Incertitudes et modélisation de la propagation des coûts indirect du changement climatique via les chaînes d'approvisionnement

Uncertainties and modeling the propagation of indirect climate change costs via supply chains

• Auteur / Autrice : Samuel Juhel
• Direction : Fabio D'andrea, Vincent Viguie
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure

Mots clés

Mots clés libres

Changement Climatique

Adaptation

Extrêmes climatique

Risques

Chaines d'approvisionnement

Modèles

Climate Change

Adaptation

Climate extremes

Risks

Supply Chains

Model

Résumé

Même lorsqu'elle est localisée, une catastrophe naturelle peut entraîner indirectement des pertes économiques dans une zone qui peut être vaste, via les liens commerciaux et les chaînes d'approvisionnement des entreprises. Le coût total de ces pertes indirectes est souvent bien supérieur au coût direct des catastrophes, mais les mécanismes de propagation restent peu connus. C'est l'une des difficultés majeures dans l'évaluation du coût potentiel du changement climatique, et dans la définition de stratégies d'adaptation. L'une des conséquences du changement climatique est l'augmentation de l'intensité et de la fréquence des catastrophes naturelles (Voir le rapport SREX IPCC (2012) ou plus récemment le rapport 1.5°C (IPCC 2018)), et ces catastrophes peuvent avoir un coût très important (Voir par exemple Rapport Moodys (2019) ou le Sigma 2 (2020 SwissRe). Ce coût peut être scindé en deux : le coût lié aux impacts directs des catastrophes sur les biens et personnes ainsi qu'aux pertes d'exploitations conséquentes; et le coût lié aux pertes d'exploitations non consécutives ou indirectes subies par les acteurs en amont et en aval des chaînes économiques du fait de l'impossibilité de s'approvisionner ou de la perte de ses clients. Or si l'évaluation des pertes directes a fait l'objet de nombreuses études, celle des pertes indirectes, plus complexe, a encore peu été étudiée. Pourtant, comme le suggère Dasaklis et Pappis (2013) ou plus récemment, Ghadge, Wurtmann et Seuring (2020) ou Shrughrue et al. (2020) les pertes indirectes peuvent être de grande ampleur, voire supérieures aux pertes directes. La diffusion de pertes économiques via les chaînes d'approvisionnement est par exemple un phénomène très visible, en ce moment, dans un contexte différent, dans le cadre de la pandémie mondiale. Dans un article très récent, Guan et al., (2020) étudient l'impact des mesures de contrôle de la pandémie sur les chaînes d'approvisionnement. Dans leurs conclusions, ils interpellent sur le fait que la propagation des impacts n'est pas toujours intuitive, et sur l'importance de considérer les effets des mesures sur les chaînes d'approvisionnement, qui influencent très largement les retombées économiques. Ainsi, les répercussions en cascade dans l'économie des chocs issus de catastrophes naturelles peuvent pénaliser les différents secteurs économiques à court et moyen terme, en raison des nombreuses interdépendances dans les chaînes de production, interdépendances qui peuvent mener à des problèmes d'approvisionnement temporaires. Il est donc important de mieux comprendre comment et dans quelle mesure ces impacts indirects se propagent, e. g. comprendre quels secteurs sont principalement touchés, à quel point, pendant combien de temps, etc. Répondre à ces questions doit permettre de comprendre quels seraient les effets des mesures d'adaptation/résilience dans ce type de situation, pour identifier les mesures pertinentes, ou évaluer leur coût réel. La configuration infranationale de l'économie joue un rôle important dans la propagation des impacts indirects et il en va de même pour le comportements des secteurs au niveau micro-économique, il est donc essentiel de prendre en compte ces deux aspects dans cette analyse afin de produire des modélisations réalistes. En plus de cela, cette approche permet d'observer l'effet de la mise en place de mesures de prévention, ou lors du rétablissement, au niveau national comme à des échelles plus locales. Ceci permettrait de mieux guider leur élaboration et leur mise en place. Par ailleurs, des études récentes soulignent l'importance d'étudier les impacts de la combinaison de plusieurs extrêmes rapprochés ou répétés (compound events), comme Zscheischler, van den Hurk et al. (2020). Turner et al. (2019) étudient par exemple les retombées de plusieurs impacts du changement climatique en interaction, sur le secteur de l'énergie (effets de vagues de chaleur sur la consommation de climatisation et de sécheresses sur l'hydroélectricité) et en particulier le risque d'insuffisance de production par rapport à la demande. Considérer de tels évènements apparaît comme nécessaire lors de l'évaluation de la résilience. Ce projet de thèse s'intéressera donc à la relation entre la structuration économique locale et les questions de résilience/vulnérabilité en apportant une réflexion quantitative à cette relation. Il se trouve ainsi à l'interface d'un questionnement de recherche de fond et d'objectifs pratiques concernant l'analyse des impacts indirects des catastrophes : — Questionnement de recherche : Quels coûts indirects des catastrophes en France dues au changement climatique ? — Objectifs pratiques : Calibrer un modèle d'analyse de coûts indirects des catastrophes sur la France et améliorer la représentation des impacts des catastrophes naturelles et des politiques d'adaptation dans ce modèle, ainsi que le fonctionnement microéconomique. Dans ce cadre, ce projet de thèse se propose : I. de calibrer un modèle économique adaptatif d'analyse d'impacts indirects sur la France métropolitaine, II. d'étudier grâce à ce modèle les coûts économique indirects des catastrophes naturelles pour la France, ainsi que l'influence de mécanismes d'aides financières sur ce coût et sur la vulnérabilité, III. de s'intéresser à l'effet de catastrophes à répétition sur les impacts indirects, IV. d'analyser les répercussions d'une transition vers une économie décarbonée sur la résilience aux catastrophes et sur leur coûts indirects. Nous utiliserons pour cette thèse le modèle Disrupt Supply Chain, un modèle récent liant analyse IO, une modélisation par agents et une désagrégation spatiale de l'économie. Le modèle repose sur les travaux de thèse de Célian Colon (Colon, 2016) ainsi que le modèle ARIO (Hallegatte, 2008) et s'intéresse particulièrement aux questions de résilience (Colon, Hallegatte et Rozenberg, 2019). La revue réalisée par Botzen, Deschenes et Sanders (2019) souligne plusieurs pistes à suivre pour la modélisation du coût indirect des catastrophes : — Les modèles futurs devraient davantage considérer l'aspect géographique. — La modélisation par agents devrait être intégrée dans les modèles existant notamment pour une meilleure prise en compte des décisions à l'échelle micro. — Il est important de développer et tester davantage des hypothèses sur les chaînes de causalité par lesquelles les catastrophes affectent l'économie. Nous chercherons donc à suivre ces différentes pistes, notamment sur l'aspect représentation des impacts, en intégrant d'une part les travaux récents sur les liens entre extrêmes météorologiques et changement climatique (Jézéquel 2018, Pfleiderer 2020) et d'autre part en s'inspirant de méthodologies récentes de représentation d'impacts comme Jenkins (2013), qui propose par exemple une quantification de l'impact des sécheresses sur l'économie en Espagne avec le modèle ARIO, ou Mao (2019) qui a travaillé sur les inondations. Par ailleurs la représentation du rétablissement des entreprises à la suite d'un choc dans les modèles IO a fait l'objet de quelques travaux dont nous pourrons nous inspirer. Goldbeck, Angeloudis et Ochieng (2020) proposent par exemple très récemment de prendre en compte les investissement pré et post-catastrophe et en introduisant une représentation des chaînes de réparation en parallèle des chaînes de production. Li et al. (2013) proposent quant à eux une étude du rétablissement de la ville de Londres après une inondation. Nous nous intéresserons également aux interactions entre les coûts indirects des catastrophes et les pertes de productivité chroniques et les évolutions de l'économie liées au changement climatique. Pour cela nous nous appuierons sur les modélisations des modèles IMACLIM du laboratoire d'accueil, qui produisent notamment des tables entrée sortie représentant l'économie dans une économie décarbonée ou sujette à des politiques d'atténuation tel la mise en place d'une taxe carbone. L'objectif sera d'étudier les liens entre adaptation, atténuation et coûts indirects des catastrophes afin de proposer des recommandations sur le sujet. La première année de thèse sera consacrée à la calibration du modèle sur la France et en particulier à la régionalisation des tables entrée sortie nationale. L'année suivante se concentrera sur l'amélioration du modèle et son utilisation pour analyser les coûts indirects possibles selon différents aléas et différentes stratégies d'adaptation. La dernière année de thèse étudiera plus précisément les effets de compound events d'une part, et ceux de différentes trajectoires économiques de long terme, sur les coûts indirects. Le bilan de ce projet de thèse et de l'étude de cas choisie devrait permettre de mieux comprendre les chaînes causales donnant lieu à des perturbations, d'offrir des outils permettant d'évaluer la résilience économique, d'identifier les mécanismes de l'économie augmentant ou diminuant la résilience, en particulier les effets d'une transition vers une économie décarbonée et enfin de proposer des recommandations sur les stratégies à adopter en prévision de l'augmentation en fréquence des extrêmes climatiques. Le CIRED, laboratoire d'accueil, fournira pour cette thèse l'encadrement nécessaire à son bon déroulé, ainsi que l'accès au modèle IMACLIM et à ses bases de données. Une collaboration étroite avec le LMD permettra quant à elle d'apporter des éléments précis sur le régime des extrêmes climatique afin de produire des projections les plus réalistes possible. Par ailleurs cette thèse disposera d'un cadre de recherche transversal, propice à l'étude interdisciplinaire qu'elle propose. Elle s'appuiera ainsi sur des collaborations avec Célian Colon (IIASA) auteur du modèle Disrupt Supply Chain (Colon, 2016) et Michael Ghil (CERES) son directeur de thèse, ainsi que leurs collaborateurs de la Banque Mondiale à l'origine du modèle ARIO et de l'article appliquant le modèle Disrupt Supply Chain à la Tanzanie (Colon, Hallegatte et Rozenberg, 2019). Concernant l'évaluation des risques, des collaborations avec des laboratoires comme l'Urban Risk Lab de l'École des Ponts ou le Laboratoire Techniques Territoires et Sociétés (LATTS) également de l'École des Ponts sont envisagées. -------------- Références Botzen, W J Wouter, Olivier Deschenes et Mark Sanders (1er août 2019). « The Economic Impacts of Natural Disasters : A Review of Models and Empirical Studies ». In : Review of Environmental Economics and Policy 13.2, p. 167-188. issn : 1750-6816, 1750-6824. doi : 10.1093/reep/rez004. Colon, Célian (2016). « Modeling Economic Resilience ». Thèse de doctorat. Colon, Célian, S. Hallegatte et Julie Rozenberg (juin 2019). Transportation and Supply Chain Resilience in the United Republic of Tanzania : Assessing the Supply-Chain Impacts of Disaster-Induced Transportation Disruptions. World Bank. Doi : 10.1596/31909. Dasaklis, Thomas K. et Costas P. Pappis (29 oct. 2013). « Supply Chain Management in View of Climate Change : An Overview of Possible Impacts and the Road Ahead ». In : Journal of Industrial Engineering and Management 6.4, p. 1139-1161. issn : 2013-0953. doi : 10.3926/jiem.883. Ghadge, Abhijeet, Hendrik Wurtmann et Stefan Seuring (2 jan. 2020). « Managing Climate Change Risks in Global Supply Chains : A Review and Research Agenda ». In : International Journal of Production Research 58.1, p. 44-64. issn : 0020-7543. doi : 10.1080/00207543.2019.1629670. Goldbeck, Nils, Panagiotis Angeloudis et Washington Ochieng (1er jan. 2020). « Optimal Supply Chain Resilience with Consideration of Failure Propagation and Repair Logistics ». In : Transportation Research Part E : Logistics and Transportation Review 133, p. 101830. issn : 1366-5545. doi : 10.1016/j.tre.2019.101830. Guan, Dabo et al. (3 juin 2020). « Global Supply-Chain Effects of COVID-19 Control Measures ». 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Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)]. In Press. Jenkins, K. (1er déc. 2013). « Indirect Economic Losses of Drought under Future Projections of Climate Change : A Case Study for Spain ». In : Natural Hazards 69.3, p. 1967-1986. issn : 1573-0840. doi : 10.1007/s11069-013-0788-6. Jézéquel Aglaé. (2018). « Approches statistique et épistémologique de l'attribution d'événements extrêmes ». Thèse de doctorat. Li, Jun et al. (2013). « Modeling Imbalanced Economic Recovery Following a Natural Disaster Using Input-Output Analysis ». In : Risk Analysis 33.10, p. 1908-1923. issn : 1539-6924. doi :10.1111/risa.12040. Mao, Gwladys (2019). « Estimation Des Coûts Économiques Des Inondations Par Des Approches de Type Physique Sur Exposition ». Thèse de doctorat. Moody's Analytics (2019). « The Economic Implication of Climate Change ». https://www.moodysanalytics.com/-/media/article/2019/economic-implications-of-climate-change.pdf Pfleiderer, P., Jézéquel, A., Legrand, J., Legrix, N., Markantonis, I., Vignotto, E., and Yiou, P. (2020). « Simulating compound weather extremes responsible for critical crop failure with stochastic weather generators ». In : Earth Syst. Dynam. Discuss., doi : 10.5194/esd-2020-32, in review. Shughrue, C., Werner, B. & Seto, K.C. (2020). « Global spread of local cyclone damages through urban trade networks ». In : Nature Sustainability 3, p. 606–613. doi :10.1038/s41893-020-0523-8 Swiss Re (2020). « sigma 2/2020: Natural catastrophes in times of economic accumulation and climate change ». https://www.swissre.com/institute/research/sigma-research/sigma-2020-02.html Turner, S. W. D. et al. (déc. 2019). « Compound Climate Events Transform Electrical Power Shortfall Risk in the Pacific Northwest ». In : Nature Communications 10.1, p. 8. issn : 2041-1723. doi :10.1038/s41467-018-07894-4. Zscheischler, Jakob, Bart van den Hurk et al. (2020). « Multivariate Extremes and Compound Events ». In : Climate Extremes and Their Implications for Impact and Risk Assessment. Elsevier, p. 59-76. isbn : 978-0-12-814895-2. doi : 10.1016/B978-0-12-814895-2.00004-5.

Even if then happen locally, natural disasters can indirectly cause economic losses over a potentially wide area, through the trade links and supply chains of companies. The total cost of these indirect losses is often far greater than the direct cost of disasters, but little is known about the mechanisms of propagation. This is one of the major difficulties in assessing the potential costs of climate change, and in defining adaptation strategies. One of the consequences of climate change is an increase in the intensity and frequency of natural disasters (see the SREX IPCC report (2012) or more recently the 1.5°C report (IPCC 2018)), and these disasters can have a very high cost (see for example the Moodys report (2019) or the Sigma 2 (2020 SwissRe). This cost can be split into two: the cost linked to the direct impacts of disasters on property and people as well as the consequent business losses; and the cost linked to the non-consequential or indirect business losses suffered by actors upstream and downstream of economic chains due to the impossibility of obtaining supplies or the loss of their customers. While the evaluation of direct losses has been the subject of numerous studies, the more complex indirect losses have not yet been studied. However, as suggested by Dasaklis and Pappis (2013) or more recently, Ghadge, Wurtmann and Seuring (2020) or Shrughrue et al. (2020), indirect losses can be on a large scale, even greater than direct losses. For example, the diffusion of economic losses through supply chains is a very visible phenomenon at the moment, in a different context, in the context of the global pandemic. In a very recent paper, Guan et al (2020) study the impact of pandemic control measures on supply chains. In their findings, they point out that the spread of impacts is not always intuitive, and that it is important to consider the effects of measures on supply chains, which greatly influence the economic impact. For example, the cascading effects in the economy of shocks from natural disasters can penalise different economic sectors in the short to medium term, due to the many interdependencies in production chains, which can lead to temporary supply problems. It is therefore important to better understand how and to what extent these indirect impacts propagate, e.g. to understand which sectors are mainly affected, to what extent, for how long, etc. Answering these questions should help to understand what the effects of adaptation/resilience measures would be in this type of situation, in order to identify the relevant measures, or to assess their real cost. The sub-national configuration of the economy plays an important role in the propagation of indirect impacts and so does the behaviour of sectors at the micro-economic level, so it is essential to take both aspects into account in this analysis in order to produce realistic modelling. In addition to this, this approach makes it possible to observe the effect of the implementation of preventive measures, or during recovery, at the national level as well as at more local scales. This would help to better guide their development and implementation. In addition, recent studies highlight the importance of studying the impacts of the combination of several close or repeated extremes (compound events), such as Zscheischler, van den Hurk et al. Turner et al. (2019) study, for example, the spillover effects of several interacting climate change impacts on the energy sector (effects of heat waves on air-conditioning consumption and droughts on hydropower) and in particular the risk of production shortfalls in relation to demand. Considering such events appears necessary when assessing resilience. This thesis project will therefore focus on the relationship between local economic structuring and resilience/vulnerability issues by bringing a quantitative reflection to this relationship. It is thus at the interface of a substantive research question and practical objectives concerning the analysis of the indirect impacts of disasters: - Research question: What indirect costs of disasters in France due to climate change? - Practical objectives: To calibrate a model for analysing the indirect costs of disasters in France and to improve the representation of the impacts of natural disasters and adaptation policies in this model, as well as the microeconomic functioning. In this context, this thesis aims to I. to calibrate an adaptive economic model for the analysis of indirect impacts on metropolitan France, II. to study, thanks to this model, the indirect economic costs of natural disasters for France, as well as the influence of financial aid mechanisms on this cost and on vulnerability III. to study the effect of repeated disasters on the indirect impacts, IV. to analyse the repercussions of a transition to a decarbonised economy on disaster resilience and indirect costs. For this thesis we will use the Disrupt Supply Chain model, a recent model linking IO analysis, agent-based modelling and spatial disaggregation of the economy. The model is based on the thesis work of Célian Colon (Colon, 2016) as well as the ARIO model (Hallegatte, 2008) and is particularly interested in resilience issues (Colon, Hallegatte and Rozenberg, 2019). The review by Botzen, Deschenes and Sanders (2019) highlights several avenues to pursue in modelling the indirect cost of disasters: - Future models should consider the geographical aspect more. - Agent-based modelling should be integrated into existing models, especially for better consideration of micro-level decisions. - It is important to further develop and test hypotheses on the causal chains through which disasters affect the economy. We will therefore seek to follow these different avenues, particularly on the aspect of impact representation, by integrating recent work on the links between extreme weather and climate change (Jézéquel 2018, Pfleiderer 2020) and by taking inspiration from recent impact representation methodologies such as Jenkins (2013), who proposes, for example, a quantification of the impact of droughts on the economy in Spain with the ARIO model, or Mao (2019), who has worked on floods. Moreover, the representation of the recovery of firms following a shock in IO models has been the subject of some work that we can draw on. Goldbeck, Angeloudis and Ochieng (2020), for example, very recently proposed to take into account pre- and post-disaster investment and by introducing a representation of repair chains in parallel with production chains. Li et al (2013) propose a study of the recovery of the city of London after a flood. We will also look at the interactions between the indirect costs of disasters and chronic productivity losses and climate change-related changes in the economy. To do this, we will use the IMACLIM models of the host laboratory, which produce input-output tables representing the economy in a decarbonised economy or one subject to mitigation policies such as the implementation of a carbon tax. The objective will be to study the links between adaptation, mitigation and indirect costs of disasters in order to propose recommendations on the subject. The first year of the thesis will be devoted to the calibration of the model on France and in particular to the regionalization of the national input-output tables. The following year will focus on the improvement of the model and its use to analyse the possible indirect costs according to different hazards and different adaptation strategies. The last year of the thesis will study more precisely the effects of compound events, on the one hand, and of different long-term economic trajectories, on indirect costs, on the other. The results of this thesis project and the chosen case study should lead to a better understanding of the causal chains that give rise to disturbances, provide tools for assessing economic resilience, identify the mechanisms in the economy that increase or decrease resilience, in particular the effects of a transition to a low-carbon economy, and finally propose recommendations on the strategies to adopt in anticipation of the increase in the frequency of climate extremes. CIRED, the host laboratory, will provide the necessary supervision for this thesis, as well as access to the IMACLIM model and its databases. A close collaboration with the LMD will provide precise elements on the regime of climate extremes in order to produce the most realistic projections possible. In addition, this thesis will have a cross-disciplinary research framework, conducive to the interdisciplinary study it proposes. It will thus rely on collaborations with Célian Colon (IIASA), author of the Disrupt Supply Chain model (Colon, 2016) and Michael Ghil (CERES), his thesis supervisor, as well as their collaborators at the World Bank, who are at the origin of the ARIO model and the article applying the Disrupt Supply Chain model to Tanzania (Colon, Hallegatte and Rozenberg, 2019). Concerning risk assessment, collaborations with laboratories such as the Urban Risk Lab of the École des Ponts or the Laboratoire Techniques Territoires et Sociétés (LATTS) also of the École des Ponts are envisaged.