Grenoble Alpes Métropole et son adaptation au changement climatique - Caractérisation et évolution des scénarios atmosphériques générateurs de précipitations extrêmes dans les Alpes du Nord françaises

Grenoble Alpes Métropole and its adaptation to climate change - Characterization and evolution of atmospheric scenarios driving extreme precipitation in the Northern French Alps

• Auteur / Autrice : Antoine Blanc
• Direction : Juliette Blanchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Favre Pugin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Borga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Yiou, Julien Boe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alpes (France)

Précipitations (météorologie)

Mots clés libres

Précipitations extrêmes

Circulations Atmosphériques

Changement climatique

Alpes françaises

Analogues

Precipitation

Large-Scale Circulation

Alps

Analogue

Résumé

La Métropole de Grenoble, située dans les Alpes du Nord françaises, est traversée par deux grandes rivières : l’Isère et le Drac. Malgré l’absence de crue majeure depuis plus d’un siècle, l’incertitude sur l’évolution future des crues est importante. La présente thèse se propose de contribuer à cette question en étudiant les précipitations extrêmes sur les bassins versants de l’Isère (5800 km2) et du Drac (3600 km2) à Grenoble, dont les évolutions sont elles aussi incertaines.Nous nous intéressons plus précisément aux circulations atmosphériques de grande échelle à l’origine de précipitations extrêmes sur ces bassins versants. Pour ce faire, nous utilisons des descripteurs qui caractérisent la circulation atmosphérique, représentée par les champs journaliers d’altitude du géopotentiel 500 hPa sur l’Europe et le proche Atlantique. Ces descripteurs sont pour la plupart basés sur l’analogie, c’est-à-dire sur la comparaison des circulations atmosphériques entre elles. Ils caractérisent le caractère stationnaire de la direction du flux d’air, mais aussi le caractère reproductible de la direction du flux dans la climatologie. Ils sont associés à un dernier descripteur - non basé sur l’analogie - donnant une information sur la force du flux. Ces descripteurs atmosphériques sont couplés à une classification existante des circulations atmosphériques permettant la prise en compte de la double influence atmosphérique - Atlantique et Méditerranéenne - à l'origine de précipitations extrêmes sur la région.Nous montrons que les circulations atmosphériques à l'origine de précipitations extrêmes sur 3 jours dans les Alpes du Nord françaises partagent des caractéristiques communes et rares dans la climatologie. Ces circulations sont caractérisées par des flux d’air parmi les plus forts, dont les directions sont plutôt stationnaires et reproduites de manière proche dans la climatologie. De telles caractéristiques sont à la fois observées pour les circulations Atlantiques impactant l'Isère et le Drac, et pour les circulations Méditerranéennes impactant préférentiellement le bassin du Drac. A l'échelle saisonnière, nous montrons que les saisons associées à des circulations fortes et peu singulières sont associées à de forts cumuls de précipitations, de l’automne au printemps.L’évolution des circulations atmosphériques d’Europe de l’Ouest avant 1950 semble différer selon la réanalyse atmosphérique utilisée. En revanche, les réanalyses s’accordent sur la période 1950-2017. Sur cette période, la diminution observée des précipitations extrêmes journalières d’hiver sur le bassin de l’Isère ne semble pas être directement expliquée par un changement de caractéristique des circulations atmosphériques, au sens des descripteurs utilisés. Par contre, l'augmentation des précipitations extrêmes d’automne sur le bassin du Drac est associée à une augmentation de la fréquence des circulations Méditerranéennes génératrices d’extrêmes.Enfin, l’évolution future des circulations atmosphériques est abordée par une preuve de concept méthodologique appliquée au modèle CNRM-CM6-1 sur la période 2015-2100. Le modèle suggère une augmentation d'environ 30 % de l’occurrence des circulations atmosphériques susceptibles de générer des précipitations extrêmes dans les Alpes du Nord françaises à l'horizon de la fin de siècle selon le scénario le plus pessimiste. L'application de la méthode à un ensemble de modèles permettrait le passage d’une preuve de concept à une véritable projection.En résumé, cette thèse apporte un regard sur les circulations atmosphériques à l’origine de précipitations extrêmes sur les bassins versants de l’Isère et du Drac à Grenoble, sur leur évolution passée, et sur le lien avec les tendances de précipitations extrêmes. Bien que le nexus circulations atmosphériques-précipitations extrêmes constitue le corps de ce travail, les tendances de pluie extrême sont aussi étudiées et la pertinence de la présente approche pour les crues est discutée.

The Grenoble conurbation, located in the Northern French Alps, is crossed by two major rivers: the Isère River and the Drac River. Despite the absence of major floods for more than a century, the uncertainty on the future evolution of floods is important. The present thesis addresses this issue by studying extreme precipitation in the Isère (5800 km2) and Drac (3600 km2) River catchments in Grenoble, whose evolution is also uncertain.We are more specifically interested in atmospheric circulations driving extreme precipitation in theses catchments. To do this, we consider four atmospheric descriptors that characterize the atmospheric circulation, represented by the 500 hPa geopotential height field over Europe and the near Atlantic. These descriptors are mostly based on analogy, by comparing daily geopotential height fields to each other. They characterize the stationarity of the flow direction, but also the way the flow direction is reproduced in the climatology. They are associated with a fourth descriptor - which is not based on analogy - giving information on the strength of the flow. These atmospheric descriptors are coupled to an existing classification of atmospheric circulations in order to account for the double atmospheric influence - Atlantic and Mediterranean - driving extreme precipitation in the region.We show that the atmospheric circulations driving extreme precipitation over 3 days in the Isère and Drac River catchments share common characteristics that are rare in the climatology. These circulations are characterized by air flows being among the strongest, whose directions are pretty stationary and closely reproduced in the climatology. Such characteristics stand for both Atlantic circulations impacting the two catchments and Mediterranean circulations impacting preferentially the Drac catchment. At the seasonal scale, we show that seasons associated with strong and nonsingular circulations are associated with large precipitation accumulation, from autumn to spring.On the one hand, the evolution of atmospheric circulations over Western Europe before 1950 seems to differ depending on the considered atmospheric reanalysis. On the other hand, the reanalyses agree on the period 1950-2017. Over this period, the observed decrease in daily winter extreme precipitation in the Isère catchment does not seem to be directly explained by a change in circulation characteristics according to the descriptors used. However, the strong increase in autumn extreme precipitation over the Drac catchment is associated with an increase in the frequency of the driving Mediterranean circulation.Finally, the future evolution of atmospheric circulations is addressed by a methodological proof of concept applied to the global climate model CNRM-CM6-1 over the period 2015-2100. The model suggests an increase of about 30 % in the occurrence of the atmospheric circulations that are likely to drive extreme precipitation in the northern French Alps by the end of the century according to the most pessimistic scenario. The application of the method to an ensemble of models is nevertheless essential to account for climate projection uncertainties.In summary, this thesis provides an insight into the large-scale circulation driving extreme precipitation in the Isère and Drac River catchments at Grenoble, their evolution, and the link with extreme precipitation trends. Although the atmospheric circulation-extreme precipitation nexus forms the main body of this work, extreme rainfall trends are also studied and the relevance of the present approach for floods is discussed.