Ressources en eau et changement climatique

Dossier : Les eaux continentalesMagazine N°698 Octobre 2014
Par Katia LAVAL
Par Jean-Louis DUFRESNE

Modification des échanges

Com­ment le chan­ge­ment cli­ma­tique peut-il affec­ter le cycle de l’eau ? Tout d’abord, en fai­sant varier les échanges d’eau, en quan­ti­té. Dans les simu­la­tions du cli­mat par les modèles de cir­cu­la­tion géné­rale océa­nique et atmo­sphé­rique, la quan­ti­té d’eau éva­po­rée et pré­ci­pi­tée aug­mente lors du réchauf­fe­ment climatique.

On dit que le cycle hydro­lo­gique est accé­lé­ré, et cet effet est main­te­nant bien com­pris théo­ri­que­ment, même si la rai­son prin­ci­pale est loin d’être intuitive.

“ Les pluies varient de façon très contrastée, selon les régions, et ces modifications peuvent poser problème ”

De façon sché­ma­tique, l’équilibre ther­mique de l’atmosphère résulte d’un chauf­fage par conden­sa­tion de la vapeur d’eau (for­ma­tion des pré­ci­pi­ta­tions) et d’un refroi­dis­se­ment par émis­sion de rayon­ne­ment infra­rouge vers l’espace.

L’accroissement des gaz à effet de serre (H2O, CO2, etc.) dimi­nue le refroi­dis­se­ment radia­tif de la sur­face mais aug­mente celui de l’atmosphère. Ce der­nier est alors com­pen­sé par une aug­men­ta­tion du chauf­fage par conden­sa­tion de la vapeur d’eau, et donc des pré­ci­pi­ta­tions. Cet accrois­se­ment des pré­ci­pi­ta­tions, en valeur glo­bale, est d’environ 2 % par degré de réchauf­fe­ment global.

REPÈRES

L’atmosphère s’alimente en vapeur d’eau par évaporation des océans, sublimation des glaces et évapotranspiration de la végétation. Cette vapeur d’eau est évacuée de l’atmosphère par les précipitations, sous forme de gouttes d’eau ou de neige. Localement, la quantité d’eau précipitée dépend essentiellement de deux grandeurs : la vigueur de l’ascendance des mouvements atmosphériques et l’humidité près de la surface de la Terre.
Les variations de la pluviosité sont donc très contrastées d’une région à l’autre car elles dépendent de la circulation de l’atmosphère et de ses changements. Il suffit, par exemple, que les zones d’ascendance ou de subsidence (mouvements descendants) de l’air se décalent en latitude pour modifier la distribution géographique des pluies.

Une nouvelle répartition des pluies

Sur cer­taines zones, comme les lati­tudes équa­to­riales, qui reçoivent déjà les plus fortes pluies sur la pla­nète, la plu­vio­mé­trie aug­mente (figure 1). Mais, simul­ta­né­ment, la pré­ci­pi­ta­tion dans cer­taines zones dimi­nue, notam­ment dans les zones sèches subtropicales.

C’est donc la modi­fi­ca­tion de la répar­ti­tion des pluies qui peut poser pro­blème, car la varia­tion de pré­ci­pi­ta­tions régio­nales peut atteindre aisé­ment 10 % par degré de réchauf­fe­ment global.

Sur un ter­ri­toire de dizaines de mil­liers de kilo­mètres car­rés, une varia­tion de 10 % des pré­ci­pi­ta­tions peut être catas­tro­phique, que ce soit dans un pays tro­pi­cal ou tempéré.

En Inde, les situa­tions extrêmes de faible mous­son cor­res­pondent à des défi­cits de pluie de 20 %, et en France, l’année 2011 est une des plus sèches que notre pays ait connues depuis cin­quante ans, avec un défi­cit glo­bal de 17 %.

Si la dimi­nu­tion des pré­ci­pi­ta­tions en moyenne est déjà de 10 %, on frô­le­ra bien plus sou­vent ces situa­tions dif­fi­ciles à gérer.

FIGURE 1​
Chan­ge­ment de pré­ci­pi­ta­tions (en pour­cen­tage) entre la fin du XXIe siècle et la fin du XXe siècle, simu­lé (moyenne sur 40 modèles ayant par­ti­ci­pé au pro­jet CMIP5) pour un scé­na­rio dans lequel les émis­sions de gaz à effet de serre dues aux acti­vi­tés humaines conti­nuent de croître pen­dant tout le siècle (scé­na­rio RCP8.5). Dans les régions avec des points, 90 % des modèles sont en accord sur le signe des chan­ge­ments de pré­ci­pi­ta­tions. Dans la zone de conver­gence tro­pi­cale, et de façon sché­ma­tique, les pré­ci­pi­ta­tions aug­mentent près de l’équateur. Elles varient peu ou dimi­nuent dans les régions sub­tro­pi­cales (adap­ta­tion de la figure SPM.3 du 5e rap­port du GIEC, 2013).

Incertitudes locales

Ces varia­tions de répar­ti­tion géo­gra­phique sont plus ou moins incer­taines sui­vant les régions et les méca­nismes qui les provoquent.

On consi­dère comme for­te­ment pro­bable l’accroissement des pré­ci­pi­ta­tions de hautes lati­tudes, ce qui est ren­for­cé par le fait que les cyclones et tem­pêtes de moyennes lati­tudes seront dépla­cés vers le Nord. Ain­si, les modèles de cli­mat simulent une Scan­di­na­vie plus arro­sée, lors du chan­ge­ment climatique.

En revanche, pré­ci­ser quel pays de la zone équa­to­riale rece­vra plus de pluie est dif­fi­cile car les modèles donnent des résul­tats diver­gents. Serait-ce plu­tôt le Bré­sil ? Le Bénin ? C’est pour­quoi, quand il s’agit de prendre des mesures pour s’adapter aux chan­ge­ments futurs des res­sources en eau, il est impor­tant de bien connaître ces incer­ti­tudes pour évi­ter les dan­gers de la maladaptation.

Risques d’augmentation des sécheresses

En plus des chan­ge­ments de pré­ci­pi­ta­tions, le chan­ge­ment d’évapotranspiration sur les régions sèches joue un rôle majeur sur les consé­quences du chan­ge­ment cli­ma­tique. Si, par ce pro­ces­sus, ces zones perdent plus d’eau au point de rendre les sols encore plus secs qu’ils n’étaient avant le chan­ge­ment cli­ma­tique, les consé­quences sur l’agriculture pour­raient être majeures et néces­si­ter d’importants amé­na­ge­ments ou chan­ge­ments de pra­tiques pour être atténuées.

“ On considère comme fortement probable l’accroissement des précipitations aux hautes latitudes ”

Or, les simu­la­tions effec­tuées par les modèles montrent que l’assèchement des sols pour­rait aug­men­ter sur de vastes régions.

Il faut cepen­dant noter que plus une végé­ta­tion ou un sol est sec, plus une zone est aride, plus le cal­cul de l’évapotranspiration dans les modèles est impré­cis. Ain­si, les modèles ont le défaut sys­té­ma­tique de simu­ler des tem­pé­ra­tures trop chaudes en été sur les conti­nents (figure 2). La cause pro­vient notam­ment de l’évaluation de cette éva­po­trans­pi­ra­tion dans le cas de faibles réserves d’eau, ce que l’on appelle le stress hydrique.

C’est pour­quoi il fau­dra confir­mer les résul­tats sur l’évolution des séche­resses sous l’effet du chan­ge­ment cli­ma­tique lorsque les tra­vaux en cours pour réduire ce biais sys­té­ma­tique des modèles auront abouti.

“ Il est important de déterminer si le débit des rivières a varié à la suite de l’évolution du climat ”

D’autre part, l’étude des obser­va­tions n’a pas per­mis de noter une aug­men­ta­tion des séche­resses, au niveau glo­bal, sur les cin­quante der­nières années.

La pré­vi­sion des séche­resses reste un objec­tif majeur. Pou­voir pré­voir qu’une région (telle que le Sud-Ouest ou la Nor­man­die) subi­ra plus fré­quem­ment des défi­cits de pluie, ou que ceux-ci seront plus intenses, per­met­trait de modi­fier les cultures de ces régions pour favo­ri­ser, par exemple, des céréales moins gour­mandes en eau.

L’Office natio­nal des forêts, aus­si, devra tenir compte de ces chan­ge­ments cli­ma­tiques pour défi­nir sa ges­tion des forêts : l’ONF favo­ri­se­ra des essences d’arbres ayant des racines s’enfonçant plus pro­fon­dé­ment dans le sol pour être plus résis­tants aux séche­resses en surface.

Ces choix per­mettent sui­vant les cas, sur quelques années ou quelques décen­nies, d’adapter l’économie pour réduire la vul­né­ra­bi­li­té au chan­ge­ment climatique.

Des effets sur les fleuves difficiles à anticiper Un autre point important est de déterminer si le débit des rivières a varié à la suite de l’évolution du climat.

FIGURE 2
Différence entre la température simulée par les modèles de climat et celle estimée d’après les observations
Dif­fé­rence entre le cycle sai­son­nier moyen de la tem­pé­ra­ture simu­lé par les modèles de cli­mat du pro­jet CMIP5 (40 modèles) et celui esti­mé d’après les obser­va­tions. On remar​que une sur­es­ti­ma­tion par les modèles du cycle sai­son­nier au-des­sus des conti­nents dans les moyennes latitudes.
Ce défaut est dû à une sur­es­ti­ma­tion de la tem­pé­ra­ture en été qui pro­vient notam­ment de pro­blèmes dans la modé­li­sa­tion du cycle hydro­lo­gique sur les continents.
Dans d’autres régions, ce sont les défauts de la tem­pé­ra­ture de sur­face qui impactent le cycle hydro­lo­gique. Par exemple, le cycle sai­son­nier trop faible (et une tem­pé­ra­ture moyenne trop chaude) sur l’océan Atlan­tique, à l’ouest de l’Afrique, induit un manque de pro­pa­ga­tion vers le nord de la mous­son afri­caine (extrait de la figure 9.3 du 5e rap­port du GIEC, 2013).

Un grand nombre d’études ont explo­ré cette pro­blé­ma­tique depuis une ving­taine d’années. Elles se fondent en géné­ral sur les obser­va­tions de débits. En effet, les modèles de cir­cu­la­tion géné­rale, qui simulent le cli­mat, n’avaient pas la réso­lu­tion néces­saire pour repré­sen­ter de manière réa­liste les débits des fleuves.

Depuis quelques années, des déve­lop­pe­ments et des cou­plages entre les modé­li­sa­tions hydro­lo­gique et cli­ma­tique per­mettent d’obtenir une simu­la­tion des débits de fleuves en repré­sen­tant, de manière sim­pli­fiée, les trans­ferts d’eau dans les sols de sur­face et dans les réser­voirs profonds.

En fait, les enre­gis­tre­ments de débits dont nous dis­po­sons sont rare­ment conti­nus et, très sou­vent, des mesures manquent sur cer­taines périodes : il faut com­bler ces « trous de mesure » en uti­li­sant des simu­la­tions de ces débits, si tant est qu’on pos­sède des obser­va­tions de pré­ci­pi­ta­tions sur ces périodes pour pou­voir uti­li­ser un modèle.

Les pre­miers résul­tats obte­nus, vers la fin des années 1990, sur cer­tains fleuves ont conclu à une aug­men­ta­tion des débits, vers la mer Bal­tique par exemple. Mais, au fur et à mesure que les études se sont mul­ti­pliées, les résul­tats ont été plus mitigés.

Le fait d’avoir des enre­gis­tre­ments plus longs, d’avoir des modé­li­sa­tions plus per­for­mantes et plus réa­listes, a per­mis de mettre en évi­dence les défauts et les fai­blesses des études précédentes.

Or, l’eau des rivières joue un rôle impor­tant dans la pro­duc­tion d’énergie ou l’irrigation. Un risque de débit plus faible et d’étiages plus fré­quents devra être pris en compte pour défi­nir la ges­tion de l’eau des agences de bassin.

Évolution de la cryosphère

La modi­fi­ca­tion de la sur­face ennei­gée et de la quan­ti­té de neige en réponse à un réchauf­fe­ment est prin­ci­pa­le­ment régie par trois phé­no­mènes : rac­cour­cis­se­ment de la sai­son ennei­gée ; aug­men­ta­tion des pré­ci­pi­ta­tions aux moyennes et hautes lati­tudes, régions où se situent l’essentiel des zones ennei­gées ; aug­men­ta­tion de la frac­tion des pluies par rap­port à celle des neiges.

200 FLEUVES TÉMOINS

Les dernières analyses poussées, sur plus de 200 fleuves, montrent que les débits des fleuves ont une variabilité naturelle décennale, voire multidécennale, assez forte. Cela exclut de calculer une tendance de ces débits en utilisant des enregistrements qui comprennent moins de vingt ou trente ans. Les dernières analyses ont été effectuées sur plus de cinquante ans. Les évolutions des débits des fleuves sont significatives, pour seulement un tiers d’entre eux, soit à la hausse, soit à la baisse.
Il s’agit, par conséquent, de déterminer si ces évolutions de débit observées sont compatibles avec les prévisions des modifications des pluies par les modèles de climat. Sans cette confirmation, il est difficile de faire la différence entre l’effet du changement climatique et la variabilité naturelle.
C’est pourquoi l’effort vers des prévisions régionales est nécessaire, malgré les difficultés d’une telle recherche.

Le deuxième phé­no­mène peut conduire à une aug­men­ta­tion de la quan­ti­té de neige alors que les deux autres conduisent à une dimi­nu­tion. Les résul­tats de modèles nous indiquent que cet effet d’augmentation des pré­ci­pi­ta­tions ne domine les deux autres que dans les régions très froides, où les tem­pé­ra­tures sont si basses qu’elles conti­nuent à res­ter le plus sou­vent en des­sous du point de congé­la­tion mal­gré le réchauf­fe­ment, et où l’accroissement des pré­ci­pi­ta­tions aug­mente la quan­ti­té de neige.

Mais, dans la plu­part des régions, ce sont les deux autres méca­nismes qui dominent et qui conduisent à une dimi­nu­tion de la cou­ver­ture moyenne de neige sur l’année.

Les obser­va­tions dis­po­nibles depuis plus de qua­rante ans ont per­mis de détec­ter dans l’hémisphère nord cette ten­dance à la dimi­nu­tion de l’extension de la neige, sur­tout au printemps.

Des glaciers qui régressent

Pour les gla­ciers, les phé­no­mènes qui régissent leur fonte ou leur accu­mu­la­tion sont les mêmes que pour la neige, mais avec en plus un effet d’inertie impor­tant dû à la masse du gla­cier ain­si que des phé­no­mènes d’écoulement, de rhéo­lo­gie, qui sont déci­sifs dans les régions mon­ta­gneuses. De façon géné­rale, on constate depuis une qua­ran­taine d’années une dimi­nu­tion géné­rale de l’extension des gla­ciers sur toute la sur­face du globe.

“ Dans la plupart des régions, la couverture neigeuse diminue ”

Cette dimi­nu­tion varie d’un gla­cier à l’autre, pour un même gla­cier d’une décen­nie à l’autre, mais la ten­dance géné­rale est robuste. Pour les décen­nies à venir, on pré­voit que cette réduc­tion géné­rale se poursuive.

La quan­ti­fi­ca­tion pré­cise, par gla­cier, est ren­due dif­fi­cile par l’incertitude sur les carac­té­ris­tiques régio­nales du chan­ge­ment cli­ma­tique et sur les modèles de gla­cier. Les gla­ciers étant d’importants réser­voirs d’eau douce, leur dimi­nu­tion peut for­te­ment influen­cer le cycle sai­son­nier du débit des rivières.

Le poids des calottes glacières

L'antarctique
Le bilan de masse de l’Antarctique est encore mal connu.  © ISTOCK

Les calottes de glace du Groen­land et de l’Antarctique consti­tuent d’énormes réser­voirs d’eau dont la fonte totale entraî­ne­rait une aug­men­ta­tion du niveau des mers d’environ 7 mètres pour le Groen­land et 60 mètres pour l’Antarctique.

Du point de vue des obser­va­tions, la sur­face du Groen­land qui fond en été a aug­men­té ces der­rières années et on estime que, depuis vingt ans, la fonte du Groen­land a contri­bué pour envi­ron 8 mm à l’augmentation du niveau des mers. Cette fonte devrait se pour­suivre et on n’exclut pas que la calotte du Groen­land puisse dis­pa­raître en qua­si- tota­li­té en réponse à un réchauf­fe­ment de quelques degrés pen­dant quelques mil­liers d’années.

Notons que si Erik le Rouge a choi­si le nom de « terre verte » lors de son exil au Moyen Âge, c’était pro­ba­ble­ment davan­tage pour atti­rer de nou­veaux colons que pour décrire le pay­sage car l’extension de la calotte de glace était à cette époque peu dif­fé­rente de celle d’aujourd’hui.

Du côté de l’Antarctique, le bilan de masse de la calotte est net­te­ment moins bien connu que celui du Groen­land. Cepen­dant, les esti­ma­tions les plus récentes sug­gèrent que la calotte se réduit légèrement.

Étude régionale : l’Aquitaine

Peut-on dis­cu­ter de pos­sibles réper­cus­sions du chan­ge­ment cli­ma­tique sur un pays, voire sur une région de France ? C’est le défi qu’ont rele­vé des scien­ti­fiques, qui, sous l’impulsion de son Conseil régio­nal, ont publié une syn­thèse sur les modi­fi­ca­tions du cli­mat en Aquitaine.

Une ana­lyse des obser­va­tions a per­mis d’étudier l’évolution des débits annuels, de 1968 à 2008, des fleuves en France. Les résul­tats montrent une ten­dance à l’accroissement des débits plu­tôt au nord du pays et à leur dimi­nu­tion plu­tôt au sud. Mais ces ten­dances semblent peu signi­fi­ca­tives sauf en quelques rares régions, dont fait par­tie l’Aquitaine.

La Garonne
Le débit de la Garonne a dimi­nué de 1959 à 2009. © KATIA LAVAL

Ces varia­tions étaient-elles la signa­ture d’un chan­ge­ment cli­ma­tique obser­vé déjà en France ?

Étant don­né la faible exten­sion de ce domaine, il conve­nait tout d’abord de s’appuyer sur les obser­va­tions exis­tantes de la région, plu­tôt que sur des modé­li­sa­tions de grande échelle. Les cher­cheurs ont étu­dié l’évolution des débits de la Garonne et la Dordogne.

Le débit moyen de la Garonne, bien que sou­mis à une forte varia­bi­li­té inter­an­nuelle, a dimi­nué entre 1959 et 2009. Cette évo­lu­tion est bien cohé­rente avec la dimi­nu­tion de la plu­vio­mé­trie en Aqui­taine. Est-ce là le signe d’un chan­ge­ment cli­ma­tique, dont on doit anti­ci­per les consé­quences ou un effet de la varia­bi­li­té mul­ti- décennale ?

Un autre résul­tat, plus pré­oc­cu­pant, concerne le niveau d’étiage en baisse avec une fré­quence qui aug­mente depuis la fin des années 1980. Là encore, il est essen­tiel pour les agences de bas­sin de savoir si cette situa­tion va empirer.

Notons tou­te­fois que les crues de la Garonne ne révèlent pas de varia­tion signi­fi­ca­tive, ni à la hausse, ni à la baisse, ce qui conduit à une cer­taine pru­dence sur l’interprétation de tous ces résultats.

Les résul­tats sur la Dor­dogne ne montrent pas d’effet simi­laire, mais il faut noter que la situa­tion de ce cours d’eau est très dépen­dante de la stra­té­gie de la pro­duc­tion élec­trique d’EDF.

Mieux comprendre les interactions

“ La variabilité naturelle des précipitations rend difficile l’interprétation des données ”

Le chan­ge­ment cli­ma­tique pro­vo­que­ra un chan­ge­ment du cycle de l’eau. Les varia­tions des pré­ci­pi­ta­tions seront géo­gra­phi­que­ment contras­tées. La dif­fi­cul­té de détec­ter les varia­tions pas­sées est due à l’importance de la varia­bi­li­té natu­relle des pré­ci­pi­ta­tions aux échelles décennales.

On s’attend à un chan­ge­ment impor­tant de la cryo­sphère, avec de façon glo­bale une réduc­tion des régions ennei­gées et des glaciers.

Il reste tou­te­fois des ques­tions ouvertes sur la com­pré­hen­sion de ces effets quand ils impliquent l’interaction du cycle hydro­lo­gique avec la cir­cu­la­tion, et ce, par­ti­cu­liè­re­ment sur les conti­nents où les pro­ces­sus de sur­face apportent une com­plexi­té supplémentaire.

En Scandinavie
Les modèles de cli­mat pré­disent une Scan­di­na­vie plus arrosée.
© FOTOLIA

BIBLIOGRAPHIE

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  • J.-L. Dufresne et al., « Simu­la­tion de l’évolution récente et future du cli­mat par les modèles du CNRM et de l’IPSL, La Météo­ro­lo­gie, n° 55, 2006, p. 45–59.
  • J.-L. Dufresne et al., Cli­mate Change Pro­jec­tions Using the IPSL-CM5 Earth Sys­tem Model : from CMIP3 to CMIP5. Clim. Dyna­mics, 40 (9−10), 2013, p. 2123–2165.
  • H. Le Treut (dir.), Les Impacts du chan­ge­ment cli­ma­tique en Aqui­taine, Presses uni­ver­si­taires de Bor­deaux, 2013.

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