Variabilité du régime des précipitations, des débits et des bilans hydriques le long du versant pacifique péruvien : influence du phénomène ENSO et sensibilité au changement hydroclimatique

Precipitation runoff and water balance regimes variability along the Peruvian Pacific slope and coast : ENSO influence and sensivity to hydroclimatic change

• Auteur / Autrice : Pedro Rau Lavado
• Direction : David Labat, Luc Bourrel, Boris Dewitte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, hydrologie
• Date : Soutenance le 28/09/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

ENSO (météorologie)

Pacifique (océan)

Précipitations (météorologie) -- Variabilité

Mots clés libres

Versant pacifique péruvien

Précipitations

Débits

Bilan hydrique

ENSO

Changement hydroclimatique

Peruvian Pacific slope and coast

Precipitation, runoff

Hydroclimatic balance

ENSO

Hydroclimatic change

Résumé

La variabilité climatique et les événements extrêmes associés comme le phénomène El Niño (ENSO) représentent les épisodes les plus difficiles à gérer dans le Versant Pacifique Péruvien. En outre, une préoccupation croissante sur la disponibilité en eau a lieu depuis les années 1970s. Une documentation approfondie des régimes de précipitations et des débits est un élément clé de tout plan de gestion de l'eau et notre recherche est la première étude sur la variabilité hydroclimatique à l'échelle mensuelle et annuelle dans la zone d'étude au cours des quatre dernières décennies (période 1970-2010). Tout d'abord, un traitement de base de données exhaustif a été effectué pour surmonter certaines limitations et notamment celles liées aux conditions géographiques des Andes. Deuxièmement, le régime des précipitations a été étudié avec une approche de régionalisation liée aux conditions de séries temporelles non stationnaires. Une méthode mixte associant la méthode des clusters k-means et la méthode du vecteur régional a été proposée. Neuf régions ont été identifiées avec des régimes homogènes de précipitation tenant compte d'un gradient latitudinal et altitudinal. Un bilan hydroclimatique a ensuite été fait à l'échelle de bassin versant, abordant la problématique du climat et de l'anthropisation et leurs influences potentielles sur les séries chronologiques hydroclimatiques. Le cadre théorique de Budyko-Zhang a été utilisé et a permis d'identifier 11 des 26 bassins versants à faible influence climatique et anthropique (i.e. des conditions quasi-naturelles). Le régime des débits a ensuite été étudié pour ces conditions et une extension pour l'ensemble des 49 bassins versants de la zone d'étude a été effectuée. Un modèle hydrologique régional est proposé via deux modèles conceptuels agrégés à l'échelle de temps annuelle et mensuelle (GR1A et GR2M respectivement). Un test d'échantillonnage différentiel (DSST) a été utilisé pour améliorer la robustesse de la modélisation par rapport aux conditions climatiques contrastées entre années sèches et humides dans les conditions semi-arides. Enfin, la portée de la thèse couvre (1) une revisite de la relation ENSO/précipitation en prenant en compte les neuf régions identifiées et de plusieurs indices ENSO afin de discriminer l'influence des deux types d'El Niño (El Niño du Pacifique Est EP et du Pacifique Central CP) ainsi que l'influence de la variabilité atmosphérique (i.e. l'oscillation Madden et Julian) et aux conditions océaniques régionales. La méthodologie proposée consiste en l'analyse des composantes principales, ondelettes et de cohérence, les corrélations glissantes et l'analyse de la covariance spatiale afin de mettre en évidence la modulation décennale significative du phénomène ENSO ainsi que sa croissance à partir des années 2000s où la relation ENSO/précipitations s'inverse par rapport à la décennie précédente. Les deux modes de co-variabilité dominants entre la température superficielle de la mer dans le Pacifique tropical et les neuf régions montrent des caractéristiques dominantes de l'influence de l'ENSO: une augmentation des précipitations sur les régions aval dans le nord pendant El Niño EP et une diminution des précipitations sur les régions amont le long des Andes lors des événements El Niño CP. (2) La sensibilité au changement hydroclimatique est explorée via l'analyse des tendances hydroclimatiques comme indicateurs de changement de l'hydroclimatologie régionale. Les résultats montrent un réchauffement important dans la zone d'étude avec une moyenne de 0,2°C par décennie. En outre, les changements dans les trajectoires dans l'espace de Budyko (i.e. direction et amplitude) ont révélé que six bassins versants étaient sensibles à la variabilité du climat (i.e. probablement avec une grande sensibilité au climat futur) et aux changements d'utilisation du sol et où les précipitations et la température sont les facteurs prépondérants du changement de ces environnements.

Climate variability and associated extreme events as El Niño phenomenon (ENSO) represent the most difficult episodes to deal with along the Peruvian Pacific slope and coast. In addition, a growing water concern takes place since seventies. In-depth documentation of precipitation and runoff regimes becomes a key part in any water management plan and this research offers the first hydroclimatic variability study at monthly and annual time step in the study area over the last four decades (1970?2010 period). First, an exhaustive database treatment was carried out overcoming some limitations due to Andean geographical conditions. Second, precipitation regime was studied with a regionalization approach under non-stationary time-series conditions. A combined process consisting in k-means clustering and regional vector methodology was proposed. Nine regions were identified with a homogeneous precipitation regime following a latitudinal and altitudinal gradient. Third, a hydroclimatic balance is done at catchment-scale addressing the issue of climate and anthropogenization and their potential influences over hydroclimatic time series. The theoretical Budyko-Zhang framework was used and allowed identifying 11 out of 26 catchments with both low climate and anthropogenization influence (i.e. unimpaired conditions). This hypothesis was verified with the use of land use and land cover remote sensing products as MODIS and LBA imagery. Then, runoff regime was studied under unimpaired conditions and an extension over 49 catchments of the Peruvian Pacific drainage was done. A regional runoff model is proposed via two conceptual lumped models at annual and monthly time scale (GR1A and GR2M respectively). A Differential Split-Sample Test (DSST) was used to cope with modelling robustness over contrasted climate conditions as dry and wet years according to the semi-arid conditions. These results also showed an increasing regional discharge from arid Peruvian Pacific coast towards the Pacific Ocean. Finally, the scope of the thesis covers (1) a revisitation of ENSO/precipitation relationship considering the regionalized precipitation and several ENSO indices in order to discriminate the influence of the two types of El Niño (the eastern Pacific (EP) El Niño and the central Pacific (CP) El Niño) as well as the influence of large-scale atmospheric variability associated with the Madden and Julian Oscillation, and of regional oceanic conditions. The proposed methodology consisting in principal component analysis, wavelets and coherence, running correlations and spatial covariance analysis, highlights the significant decadal modulation with the larger ENSO impact in particular in the 2000s, ENSO/precipitation relationship reverses compared to the previous decade. The two dominant co-variability modes between sea surface temperature in the tropical Atlantic and Pacific oceans and the nine regions show salient features of the ENSO influence: increased precipitation over downstream regions in northern Peru during EP El Niño and decreased precipitation over upstream regions along the Pacific slope during CP El Niño events. (2) The sensitivity to hydroclimatic change is explored by hydroclimatic trend analysis as changes indicators of regional hydroclimatology. According to significant upward trends in annual temperature found in all catchments, results showed a significant warming in the study area with a mean of 0.2°C per decade. Also, changes in trajectories in the Budyko space (i.e. direction and magnitude) over the 11 selected catchments revealed that six catchments were shown to be sensitive to climate variability (i.e. likely with high sensitivity to future climate) and land use changes, where precipitation and temperature are the main drivers of these environments changes.