrological modelling and climate change impacts p. 65 précipitations 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume précipitations  N’OUBLIONS PAS LES VARIATIONS D’UNE ANNÉE À L’AUTRE Hiver Été humi Observations de 1976-2022 Précipitations Précipitations Normale 1976- 2005 (%) (%) Hiver 2018 (≈ 2024?) sec Été 2022 Températures Températures Projections froid (°C) chau (°C) futures d 2041-2070 Des hivers plus Des été plus secs Émissions fortes humides mais encore des étés Narratif violet mais encore des hivers humides ! secs ! Hydrological modelling and climate change impacts 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume p. 66  Evolution des débits et eaux souterraines Hydrological modelling and climate change impacts p. 67 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Volet Hydrologie – Points de simulation Masse d’eau Eaux souterraines Eaux de surface souterraine Support pour le calcul des  4000 points de simulation en Support pour le calcul de la niveaux piézométriques, mais hydrologie de surface recharge potentielle peu de points sur l’Occitanie Hydrological modelling and climate change impacts p. 68 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Ecarts du cumul annuel de recharge potentielle en moyenne annuelle Médiane de l’ensemble des projections Ecart en % par rapport à la H2 : 2041-2070 H3 : 2070-2099 période de référence H0 1976-2005 RCP4.5 RCP8.5 Hydrological modelling and climate change impacts p. 69 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Narratifs – écarts en moyenne annuelle Cumul annuel de Niveaux des nappes recharge potentielle RCP8.5 – 2070-2099 Réchauffeme nt marqué et augmentation des précipitations Fort réchauffemen t et fort assèchement en été (et en annuel) Hydrological modelling and climate change impacts p. 70 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Les Débits : pourquoi et comment ? Principale ressource en eau douce exploitée en France métropolitaine Simulés pour Explore2 par 9 modèles hydrologiques Résultats en 2500 stations renseignées par au moins 4 modèles Composante glaciaire non prise en compte explicitement Evolutions futures sous l’effet du changement climatique uniquement Pas d’évolution de l’usage des terres, ni des prélèvements Donc pas d’adaptation Résultats illustrés par des cartes sous scénario d’émissions pessimiste 17 projections RCP8.5, descente d’échelle ADAMONT Au moins 68 projections hydrologiques par station Changement des moyennes annuelles et saisonnières des débits Changement des régimes hydrologiques Hydrological modelling and climate change impacts p. 71 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Débit Annuel Médiane 4 narratifs Hydrological modelling and climate change impacts p. 72 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Débit d’Hiver Médiane 4 narratifs Hydrological modelling and climate change impacts p. 73 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Débit de Printemps Médiane 4 narratifs Hydrological modelling and climate change impacts p. 74 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Débit d’Eté Médiane 4 narratifs Hydrological modelling and climate change impacts p. 75 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Débit d’Automne Médiane 4 narratifs Hydrological modelling and climate change impacts p. 76 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Régimes Hydrologiques – Période Historique Débits observés Modélisation 1976-2005 en 611 stations peu influencées en 2500 stations Hydrological modelling and climate change impacts p. 77 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Régimes Hydrologiques – Evolutions Futures (RCP8.5) 1976-2005 2041-2070 2071-2100 Augmentation du pluvial très contrasté car baisse des bas débits Diminution du nival à pluvio-nival car moins de neige et de fonte Hydrological modelling and climate change impacts p. 78 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Impacts Combinés Transition de Nivo-pluvial à Pluvial Hydrological modelling and climate change impacts combinée à forte baisse des débits d’étiagep. 79 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Résumé : les changements robustes ATTENTION : incertain signifie que Débits d’été et la médiane n’est pas d’automne : plus certaine qu’une projection Baisse sur une quelconque grande part du territoire Evolution Alpes, Jura, incertaine dans le Pyrénées : nord-est Augmentation des débits d’hiver Débits annuels : Disparition de Baisse sur la moitié sud l’onde de fonte Evolution incertaine au nivale nord Baisse des débits annuels au sud Eté Hydrological modelling and climate change impacts p. 80 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Sécheresses météorologiques et du sol Hiver Eté Peu d’évolution des Météo sécheresses hivernales En été, forte augmentation : 1. des sécheresses du sol sur toute la Hiver France Eté 2. des sécheresses météorologiques Sol dans le sud Hydrological modelling and climate change impacts p. 81 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Assecs : périodes d’assèchement des cours d’eau Climat actuel : proportion moyenne de cours d’eau à sec entre juillet-octobre = 17 % RCP4.5 : 22 % en fin de siècle RCP8.5 : 27 % en fin de siècle Changements non uniformes : > 50 % dans le sud-est localement Hydrological modelling and climate change impacts Proportion de cours d’eau en assecs, p. 82 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume RCP8.5 Other impacts Likely increase of local and rapid inundations due to storms Increase of sea level (more erosion, submersion, salty water in aquifers) Water quality issues Lower aquifer levels Aquifer level near Paris in the past and in the future Hydrological modelling and climate change impacts p. 83 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Evolution of fish population in the Seine basin Probability of trout presence Summer Current temperature Trout conditions Winter temperature Large impact on trout populations Belliard et al., Piren-Seine, 2010 Hydrological modelling and climate change impacts p. 84 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Resources (data and reports) Hydrological modelling and climate change impacts p. 85 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Une production technique pour un accompagnement à la prise en main des données … Des rapports techniques thématiques et supports SIG https://entrepot.recherche.data.gouv.fr/dataverse/explore2 Hydrological modelling and climate change impacts p. 86 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Des éléments de synthèse Des fiches sur le diagnostic, sur les résultats sous RCP8.5 et sur les incertitudes (avec leur notice*) et l’ensemble des projections produites (cf. sites web https://www.drias-climat.fr/ et https://www.drias-eau.fr/) + portail de visualisation MEANDRE en développement : https://meandre.explore2.inrae.fr/ 1 MOOC : https://e-learning.oieau.fr/enrol/index.php?id=3799 Hydrological modelling and climate change impacts p. 87 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Inclusion of water uses in hydrological modelling Towards studies on adaptation strategies to climate change Hydrological modelling and climate change impacts p. 88 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Modélisation intégrée La nécessité d’une modélisation de l’hydrologie de l’Anthropocène Les cours d’eau naturels sont désormais rares Nécessité d’inclure dans la modélisation hydrologique les prélèvements et rejets et la gestion pour : - Une meilleure représentation des débits - La prise en compte des changements globaux - L’évaluation de stratégies d’adaptation - Répondre aux enjeux sociétaux et des gestionnaires de l’eau Hydrological modelling and climate change impacts p. 89 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Dorchies, D., Delaigue, O. and Thirel, G. (2024). airGRiwrm: Modeling of Integrated Water Resources Management based on airGR. R package version 0.7.0, Modélisation intégrée doi: 10.57745/XKN6NC, URL: https:// cran.r-project.org/package=airGRiwrm Développement d’une modélisation permettant l’inclusion des usages Bassin versant subdivisé pour prendre en compte les influences : - En insérant des chroniques d’influences, OU - En couplant des modèles d’usages Travail basé sur le logiciel airGR (cf portfolio) ayant mené au développement d’un outil adéquat (airGRiwrm, collab. G-EAU) Soutif-Bellenger, M., 2023. Eau, agriculture, changement climatique. Apports d'une modélisation intégrée agro-hydrologique pour l'adaptation. Hydrologie. Sorbonne Université, 2023. Français. INRAE (Antony), Sorbonne Université (Paris), GRNE (Paris), 287 Hydrological modelling and climate change impacts p. 90 pp. 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Modélisation intégrée Approche générale Thèse Soutif- Thèse Etude HMUC Bellenger Lemaitre- Basset Constitution de la base de données    d’usages Mise en place de modèles d’usages Agriculture Alimentation Agriculture, en eau potable AEP, (AEP), énergie, assainisseme navigation nt Mise en place du couplage    hydrologie-usages Scénarisation des usages futurs Entretiens En chambre Ateliers semi-directifs Prise en compte du changement    climatique Evaluation de l’impact du    changement climatique et des Hydrological modelling and climate change impacts p. 91 usages 29 sur/ Module November 2024 les ressources et le detaux Climate Change, Université Bourgogne/ Thirel Guillaume  Lemaitre-Basset, T., Thirel, G., Oudin, L., Dorchies, D.: Water use Modélisation intégrée scenarios versus climate change: Investigating future water management of the French part of the Moselle. Journal of Hydrology: Exemples de résultats Regional Studies, 54, 101855, https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2024.101855, 2024. Passages sous les seuils de vigilance sécheresse estivale observés et simulés Alerte Alerte renforcée Crise Taux de (non-)satisfaction des usages Projections Projections Hydrological modelling and climate change impacts p. 92 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Modélisation intégréeSantos, L., Tallec, G., Tales, E., Bluche, A., You B., Thomas, A., Mounereau, L. et Thirel, G. Étude HMUC : Rapport Phase 3. Définition des débits biologiques - Analyses prospectives : Exemples de résultats besoins futurs et changement climatique. 441 p https:// hal.inrae.fr/hal-04355199 Probabilité de remplissage des retenues d’irrigation pour 2050 (entre 0 et 1), représentées sur chaque bassin pour chaque scénario d’évolution d’usage (le remplissage est déterminé par le dépassement de 80 % de la capacité totale des retenues d’irrigation du bassin) Hydrological modelling and climate change impacts p. 93 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume Resources Explore2 reports and sheets: https://entrepot.recherche.data.gouv.fr/dataverse/explore2 Explore2 climate projections: https://www.drias-climat.fr/ Explore2 hydrological projections: https://www.drias-eau.fr/ PhD manuscript Myriam Soutif-Bellenger: https://www.theses.fr/2023SORUS469 PhD manuscript Lemaitre-Basset: https://www.theses.fr/2023SORUS120 airGR website: https://hydrogr.github.io/airGR/ and download: https:// cran.r-project.org/web/packages/airGR/index.html airGRiwrm website: https://airgriwrm.g-eau.fr/ and download: https:// cran.r-project.org/web/packages/airGRiwrm/index.html All publications by my colleagues and myself: https://webgr.inrae.fr/recherches/publications Hydrological modelling and climate change impacts p. 94 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume  Thank you! Hydrological modelling and climate change impacts p. 95 29 November 2024 / Module Climate Change, Université de Bourgogne/ Thirel Guillaume