Etudes hydro-climatologiques régionales. Applications à l'évolution du climat et aux écoulements

254 Pages·2017·9.43 MB·French

by  Gilles Drogue

Etudes hydro-climatologiques régionales. Applications à
l’évolution du climat et aux écoulements de rivière dans
un espace transfrontalier
Gilles Drogue
To cite this version:
Gilles Drogue. Etudes hydro-climatologiques régionales. Applications à l’évolution du climat et aux
écoulements de rivière dans un espace transfrontalier. Géographie. Université Paris-Diderot - Paris
VII, 2013. ￿tel-00920438￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
Université Paris-Diderot (Paris 7)

Mémoire d’(abilitation à Diriger des Recherches
(H.D.R.)

Etudes hydro-climatologiques régionales.
Applications à l’évolution du climat et aux
écoulements de rivière dans un espace transfrontalier

Gilles Drogue
Maître de conférences en géographie
Université de Lorraine - LOTERR (EA 7304)

Volume 1 : Position et projet scientifique
Membres du jury :
Vazken Andréassian, Ingénieur en chef, IRSTEA, examinateur
Gilles Arnaud-Fassett Paris-Diderot (Paris 7), garant
a, Professeur à l(cid:495)univePrsairtiés -Diderot (Paris 7), examinateur
GEmérmaradn Bueèllter aGnaduoti,e Prr, oPfreosfseesuser uàr l (cid:495)àu niversité -Sorbonne (Paris 1), rapporteur
Emmanuel Gille, Maître de Conférel(cid:495)nucneisv-ersité Panthéon invité
(DR à l(cid:495)université de Lorra ine,
FMloicrheenlt Pinirao Mttoatar, Professeur à l(cid:495)université de Tou, rrasp, epxoarmteiunratrice
on, Professeur à l(cid:495)université de Liège
Novembre 2013
Remerciements

Que toutes les personnes qui ont concouru, de près ou de loin, à la réalisation de ce

mémoire d(cid:495)(.D.R.trouvent ici l(cid:495)expression de ma profào nGdiell egsr atAitrundaeu.d-Fassetta, pour la
confiance dont il et
Mes remerciements s(cid:495)adressent en premier lieu ce mémoire
m(cid:495)a témoigné tout au long de ce travail d(cid:495)écriture et de réflexion
pJeo utrie ln(cid:495)isn téégrêatle emt lean sto àll icrietumdeer cqiueir oVnat zgkueidné Alan ddirréeacstsioiann d, eG érard Beltrajunsdqou, (cid:495)àE smomn atenrumèlee.
Gautier, Emmanuel Gille, Florentina Moatar et Michel Pirotton qui ont accepté de porter
un regard attentif et critique sur ce document inédit.

Ce travail , depuis de nombreuses années,
de équipe « technico-scientifico-administrative »
compétencnee osnetr aéitté p pasri cmeo qrud(cid:495)iial leesst dsai njes nla(cid:495)a rvéaaisli sbaétnioénfi cdiée mes projets de recherche. Que
Fabli(cid:495)eanp pCuoim dm(cid:495)uenaeu x, Didier François et Julien Plasse sachent que je leduorn dt oli(cid:495)se fbfeicaauccitoéu pe.t la

Merci aussi à « Eaux et Milieux » du CEGUM, Didier, Manu,
Seb, Benoît, Luc et Vincent » que nous
tous les membres de l(cid:495)équipe . Avec le temps, ils sont
devenus pour moi plus quep doeusr c toolulèsg lueess b, odnes v méroitmabelnetss a«m di(cid:495)sh.y drologie sociale
a vons partagés depuis mon arrivée dans l(cid:495)équipe en (cid:884)(cid:882)(cid:882)(cid:887)
Je voudrai
géographie avec qui
s également faire mention de l(cid:495)ensemble des collègues du département de
Ma reconnaissance jv(cid:495)aai téoguajloeumresn etu aduexs rpealratteionnasir ceosr diniaslteitsu ettio dnense élsc h(anAgEeRs Mst,i mlau lDanRtEsA. L,
EPAMA, Météo-France, le SESGAR, les partenaires du projet AMICE, etc.) qui ont
sollicité mon expertise et l(cid:495) . Leur
l(cid:495) donné .
manifesté de l(cid:495)intérêt pour mes projets de recherche
Lapasptu ib tuetc hnnoitq uleea estt financier m(cid:495)a l(cid:495)opportunitég rdâec lee sà c oqnucir étiser
comprend b
comprend ». Ce mé,m joei rne(cid:495) oleuubrl iees tp daésd ilée.s étudiants j(cid:495)ai appris « qu(cid:495)on ne
ien que ce que l(cid:495)on enseigne et que l(cid:495)on enseigne bien que ce que l(cid:495)on

À Delphine, Jeanne, Eva et Roxane
À mes parents
Ici comme en toutes choses, Soli Deo Gloria

2
Sommaire

REMERCIEMENTS .......................................................................................................................................... 2
RESUME .......................................................................................................................................................... 9
PARTIE 1 ...................................................................................................................................................... 12
OBJETS DE RECHERCHE .............................................................................................................................. 12
CHAPITRE 1 ....................................................................................................................................................... 13
LE CHANGEMENT CLIMATIQUE CONTEMPORAIN ...................................................................................................... 13
(cid:1005). Les fo(cid:374)de(cid:373)e(cid:374)ts d’u(cid:374) (cid:374)ouveau pa(cid:396)adig(cid:373)e ............................................................................................... 16
1.1. Climat et variabilité climatique ........................................................................................................................... 16
(cid:1005).(cid:1006). Les (cid:374)iveau(cid:454) d’(cid:288)(cid:272)helle e(cid:374) (cid:272)li(cid:373)atologie ................................................................................................................. 19
1.3. Définition et connaissance fondamentale du changement climatique contemporain ....................................... 21
(cid:1005).(cid:1007).(cid:1005). Des (cid:288)tats p(cid:396)(cid:288)f(cid:288)(cid:396)e(cid:374)tiels de l’at(cid:373)osph(cid:287)(cid:396)e ..................................................................................................... 21
1.3.2. Un objet de recherche aux entrées multiples ............................................................................................. 26
1.4. Échelles de temps, types de variabilité et patrimoine de données..................................................................... 27
1.5. La modélisation prospective du climat : de l’ho(cid:396)izo(cid:374) « proche » à l’ho(cid:396)izo(cid:374) « lointain » ................................... 34
2. Quelques faits relatifs au changement climatique contemporain ........................................................... 37
(cid:1006).(cid:1005). B(cid:396)(cid:287)ve (cid:396)evue à l’(cid:288)(cid:272)helle pla(cid:374)(cid:288)tai(cid:396)e et da(cid:374)s le se(cid:272)teu(cid:396) NAE .................................................................................. 37
(cid:1006).(cid:1006). B(cid:396)(cid:287)ve (cid:396)evue à l’(cid:288)(cid:272)helle du te(cid:396)(cid:396)itoi(cid:396)e f(cid:396)a(cid:374)çais ...................................................................................................... 39
3. Synthèse du positionnement de recherche .............................................................................................. 42
CHAPITRE 2 ....................................................................................................................................................... 44
LA REGIONALISATION DE LA PLUIE ET DE L’ECOULEMENT ......................................................................................... 44
(cid:1005). Qu’est (cid:395)ue la (cid:396)(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) ? ................................................................................................................. 48
(cid:1005).(cid:1005). Classifi(cid:272)atio(cid:374) et t(cid:396)a(cid:374)sfe(cid:396)t d’i(cid:374)fo(cid:396)(cid:373)atio(cid:374) da(cid:374)s l’espa(cid:272)e ....................................................................................... 48
1.2. Une démarche inductive ..................................................................................................................................... 49
2. Us et coutumes en régionalisation ........................................................................................................... 49
(cid:1006).(cid:1005). D(cid:288)veloppe(cid:373)e(cid:374)t d’u(cid:374) (cid:373)od(cid:287)le (cid:396)(cid:288)gio(cid:374)al ............................................................................................................... 50
2.2. La validation du modèle régional : un jeu à plusieurs variantes ......................................................................... 52
2.2.1. Split-sample test, validation crois(cid:288)e et (cid:373)(cid:288)t(cid:396)i(cid:395)ues de l’e(cid:396)(cid:396)eu(cid:396) .................................................................... 52
2.2.2. Interpolation spatiale vs. extrapolation spatiale ......................................................................................... 53
2.3. Incertitude théorique du modèle régional : de la (cid:396)e(cid:272)he(cid:396)(cid:272)he à l’op(cid:288)(cid:396)atio(cid:374)(cid:374)el .................................................... 54
3. Que peut-o(cid:374) fai(cid:396)e d’u(cid:374)e (cid:373)esu(cid:396)e o(cid:272)(cid:272)asio(cid:374)(cid:374)elle de la va(cid:396)ia(cid:271)le d’i(cid:374)t(cid:288)(cid:396)(cid:289)t ? ................................................ 55
4. Régionaliser : dans quel but ? ................................................................................................................... 56
5. Synthèse du positionnement de recherche ............................................................................................... 56
CHAPITRE 3 ....................................................................................................................................................... 59
CADRE GEOGRAPHIQUE, RESEAUX D’OBSERVATION, PATRIMOINE DE DONNEES .......................................................... 59
1. Le bassin Rhin-Meuse ............................................................................................................................... 60
1.1. Un territoire sous-continental européen ............................................................................................................ 60
(cid:1005).(cid:1006). …au(cid:454) e(cid:374)jeu(cid:454) de l’eau (cid:373)ultiples ........................................................................................................................... 61
(cid:1005).(cid:1007). U(cid:374) (cid:272)o(cid:374)ti(cid:374)uu(cid:373) d’o(cid:271)se(cid:396)vatio(cid:374)s ............................................................................................................................. 62
(cid:1006). L’o(cid:271)se(cid:396)vatio(cid:374) du (cid:272)li(cid:373)at ............................................................................................................................ 62
(cid:1006).(cid:1005). Lieu(cid:454) d’o(cid:271)se(cid:396)vatio(cid:374) a(cid:374)(cid:272)ie(cid:374)s et lo(cid:374)gues (cid:272)h(cid:396)o(cid:374)i(cid:395)ues ........................................................................................... 63
2.2. Les séries climatiques contemporaines .............................................................................................................. 64
(cid:1006).(cid:1006).(cid:1005). L’espa(cid:272)e t(cid:396)a(cid:374)sf(cid:396)o(cid:374)talie(cid:396) (cid:396)h(cid:288)(cid:374)o-mosan (de Bâle à Coblence) ...................................................................... 64
2.2.2. Le Grand-Duché de Luxembourg ................................................................................................................. 65
(cid:1006).(cid:1006).(cid:1007). L’o(cid:271)se(cid:396)vatio(cid:374) (cid:373)ulti-scalaire des précipitations dans le Nord-Est français .................................................. 66
2.3. La climatologie en point de grille ........................................................................................................................ 67
(cid:1007). L’h(cid:455)d(cid:396)o(cid:373)(cid:288)t(cid:396)ie des (cid:272)ou(cid:396)s d’eau.................................................................................................................. 70
(cid:1007).(cid:1005). L’h(cid:455)d(cid:396)o(cid:373)(cid:288)t(cid:396)ie p(cid:288)(cid:396)e(cid:374)(cid:374)e ....................................................................................................................................... 70
3
3.1.1. Les stations hydrométriques luxembourgeoises ......................................................................................... 70
3.1.2. Les stations hydrométriques françaises, belges et allemandes (espaces bordiers) ................................... 71
(cid:1007).(cid:1006). L’h(cid:455)d(cid:396)o(cid:373)(cid:288)t(cid:396)ie po(cid:374)(cid:272)tuelle da(cid:374)s le (cid:271)assi(cid:374) Rhi(cid:374)-Meuse (partie française) ............................................................ 73
(cid:1008). L’i(cid:374)fo(cid:396)(cid:373)atio(cid:374) g(cid:288)og(cid:396)aphi(cid:395)ue ..................................................................................................................... 74
4.1. Typologie des descripteurs physiques ................................................................................................................ 74
4.2. Estimation globale des descripteurs physiques .................................................................................................. 76
PARTIE 2 ...................................................................................................................................................... 79
PROBLEMATISATION ET INFLEXIONS ...................................................................................................... 79
CHAPITRE 4 ....................................................................................................................................................... 80
LE CHANGEMENT CLIMATIQUE CONTEMPORAIN : ..................................................................................................... 80
ANALYSE PRIMAIRE, FORÇAGE CLIMATIQUE, EVALUATION DU MODELE D’IMPACT ....................................................... 80
1. Comment crédibiliser les observations climatiques ? ............................................................................... 81
1.1. Quel p(cid:396)oto(cid:272)ole de d(cid:288)te(cid:272)tio(cid:374) d’u(cid:374) (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)t à l’(cid:288)(cid:272)helle « locale » ? ...................................................... 83
1.1.1. Longues chroniques et problèmes métrologiques ...................................................................................... 83
1.1.2. Une détection en trompe-l’œil ? ................................................................................................................. 84
1.1.3. Quel protocole de détection post-homogénéisation ? ............................................................................... 85
(cid:1005).(cid:1006). Quel p(cid:396)oto(cid:272)ole de d(cid:288)te(cid:272)tio(cid:374) d’u(cid:374) (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)t à l’(cid:288)(cid:272)helle « régionale » ? ........................................................ 87
1.2.1. Position du problème .................................................................................................................................. 87
(cid:1005).(cid:1006).(cid:1006). Effets de la (cid:272)o(cid:396)(cid:396)(cid:288)latio(cid:374) spatiale su(cid:396) le test d’h(cid:455)poth(cid:287)se ............................................................................. 88
(cid:1005).(cid:1006).(cid:1007). E(cid:374) (cid:396)(cid:288)su(cid:373)(cid:288)… ................................................................................................................................................. 89
2. Comment (cid:272)o(cid:374)(cid:272)evoi(cid:396) et appli(cid:395)ue(cid:396) le fo(cid:396)çage (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ue futu(cid:396) du (cid:373)od(cid:287)le d’i(cid:373)pa(cid:272)t ? .............................. 90
(cid:1006).(cid:1005). Les futu(cid:396)s de l’h(cid:455)d(cid:396)ologie .................................................................................................................................... 90
(cid:1006).(cid:1005).(cid:1005). L’e(cid:454)e(cid:396)(cid:272)i(cid:272)e de p(cid:396)oje(cid:272)tio(cid:374) (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ue ou l’i(cid:374)te(cid:396)p(cid:396)(cid:288)tatio(cid:374) des(cid:272)e(cid:374)da(cid:374)te du (cid:272)ouple s(cid:272)(cid:288)(cid:374)a(cid:396)io/i(cid:373)pa(cid:272)t ............. 90
(cid:1006).(cid:1005).(cid:1006). L’(cid:288)tude de se(cid:374)si(cid:271)ilit(cid:288) .................................................................................................................................. 91
(cid:1006).(cid:1005).(cid:1007). L’i(cid:374)di(cid:272)ateu(cid:396) d’(cid:288)lasti(cid:272)it(cid:288) (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ue ............................................................................................................. 93
2.1.4. La méthode des gradients ........................................................................................................................... 94
2.1.5. Remarques conclusives ............................................................................................................................... 94
(cid:1006).(cid:1006). Maille(cid:396) les (cid:373)od(cid:287)les… .......................................................................................................................................... 95
2.2.1. La modélisation prospective du climat........................................................................................................ 96
(cid:1006).(cid:1006).(cid:1006). Quelle a(cid:396)ti(cid:272)ulatio(cid:374) ave(cid:272) les (cid:373)od(cid:287)les d’i(cid:373)pa(cid:272)t h(cid:455)d(cid:396)ologi(cid:395)ues ? ................................................................. 98
(cid:1006).(cid:1007). Les (cid:373)od(cid:287)les de (cid:272)li(cid:373)at et l’h(cid:455)d(cid:396)ologie ................................................................................................................ 98
2.3.1. « Not fit for purpose »… .............................................................................................................................. 98
(cid:1006).(cid:1007).(cid:1006). Co(cid:373)(cid:373)e(cid:374)t esti(cid:373)e(cid:396) l’i(cid:373)pa(cid:272)t h(cid:455)d(cid:396)ologi(cid:395)ue (cid:396)(cid:288)sulta(cid:374)t d’u(cid:374) s(cid:272)(cid:288)(cid:374)a(cid:396)io (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ue ? ....................................... 101
2.3. Les incertitudes du forçage climatique en modélisation prospective du climat ............................................... 104
(cid:1006).(cid:1007).(cid:1005). Les sou(cid:396)(cid:272)es d’i(cid:374)(cid:272)e(cid:396)titude et leu(cid:396) d(cid:455)(cid:374)a(cid:373)i(cid:395)ue te(cid:373)po(cid:396)elle ......................................................................... 105
(cid:1006).(cid:1007).(cid:1006). Pou(cid:396) u(cid:374)e app(cid:396)o(cid:272)he e(cid:374)se(cid:373)(cid:271)liste de l’e(cid:454)e(cid:396)(cid:272)ice de projection climatique .................................................. 107
(cid:1007). Co(cid:373)(cid:373)e(cid:374)t (cid:288)value(cid:396) le (cid:373)od(cid:287)le d’i(cid:373)pa(cid:272)t h(cid:455)d(cid:396)ologi(cid:395)ue ? ........................................................................... 108
3.1. Quand un bassin ou un modèle devient « monstrueux »… .............................................................................. 109
3.2. Tester la transférabilité temporelle du modèle hydrologique .......................................................................... 109
(cid:1007).(cid:1007). Deu(cid:454) (cid:373)od(cid:287)les vale(cid:374)t (cid:373)ieu(cid:454) (cid:395)u’u(cid:374)… ................................................................................................................. 111
CHAPITRE 5 ..................................................................................................................................................... 112
QUANTIFICATION SPATIALE DES PRECIPITATIONS : ............................................................................................... 112
ESTIMATION REGIONALE ET VARIABILITE, ANALYSE MULTI-ECHELLES, .................................................................... 112
PLUIE DE BASSIN ................................................................................................................................................ 112
1. Topographie, types de temps et cartographie de la variabilité spatiale des précipitations ................... 114
1.1. Caractéristiques géométriques du relief et types de temps ............................................................................. 114
(cid:1005).(cid:1006). Le p(cid:396)o(cid:271)l(cid:287)(cid:373)e de l’e(cid:454)t(cid:396)apolatio(cid:374) ......................................................................................................................... 115
(cid:1005).(cid:1007). Le p(cid:396)o(cid:271)l(cid:287)(cid:373)e de l’(cid:288)valuatio(cid:374) des (cid:272)li(cid:373)atologies e(cid:374) poi(cid:374)t de g(cid:396)ille ..................................................................... 116
1.4. La simulation des champs de pluie ................................................................................................................... 118
1.4.1. Philosophie générale ................................................................................................................................. 118
1.4.2. Simulations conditionnelles vs. simulations non-conditionnelles ............................................................. 118
2. Analyse multi-échelles du flux de précipitations ..................................................................................... 120
4
2.1. À quelle(s) échelle(s) le « flux de précipitations » se structure-t-il intrinsèquement ?..................................... 120
2.2. À quelle(s) échelles(s) le flux de précipitations déploie-t-il ses rapports avec son environnement ? ............... 120
3. Vers la quantification spatiale de la pluie de bassin ............................................................................... 123
CHAPITRE 6 ..................................................................................................................................................... 124
QUANTIFICATION SPATIALE DE L’ECOULEMENT : ................................................................................................... 124
MODELES HUMAINS VS. MODELES NATURELS......................................................................................................... 124
(cid:1005). R(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) de l’(cid:288)(cid:272)oule(cid:373)e(cid:374)t pa(cid:396) (cid:373)od(cid:288)lisatio(cid:374) pluie-débit .............................................................. 126
1.1. Justification de la démarche de modélisation................................................................................................... 126
(cid:1005).(cid:1006). T(cid:396)a(cid:374)sfe(cid:396)t des pa(cid:396)a(cid:373)(cid:287)t(cid:396)es da(cid:374)s l’espa(cid:272)e eu(cid:272)lidie(cid:374) ............................................................................................ 127
(cid:1006). R(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) de l’(cid:288)(cid:272)oule(cid:373)e(cid:374)t pa(cid:396) (cid:373)od(cid:288)lisatio(cid:374) d(cid:288)(cid:271)it-débit .............................................................. 128
2.1. Principe général ................................................................................................................................................ 128
2.2. Appli(cid:272)atio(cid:374) au(cid:454) (cid:272)ou(cid:396)s d’eau pa(cid:396)tielle(cid:373)e(cid:374)t jaug(cid:288)s ............................................................................................ 129
3. Apport des débits ponctuels ................................................................................................................... 129
(cid:1008). I(cid:374)(cid:272)e(cid:396)titude des (cid:373)od(cid:287)les de (cid:396)(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) de l’(cid:288)(cid:272)oule(cid:373)e(cid:374)t ................................................................. 130
(cid:1008).(cid:1005). Des(cid:272)(cid:396)iptio(cid:374) de l’i(cid:374)(cid:272)e(cid:396)titude .............................................................................................................................. 130
(cid:1008).(cid:1006). Qua(cid:374)tifi(cid:272)atio(cid:374) de l’i(cid:374)(cid:272)e(cid:396)titude e(cid:373)pi(cid:396)i(cid:395)ue ........................................................................................................ 130
PARTIE 3 .................................................................................................................................................... 133
METHODOLOGIES ET INNOVATIONS ...................................................................................................... 133
CHAPITRE 7 ..................................................................................................................................................... 134
DETECTION LOCALE DE CHANGEMENT .................................................................................................................. 134
DANS LES SERIES CLIMATIQUES : .......................................................................................................................... 134
LA METHODE PRODIGE, ................................................................................................................................... 134
LES TESTS STATISTIQUES .................................................................................................................................... 134
1. Une méthode de segmentation/homogénéisation mieux adaptée aux séries climatiques .................... 135
1.1. Principes ............................................................................................................................................................ 135
1.2. La procédure PRODIGE ..................................................................................................................................... 136
1.3. Test sur un corpus de données thermométriques ............................................................................................ 136
(cid:1006). Tests d’h(cid:455)poth(cid:287)se pou(cid:396) la d(cid:288)te(cid:272)tio(cid:374) des (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)ts lo(cid:272)au(cid:454)............................................................... 137
3. Arbre décisionnel .................................................................................................................................... 138
CHAPITRE 8 ..................................................................................................................................................... 139
DETECTION REGIONALE DES TENDANCES CLIMATIQUES : ....................................................................................... 139
REECHANTILLONNAGE, SIGNIFICATIVITE REGIONALE ET CARTOGRAPHIE.................................................................. 139
1. Le bootstrap resampling ou comment reconstitue(cid:396) u(cid:374)e dist(cid:396)i(cid:271)utio(cid:374) d’(cid:288)(cid:272)ha(cid:374)tillo(cid:374)(cid:374)age à pa(cid:396)ti(cid:396) d’u(cid:374)
échantillon .................................................................................................................................................. 140
1.1. Définition .......................................................................................................................................................... 140
1.2. Procédures et variantes .................................................................................................................................... 140
1.3. Intérêt pour tester la significativité régionale des changements locaux .......................................................... 141
2. Application de la méthode du bootstrap-a(cid:374)(cid:374)(cid:288)es au(cid:454) do(cid:374)(cid:374)(cid:288)es pluvio(cid:373)(cid:288)t(cid:396)i(cid:395)ues de l’espa(cid:272)e (cid:396)h(cid:288)(cid:374)o-mosan
.................................................................................................................................................................... 142
2.1. Les hauteurs de précipitations contemporaines .............................................................................................. 142
2.2. Les champs de précipitations saisonniers désagrégées à échelle fine sur le bassin de la Meuse française ..... 143
2.3. Procédure de détection .................................................................................................................................... 144
(cid:1007). Ca(cid:396)tog(cid:396)aphie du (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)t da(cid:374)s les (cid:288)tudes du (cid:272)li(cid:373)at a(cid:272)tuel et sou(cid:396)(cid:272)es d’att(cid:396)i(cid:271)ution des changements
climatiques détectés ................................................................................................................................... 146
3.1. Changements pluviométriques ......................................................................................................................... 146
3.2. Changements thermométriques ....................................................................................................................... 146
CHAPITRE 9 ..................................................................................................................................................... 148
TEST DE METHODES DE DESCENTE D’ECHELLE STATISTIQUE DES SORTIES DE MCG-OA(MCR) ................................. 148
(cid:1005). M(cid:288)thodes de des(cid:272)e(cid:374)te d’(cid:288)(cid:272)helle statisti(cid:395)ue (cid:894)MDES(cid:895) .............................................................................. 149
1.1. Méthode du delta ............................................................................................................................................. 149
5
1.2. Fonctions de transfert ....................................................................................................................................... 150
1.3. Classification en types de temps ....................................................................................................................... 150
1.3. Générateurs stochastiques ............................................................................................................................... 151
2. Variante empirique de la méthode du delta ........................................................................................... 151
CHAPITRE 10 ................................................................................................................................................... 152
REGIONALISATION DE LA PLUIE : ......................................................................................................................... 152
DE LA RESSOURCE EN EAU AUX BESOINS OPERATIONNELS ....................................................................................... 152
DE LA MODELISATION PLUIE-DEBIT ..................................................................................................................... 152
1. Résolution du problème « par le haut » : l’app(cid:396)o(cid:272)he (cid:272)li(cid:373)atologi(cid:395)ue ..................................................... 153
1.1. Genèse et développement des méthodes de régionalisation objectives en zone de montagne ...................... 153
1.2. Mon apport à la spatialisation des pluies à échelle fine en zone de moyenne montagne ............................... 154
1.2.1. Périodes de cumul mensuelle et annuelle ................................................................................................ 154
1.2.2. De l’(cid:288)pisode au pas de te(cid:373)ps jou(cid:396)(cid:374)alie(cid:396) ................................................................................................... 154
1.2.3. La neige ..................................................................................................................................................... 156
2. Résolution du problème « par le bas » : apport de la pondération hydrologique .................................. 157
2.1. Pourquoi développer un nouveau modèle pluviométrique régional au pas de temps journalier ? ................. 157
2.2. Vue éclatée du modèle ..................................................................................................................................... 157
CHAPITRE 11 ................................................................................................................................................... 161
REGIONALISATION DE L’ECOULEMENT : ............................................................................................................... 161
SIMULATION CONTINUE D’UN HYDROGRAMME JOURNALIER, ................................................................................... 161
MARGES D’ERREUR ............................................................................................................................................ 161
1. Bref (cid:288)tat de l’a(cid:396)t ..................................................................................................................................... 162
1.1. Philosophie générale ......................................................................................................................................... 162
1.2. Méthodes de calcul ........................................................................................................................................... 163
2. Patrimoine de données ........................................................................................................................... 166
2.1. Données hydro-climatologiques ....................................................................................................................... 166
2.2. Autres données ................................................................................................................................................. 166
(cid:1007). Pa(cid:396)a(cid:373)(cid:288)t(cid:396)isatio(cid:374) des (cid:373)(cid:288)thodes d’esti(cid:373)atio(cid:374) lo(cid:272)ale du d(cid:288)(cid:271)it pa(cid:396) p(cid:396)o(cid:454)i(cid:373)it(cid:288) .......................................... 168
3.1. Les méthodes de référence en contexte non jaugé .......................................................................................... 168
3.2. Les méthodes applicables en contexte partiellement jaugé ............................................................................. 170
(cid:1008). Ma(cid:396)ges d’e(cid:396)(cid:396)eu(cid:396) de l’h(cid:455)d(cid:396)og(cid:396)a(cid:373)(cid:373)e jou(cid:396)(cid:374)alie(cid:396) si(cid:373)ul(cid:288) ........................................................................... 171
PARTIE 4 .................................................................................................................................................... 173
RESULTATS MAJEURS ............................................................................................................................... 173
ET APPORTS A LA GEOGRAPHIE .............................................................................................................. 173
CHAPITRE 12 ................................................................................................................................................... 174
ÉVOLUTION CLIMATIQUE CONTEMPORAINE .......................................................................................................... 174
DANS L’ESPACE RHENO-MOSAN ............................................................................................................................ 174
(cid:1005). La te(cid:373)p(cid:288)(cid:396)atu(cid:396)e de l’ai(cid:396) sous a(cid:271)(cid:396)i ............................................................................................................ 175
(cid:1005).(cid:1005). Quel est l’effet de l’ho(cid:373)og(cid:288)(cid:374)(cid:288)isatio(cid:374) ? ............................................................................................................ 175
(cid:1005).(cid:1006). Quelle est la (cid:374)atu(cid:396)e et l’a(cid:373)plitude du (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)t su(cid:396) les te(cid:373)p(cid:288)(cid:396)atu(cid:396)es (cid:373)o(cid:455)e(cid:374)(cid:374)es et e(cid:454)t(cid:396)(cid:289)(cid:373)es a(cid:374)(cid:374)uelles ?175
1.3. Quelle est la structure saisonnière du réchauffement climatique contemporain ? ......................................... 178
1.4. Y a-t-il une modulation spatiale du réchauffement climatique contemporain ? .............................................. 178
1.5. Les anomalies chaudes de 2003, 2006 et 2007 : vers un changement de variabilité climatique ? ................... 179
2. Les hauteurs de précipitations sur la période instrumentale (mi-XIXe à début XXIe siècle) ..................... 181
2.1. Les changements locaux ................................................................................................................................... 181
2.1.1. Cumuls annuels et saisonniers .................................................................................................................. 181
2.1.2. Analyse par type de temps ........................................................................................................................ 182
(cid:1006).(cid:1006). D(cid:288)te(cid:272)tio(cid:374) (cid:396)(cid:288)gio(cid:374)ale des (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)ts affe(cid:272)ta(cid:374)t les p(cid:396)(cid:288)(cid:272)ipitatio(cid:374)s hive(cid:396)(cid:374)ales d’ouest ((cid:272)u(cid:373)uls et i(cid:374)te(cid:374)sit(cid:288)
journaliers) ............................................................................................................................................................... 183
2.3. Cartographie du signal de changement pluviométrique ................................................................................... 185
6
CHAPITRE 13 ................................................................................................................................................... 187
AMPLITUDE, LOCALISATION ET SIGNIFICATIVITE ................................................................................................... 187
DES CHANGEMENTS CLIMATIQUES ........................................................................................................................ 187
ET HYDROLOGIQUES FUTURS ............................................................................................................................... 187
(cid:1005). P(cid:396)oje(cid:272)tio(cid:374)s de fi(cid:374) de si(cid:287)(cid:272)le pou(cid:396) la te(cid:373)p(cid:288)(cid:396)atu(cid:396)e de l’ai(cid:396) ........................................................................ 188
1.1. Méthode du delta appliquée aux températures extrêmes de bassin ............................................................... 188
1.2. Dispersion des projections de températures de bassin .................................................................................... 189
2. Projections de fin de siècle pour les précipitations ................................................................................. 190
2.1. La méthode du delta et les scénarios PRUDENCE ............................................................................................. 190
2.2. Les champs de précipitations désagrégées à échelle fine (scénarios SCRATCH08) ........................................... 191
2.2.1. Analyse saisonnière ................................................................................................................................... 191
2.2.2. Analyse spatiale du changement (bassin de la Meuse à Chooz) ............................................................... 191
2.2.3. Ces changements ont-ils une significativité locale et régionale ? ............................................................. 193
2. Projections pour les bas débits ............................................................................................................... 193
2.1. QMNA et profils hydrologiques sur la Meuse française en climat présent ..................................................... 194
5
2.2. QMNA et profils hydrologiques de la Meuse française en climat modifié ...................................................... 195
5
CHAPITRE 14 ................................................................................................................................................... 197
SPATIALISATION DE LA PLUIE OROGRAPHIQUE ..................................................................................................... 197
A ECHELLE FINE ................................................................................................................................................. 197
(cid:1005). Va(cid:396)ia(cid:271)ilit(cid:288) spatiale des p(cid:396)(cid:288)(cid:272)ipitatio(cid:374)s et (cid:374)iveau(cid:454) d’(cid:288)(cid:272)helle : le (cid:272)as de l’(cid:288)pisode pluvieu(cid:454) et ve(cid:374)teu(cid:454) du (cid:1007)
au 7 octobre 1988....................................................................................................................................... 198
(cid:1005).(cid:1005). Niveau(cid:454) d’(cid:288)(cid:272)helle et fa(cid:272)teu(cid:396)s de va(cid:396)ia(cid:271)ilit(cid:288) ...................................................................................................... 198
(cid:1005).(cid:1006). Niveau(cid:454) d’(cid:288)(cid:272)helle et st(cid:396)u(cid:272)tu(cid:396)es pluvio(cid:373)(cid:288)t(cid:396)i(cid:395)ues ............................................................................................. 199
2. Cartographie des précipitations à méso-échelle avec prise en compte de la variabilité « sous-maille » 199
2.1. Résultats en interpolation ................................................................................................................................. 199
2.2. Résultats en extrapolation ................................................................................................................................ 200
2.3. Effet de la micro-variablité ................................................................................................................................ 201
CHAPITRE 15 ................................................................................................................................................... 203
SPATIALISATION DES HYDROGRAMMES JOURNALIERS ............................................................................................ 203
DANS LE DISTRICT RHIN-MEUSE (PARTIE FRANÇAISE) .......................................................................................... 203
(cid:1005). R(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) de l’i(cid:374)fo(cid:396)(cid:373)atio(cid:374) (cid:395)ua(cid:374)titative ........................................................................................ 204
(cid:1005).(cid:1005). Évaluatio(cid:374) su(cid:396) l’(cid:288)(cid:272)ha(cid:374)tillo(cid:374) (cid:272)o(cid:373)plet de stations hydrométriques ................................................................... 204
1.1.1. Rappels succincts sur les méthodes de régionalisation ............................................................................ 205
1.1.2. Quelle méthode de reconstitution est la plus efficace ? ........................................................................... 205
1.1.3. Quelle information hydrométrique minimale ? ........................................................................................ 206
1.1.4. Que faire des « monstres » hydrologiques ? ............................................................................................. 207
1.2. Évaluation sur un échantillon partiel de stations RCS ....................................................................................... 208
(cid:1006). R(cid:288)gio(cid:374)alisatio(cid:374) de l’i(cid:374)fo(cid:396)(cid:373)atio(cid:374) (cid:395)ualitative .......................................................................................... 210
(cid:1006).(cid:1005). D(cid:288)fi(cid:374)itio(cid:374) des phases h(cid:455)d(cid:396)ologi(cid:395)ues et (cid:373)odalit(cid:288)s d’e(cid:454)t(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) ....................................................................... 210
(cid:1006).(cid:1006). Évaluatio(cid:374) su(cid:396) l’(cid:288)(cid:272)ha(cid:374)tillo(cid:374) pa(cid:396)tiel de statio(cid:374)s RCS .......................................................................................... 210
PARTIE 5 .................................................................................................................................................... 212
PERSPECTIVES ........................................................................................................................................... 212
CHAPITRE 16 ................................................................................................................................................... 213
BILAN ET QUESTIONS SUR MON HORIZON SCIENTIFIQUE ........................................................................................ 213
(cid:1005). Cha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)ts (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ues et h(cid:455)d(cid:396)ologi(cid:395)ues d’(cid:288)(cid:272)helle (cid:396)(cid:288)gio(cid:374)ale ............................................................ 214
(cid:1005).(cid:1005). Bila(cid:374) su(cid:396) le f(cid:396)o(cid:374)t de l’o(cid:271)se(cid:396)vatio(cid:374) ..................................................................................................................... 214
1.2. Bilan sur le front des simulations ...................................................................................................................... 214
1.3. Axes de recherche ............................................................................................................................................. 215
1.3.1. Axe 1 : Détection et attribution des changements climato-hydrologiques................................................ 215
1.3.2. Axe 2 : App(cid:396)o(cid:272)he si(cid:373)ulative des futu(cid:396)s du (cid:272)li(cid:373)at et de l’h(cid:455)d(cid:396)ologie ......................................................... 217
1.3.3. Axe 3 : Co(cid:374)t(cid:396)i(cid:271)ue(cid:396) à la (cid:396)(cid:288)fle(cid:454)io(cid:374) su(cid:396) les st(cid:396)at(cid:288)gies d’adaptatio(cid:374) au (cid:272)ha(cid:374)ge(cid:373)e(cid:374)t (cid:272)li(cid:373)ati(cid:395)ue ................... 218
7
2. Mes perspectives dans la recherche en hydrologie quantitative ............................................................ 219
2.1. Bilan sur la spatialisation des pluies .................................................................................................................. 219
2.2. Bilan sur la spatialisation des débits ................................................................................................................. 219
2.3. Axes de recherche ............................................................................................................................................. 220
2.3.1. Axe 4 : Amélioration du modèle pluviométrique régional à pas de temps fin ........................................... 220
2.3.2. Axe 5 : Amélioration des techniques de spatialisation des débits ............................................................. 220
3. Collaborations, projets et capital humain .............................................................................................. 221
3.1. Partenaires et appels à projets ......................................................................................................................... 221
3.2. La formation initiale et la filière doctorale ........................................................................................................ 222
4. Conclusion générale................................................................................................................................ 223
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .......................................................................................................... 225
LISTES DES ENCADRES .............................................................................................................................. 245
LISTES DES FIGURES ................................................................................................................................. 246
LISTES DES TABLEAUX ............................................................................................................................. 252

8
Résumé

Géographe hydro-
des interactions entre l’eau, le climat et la société. Les applications portent sur un
espace sous- climatologue, mes recherches en sscoiuemncise s àd eu ln(cid:495)e ncvliirmonant eomceénatn tirqauitee nàt
dégradation continentale et drainé par deux fleuves constituant des axes de
continental de l(cid:495)Europe de l(cid:495)Oues t: le Rhin et la Meuse.

Ccier cduolacutimone nett dp(cid:495)réécsheanntgee usn t raapnesrnçaut idoen amuexs m reacjehuerrsches au cours des dix dernières années.
Trois thèmes ont charpenté mon activité de recherche pendant cette décennie :

 Le changement climatique contemporain d’échelle régionale ;

 La caractérisation et la gestion des impacts hydrologiques en contexte
climatique non stationnaire et en avenir incertain ;

 La géographie physique du flux de précipitations et de l’écoulement de rivière
dans une optique de régionalisation des composantes du cycle hydrologique.
Le premier thème est certainement celui qui a le plus retenu mon attention en raison de

lAav feocr tlee dreemcuanl, djee spoecniéstea leq uqeu (cid:495)icle as stursociist ét ahuè mcoeusr sd de er mecah perécrhioed seo dn(cid:495)ta cltiéivsi tpé.ar un concept
transversal : celui du changement1 qui se manifeste à toutes les échelles d
temps et le climat se situent dans un environnement progressivement
transformé -mêmes à ce changement (cid:495)aefsfpeactcaen et t ldees
société. s Lh(cid:495)uemaua ines par leur dynamique2 intrinsèque et leur stochasticité.
par l(cid:495)(omme et participent eux
une approche socio-environnementale et
intégrative des hydrosystèmes pour comprendre leur dynamique et mieux maîtriser
)lel uyr a g elàs tuionne, dreunafloitréc eqru lie suurp rpéossileie dn(cid:495)caed oetp ter au changement.

Cette dualité suppose « » luenuer facchualtîén ed (cid:495)add’aapntaaltyiosne et de modélisation
contrainte par le diagnostic des modèles (climatiques et hydrologiques) et
terrain-moddè(cid:495)lien s»t. aSlleeurle une telle démarche expérimentale permet de
poser des limites opérationnelles face aux enjeux sociétaux suscités par les changements
l (cid:495) i n t e r a c t i o n «
1 A ne pas confondre avec le terme de non stationnarité
processus stationnaire
(i.e. la moyenne est constante à moyen terme et les valeur.s C doum pmroec le(cid:495)ésscurist sKoonut tisnodyéiapnennidsa (cid:523)n(cid:884)te(cid:882)s(cid:883) (cid:883)to(cid:524)u, tm eênm éet aunnt
dbréupietn bdlaanntce sst àa tcioonunrta itreer mcoen).t iLeen tt edrum ceh daen gcehmanegnet mà ecnotu erst tt edromnce palluorss v qaustee cq(cid:495)euset cuenlu i de non stationnarité.
Le changement doit même ne pas être considéré a priori comme non stationnaire. Il exprime avant tout
dont les propriétés statistiques sont une fonction déterministe du temps.
q2 uL(cid:495)eu nte prmhéen odmynèanme ieqsute n eosnt sictai teiqmupel.o Eyné edfafnets, slao nn oanc csetpattiioonnn pahryitséi qcuaera ctérise un processus ou phénomène

: l(cid:495)étude du changement sous toutes
ses formes en relation avec les forces qui le causent et les formes d(cid:495)énergie correspondantes.
9