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International audience; Main goal: Producing future discharge estimations for the French tributaries of the Rhine

La problématique du changement climatique s’est d’abord construite, scientifiquement et politiquement, à l’échelle globale. Depuis les années 2000 et surtout 2010, on observe un renforcement de la place de l’adaptation associée à une demande de prévision des changements climatiques au niveau régional et à la promotion d’une science davantage dédiée à des utilisateurs locaux. La territorialisation du changement climatique s’incarne, en particulier en France, dans la production de politiques d’atténuation et d’adaptation au niveau national, qui sont ensuite déclinées localement. Les efforts de « climatisation » des politiques de l’eau concernent aujourd’hui en particulier la planification décidée par les comités de bassin (SDAGE) et mise en œuvre par les Agences de l’eau (programmes d’intervention). Dans ces processus, l’action publique accorde une place importante au développement de connaissances et à la maîtrise des incertitudes, tous deux considérés comme des conditions nécessaires à la conception et mise en œuvre des politiques d’adaptation localement. Aujourd’hui, en Rhin-Meuse, plusieurs résultats d’études sont disponibles. Ils fournissent des ordres de grandeur des impacts et de l’évolution future des risques d’inondation et d’étiage. Quel rôle conférer alors à ces savoirs ? Quels usages en sont faits ? Plus largement, comment l’action publique locale conçoit les relations entre changement climatique et gestion de l’eau ?L’étude SOCLIM réalisée par l’UMR GESTE, avec la contribution du LOTERR et financée par l’Agence de l’eau Rhin-Meuse (2018-2020) traite de ces questions. L’analyse est menée à l’échelle du district Rhin-Meuse et de communes ou intercommunalités du massif des Vosges. Le sud du massif connait en effet des problèmes récurrents de sécheresses qui impactent l’approvisionnement en eau brute pour la production d’eau potable. Il fait aussi face à une baisse de la durée moyenne d’enneigement ces dernières décennies. L’enquête s’est fondée sur une analyse des documents d’action publique à différentes échelles, et sur 35 entretiens semi-directifs auprès d’acteurs qui produisent des études ou les commanditent, auprès d’acteurs impliqués dans les politiques de l’eau et la gestion des services d’eau ou de stations de ski. L’analyse des pratiques de production de données et de modélisation sur le climat et l’hydrologie montre qu’elles sont à la croisée d’enjeux scientifiques et politiques. La question des incertitudes est certes inhérente à ces pratiques, mais elle a aussi acquis une importance nouvelle avec l’évaluation du changement climatique et de ses effets. Certaines incertitudes sont actuellement très investies (l’état initial du système, la descente d’échelle, la représentation de la pluie et des extrêmes hydrologiques). D’autres en revanche sont émergentes (usages de l’eau, végétation et usages des sols). Si les résultats s’avèrent très dépendants des scénarios d’émissions de gaz à effet de serre choisis, la considération d’une pluralité de scénarios, et donc d’une gamme de futurs possibles contrastée, n’est pourtant pas une pratique largement répandue. Par ailleurs, si les modélisations permettent de dire que cela va évoluer et dans quel sens, ils ne peuvent pas non plus, à eux seuls, définir le sens politique des problèmes étant donnée la complexité des interactions entre dimensions humaines, sociales et naturelles qui contribuent à façonner l’avenir, et l’importance des antagonismes en jeu. L’analyse menée dans le massif des Vosges montre qu’il y a bien des signaux à la fois perçus, expérimentés et objectivés d’un changement du climat localement. Elle montre aussi qu’on a essentiellement affaire à une adaptation « par ajustement technique », qui vise à sécuriser ou à augmenter la disponibilité en eau ou en neige. Les solutions techniques portent une promesse, celle de pouvoir faire l’économie de négociations complexes et politiquement risquées pour penser, mettre en œuvre ou accompagner la sobriété et les transitions, rediscuter voire interdire certains usages de l’eau, identifier les perdants et concevoir des compensations. Ces solutions techniques peuvent générer de nouvelles impasses, parce que les effets du changement climatique sur les températures et la pluviométrie s’intensifient, ou encore parce qu’une nouvelle offre en eau ou en neige stimule le plus souvent de nouveaux usages. Mais ces questions n’ont pas pu être traitées jusqu’à aujourd’hui dans les initiatives de climatisation des politiques locales d’aménagement des territoires. Pour enrôler les acteurs locaux et susciter l’adhésion en faveur d’une gouvernance territorialisée de l’adaptation au changement climatique, ces initiatives se sont appuyées sur des dispositifs participatifs qui ont produit des consensus mous et évacué les dissensus.

International audience; Study of the future impact of climate change on streamflow at the outlet of a catchment is usually based on a rainfall-runoff model. This paper explores pros and cons of an alternate strategy using a regression-based transfer function between climate and streamflow for assessing the impact of climatic change on flow at the outlet of a catchment. The climate-flow relationship is modeled through a PLS (Partial Least Squares) regression – RLM (Multiple Linear Regression) regression sequence. The RLM regression models are calibrated between low, medium and high streamflow indices and the best climate indices, which were preliminary identified through PLS regression according to quantitative criteria as well as an expert judgment of current hydro-climatic conditions. The regression-based climate-streamflow transfer function is then applied to climate model outputs to produce hydrological projections for the 2021-2050 and the 2071-2100 periods. Results obtained for two pilot rivers of the Meuse basin show that i) this method is efficient for some flow indices only; ii) a minimal knowledge about the climate variability (through atmospheric pressure and pressure gradient force at the ground and at the level of 500 hPa) is sufficient to depict in an acceptable way the climatic forcing on these indices; iii) an expert judgment is essential in identifying hydrologically relevant climatic predictors; iv) the strength of the climate-streamflow relationship is catchment-dependent; v) streamflow changes predicted by the climate-flow method for the next decades under CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) climate scenarios are in agreement with those of rainfall-runoff modelling. However, at the stage of our investigations, three main limits of the regression-based climate-streamflow transfer function were identified: 1) it needs long hydro-climatic time series; 2) it tends to under-estimate interannual streamflow variability; 3) there is no guarantee of its ability to extrapolate to climatic impact on streamflow indices in climatic conditions that are far from those observed in historical records.; L’étude de l’impact futur du changement climatique sur l’écoulement à l’exutoire d’un bassin repose généralement sur l’utilisation d’un modèle pluie-débit. Cet article explore les potentiels et les limites d’une stratégie alternative, fondée sur une méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple. Cette méthode s’appuie sur un séquençage d’une régression des moindres carrés partiels (PLS) et d’une régression linéaire multiple (RLM) destinée à estimer des indices d’écoulement via les meilleurs prédicteurs climatiques identifiés par régression PLS. Les modèles de régression RLM paramétrés sur des critères quantitatifs, et par jugement expert des conditions hydro-climatiques actuelles, sont ensuite forcés par des sorties de modèles de climat pour produire des projections hydrologiques à différents horizons. L’application de la méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple à deux cours d’eau du bassin de la Meuse décrits à partir d’indices d’écoulement de basses, de moyennes et de hautes eaux, montre que : i) cette méthode fonctionne convenablement pour certains indices d’écoulement seulement ; ii) une connaissance minimale de la variabilité climatique à l’échelle régionale (apportée dans notre cas, par la pression atmosphérique et le gradient régional de pression en surface et à 500 hPa) suffit à décrire de façon acceptable le forçage climatique sur ces indices ; iii) le jugement expert est indispensable pour identifier les prédicteurs climatiques hydrologiquement pertinents ; iv) la force du lien entre climat et écoulement est propre à chaque bassin versant ; v) les changements d’écoulement prédits par la méthode de transfert climat-écoulement sous scénarios climatiques CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) pour les prochaines décennies sont en accord avec ceux prédits par la modélisation pluie-débit. Au stade de nos investigations, trois limites majeures de la méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple ont été identifiées : 1) elle exige de longues chroniques hydro-climatiques ; 2) elle a tendance à sous-estimer la variabilité interannuelle de l’écoulement à l’exutoire des bassins testés ; 3) elle n’est pas en capacité de garantir avec certitude l’évolution des indices d'écoulement dans des conditions climatiques très différentes de celles de la période d’observation.

Géographe hydro-climatologue, mes recherches en sciences de l'environnement traitent des interactions entre l'eau, le climat et la société. Les applications portent sur un espace sous-continental de l'Europe de l'Ouest soumis à un climat océanique à dégradation continentale et drainé par deux fleuves constituant des axes de circulation et d'échanges transnationaux majeurs : le Rhin et la Meuse. Ce document présente un aperçu de mes recherches au cours des dix dernières années. Trois thèmes ont charpenté mon activité de recherche pendant cette décennie : i) Le changement climatique contemporain d'échelle régionale ; ii) La caractérisation et la gestion des impacts hydrologiques en contexte climatique non stationnaire et en avenir incertain ; iii) 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 la forte demande sociétale qu'il a suscité au cours de ma période d'activité. Avec le recul, je pense que ces trois thèmes de recherche sont liés par un concept transversal : celui du changement qui se manifeste à toutes les échelles d'espace et de temps. L'eau et le climat se situent dans un environnement progressivement transformé par l'Homme et participent eux-mêmes à ce changement affectant les sociétés humaines par leur dynamique intrinsèque et leur stochasticité. Il y a là une dualité qui suppose d'adopter une approche socio-environnementale et intégrative des hydrosystèmes pour comprendre leur dynamique et mieux maîtriser leur gestion, renforcer leur résilience et leur faculté d'adaptation au changement. Cette dualité suppose " d'installer " une chaîne d'analyse et de modélisation contrainte par le diagnostic des modèles (climatiques et hydrologiques) et l'interaction " terrain-modèle ". Seule une telle démarche expérimentale permet de poser des limites opérationnelles face aux enjeux sociétaux suscités par les changements affectant le fonctionnement des hydrosystèmes et leur réponse face aux perturbations climatiques. La première partie de ce mémoire a pour objectif de définir les objets de recherche. Ainsi, le changement climatique est-il défini comme une intégration dans le temps des transitions préférentielles de l'atmosphère vers un régime de temps particulier. Les fondements de son étude se décline autour des mots-clés suivants : détection, attribution, modélisation et prospective. La régionalisation pour sa part est définie comme une science géographique qui, partant de l'observation et d'un effort de théorisation, cherche à identifier des similitudes de comportement, des combinatoires de variables permettant de prévoir ou prédéterminer, à partir ou non de l'information géographique, une information hydrologique ou climatologique là où elle n'existe pas ou que partiellement. Pour ces deux objets de recherche, l'enjeu socio-environnemental est considérable : il s'agit fondamentalement d'améliorer la connaissance des opportunités et des contraintes qui émanent des évolutions de l'environnement dans lequel l'Homme s'insère. L'objectif est de contribuer à faire de lui un meilleur gestionnaire, un meilleur gardien de cet environnement dont il est un acteur majeur pour qu'il adopte, de plus en plus, un comportement de " sentinelle ", i.e. proactif et réactif face au changement. Mon effort de recherche s'est déployé à différents niveaux scalaires mais toujours aux échelles spatiales qui sont directement en prise avec les impacts sociétaux du changement climatique. Les espaces sont de dimension variable (de quelques km² à quelques dizaines de milliers de km²) et leurs contours ont surtout été dictés par l'ancrage géographique des projets de recherche et la disponibilité de jeux de données cohérents. En outre, mon effort de recherche s'est nourri de données collectées par des réseaux de mesure d'envergure régionale. Par conséquent, les échelles temporelles investiguées ne vont pas au-delà de l'échelle séculaire. Les pas de temps des chroniques que j'ai traitées s'étendent de l'horaire à l'annuel. La seconde partie problématise les objets de recherche tout en fixant les échelles spatiales et temporelles auxquels ils sont traités. Les questionnements posés par mes objets de recherche sont nombreux et variés : comment crédibiliser les observations climatiques ? Comment concevoir les futurs du climat ? Comment les appliquer au fonctionnement hydrologique actuel des bassins-versants ? Quelles en sont les sources d'incertitude ? Comment évaluer le modèle d'impact hydrologique et comment le choisir ? Comment prendre en compte la variabilité spatiale des précipitations et de l'écoulement pour construire un modèle régional ? Comment s'organise cette variabilité ? Peut-on la modéliser, la prévoir, et à quelles échelles d'espace et de temps ? Quels sont les descripteurs physiques qui rendent compte de cette variabilité ? Pour répondre à ces questionnements scientifiques, il m'a fallu recourir à un arsenal de méthodes quantitatives décrites dans la troisième partie du document. Ces méthodes relèvent pour l'essentiel de l'analyse de données, de la statistique multivariée, de la statistique décisionnelle et de l'analyse spatiale. Les innovations résident principalement dans le développement des méthodes simples et fiables de détection du changement régional ou encore de cartographie automatique d'une variable d'intérêt à échelle fine. La quatrième partie est consacrée aux résultats produits tout au long de mon itinéraire de recherche. La synthèse n'est pas exhaustive. Les résultats saillants se rapportent à la caractérisation du réchauffement climatique contemporain (amplitude et localisation) au sein de l'espace rhéno-mosan, à la modulation spatiale du signal de changement pluviométrique hivernal, à l'évolution future du climat et des débits dans les bassins de la Sûre et de la Meuse ou encore à la valorisation des mesures hydrométriques patrimoniales pour l'interpolation du débit des rivières. Enfin, le document s'achève avec la présentation de quelques perspectives de recherches qui se projettent sur mon horizon scientifique, à plus ou moins brève échéance. La question de l'analyse spatiale des flux hydrologiques et celle de la résilience climatique des hydrosystèmes s'inscrivent au cœur de ces perspectives.