Représenter la variabilité hydro-climatique passée et future sur des périodes multi-décennales en contexte peu jaugé : le cas de l’Équateur

Representing past and future hydro-climatic variability over multi-decadal periods in poorly-gauged regions : the case of Ecuador

• Auteur / Autrice : Bolivar Erazo
• Direction : Denis Ruelland, David Labat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• 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 : HydroSciences (Montpellier) - Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie des versants

Précipitations (météorologie) -- Simulateurs

Changements climatiques

Mots clés libres

Interpolation

Modélisation hydrologique

Changement climatique

Impacts

Incertitudes

Contexte peu jaugé

Tropical

Interpolation

Hydrological modeling

Climate change

Impacts

Uncertainties

Poorly-gauged context

Tropical

Résumé

Cette thèse évalue des méthodes pour représenter la variabilité spatio-temporelle hydro-climatique passée et future dans les régions peu jaugées. Elle propose une procédure complète et reproductible appliquée à l'Équateur et s'appuyant sur des données hydro-climatiques observées et simulées en vue de représenter la variabilité passée et de projeter l'impact potentiel des changements climatiques sur les écoulements à la fin du 21ème siècle. Un état de l'art a permis d'identifier plusieurs techniques qui ont été intégrées dans une chaîne méthodologique pour obtenir des séries spatio-temporelles continues de température, de précipitation et de débit sur les périodes multi-décennales passées et futures. Trois chapitres centraux sont consacrés à cet objectif selon les thèmes suivants : (1) régionalisation de la température et des précipitations à partir de mesures in situ en comparant des techniques déterministes et géostatistiques avec une prise en compte de corrections orographiques; (2) reconstruction du débit dans différents bassins versants à l'aide de modèles hydrologiques conceptuels utilisés selon une approche multimodèle et multiparamétrique; et (3) projections hydro-climatiques basées sur des simulations de modèles climatiques sous contrainte d'un scénario marqué d'émission de gaz à effet de serre. La régionalisation du climat a révélé l'importance de caler les paramètres de spatialisation et d'évaluer les champs interpolés par rapport à des stations ponctuelles indépendantes et via des analyses de sensibilité hydrologique. La reconstruction des débits a été possible grâce aux simulations combinées de trois modèles hydrologiques évalués dans des conditions climatiques contrastées, et forcés par les variables climatiques régionalisées. Des simulations de changements hydro-climatiques à moyen terme (2040-2070) et à long terme (2070-2100) ont ensuite été analysées avec des intervalles de confiance de 95 %, en utilisant des scénarios de neuf modèles climatiques et en transférant les paramètres hydrologiques calibrés pour la reconstruction des débits. L'analyse de la variabilité hydro-climatique montre une légère augmentation des températures sur la période 1985-2015, tandis que la variabilité des précipitations est liée aux principaux modes des phases El Niño et La Niña à l'échelle inter-annuelle et au déplacement de la zone de convergence inter-tropicale (ZCIT) à l'échelle saisonnière. Une augmentation générale de la température (+4,4 °C) et des précipitations (+17 %) est attendue d'ici à la fin du 21ème siècle, ce qui pourrait entraîner une augmentation de +5 % à +71 % du débit annuel moyen selon les bassins versants. Ces résultats sont discutés en termes d'importance pour la gestion de l'eau, avant de suggérer de futures recherches hydrologiques telles que la régionalisation du débit des cours d'eau, une meilleure quantification des incertitudes et une évaluation de la capacité à satisfaire les futurs besoins en eau.

This thesis investigates methods to represent the past and future hydro-climatic variability in space and over time in poorly-gauged regions. It proposes a complete and reproducible procedure applied to the continental Ecuador to deal with observed and simulated hydro-climatic data in order to represent past variability and project the potential impact of climate change on water resources by the end of the 21st century. Up-to-date techniques were identified in a literature review and were integrated in a chain protocol to obtain continuous space-time series of air temperature, precipitation and streamflow over past and future multi-decadal periods. Three central chapters are dedicated to this objective according to the following topics: (1) regionalization of air temperature and precipitation from in situ measurements by comparing deterministic and geostatistical techniques including orographic corrections; (2) streamflow reconstruction in various catchments using conceptual hydrological models in a multi-model, multi-parameter approach; and (3) hydro-climate projections using climate model simulations under a high range emission scenario. Climate regionalization revealed the importance of calibrating parameters and of assessing interpolated fields against independent gauges and via hydrological sensitivity analyses. Streamflow reconstruction was possible with the regionalized climate inputs and the combined simulations of three hydrological models evaluated in contrasting climate conditions. Future medium term (2040-2070) and long term (2070-2100) hydro-climatic changes were analysed with confidence intervals of 95% using scenarios from nine climate models and transferring the model parameters calibrated for streamflow reconstruction. Analysis of hydro-climatic variability over the period 1985-2015 showed a slight increase in temperature, while precipitation variability was linked to the main modes of El Niño and La Niña phases at inter-annual scale and to the displacement of the inter-tropical convergence zone (ITCZ) at seasonal scale. Under climate change, a general increase in temperature (+4.4 °C) and precipitation (+17%) is expected by the end of the 21st century, which could lead to between +5% and 71% increase in mean annual streamflow depending on the catchments. These results are discussed in terms of significance for water management before suggesting future hydrological research such as regionalizing streamflow, better quantifying uncertainties and assessing the capacity to meet future water requirements.