DIVISION RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT DEPARTEMENT SYSTEMES DE PRODUCTION ET ENVIRONNEMENT Réunion...

Réunion CEMAGREF 08/12/2004 1

DIVISION RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT

DEPARTEMENT SYSTEMES DE PRODUCTION ET ENVIRONNEMENT

Recherche et prise en compte de tendance dans les

événements météo extrêmes : Méthodologie et Exemple

Sylvie Parey et Carine Laurent (EDF/R&D/SPE)

Collaboration avec D.Dacunha-Castelle du Laboratoire de Mathématiques de l’Université d’Orsay

Projet national IMFREX (GICC, MEDD) 2003-2005

Projet « IMPEC : EDF et changement climatique » (2004-2008)




Méthodologie

Projet « IMPEC : EDF et changement climatique »Projet « IMPEC : EDF et changement climatique »




Méthodologie

Rappel des hypothèses statistiques à vérifier• Stationnarité : régime climatique stable, sans périodicité ni tendance à

long terme

• Indépendance et Equidistribution des valeurs

• Ergodicité : dans la nature, une seule expérience…

Préparation des données• Extraction des maxima journaliers sur la saison chaude (du 14/06 au

21/09 = 100 jours)

• « Jitterisation » des températures (mesurées au dixième de degré près) : ajout d’une valeur aléatoire tirée uniformément sur [-0,05°C ; 0,05°C]

• A partir du quantile 10%, « déclusterisation » des valeurs (à 1 jour)

• On extrait Nu valeurs déclusterisées supérieures à un seuil u (on garde par exemple 150 valeurs déclusterisées, soit environ 3 par saison)




Méthodologie

Méthode à seuil

• La série des dates de dépassement converge asymptotiquement vers un processus de Poisson d’intensité I

• La série des valeurs converge asymptotiquement vers une Distribution Généralisée de Pareto (GPD) :

si 0

sinon

1

)(1)/(

uXuxXxP

)exp()/(uX

uxXxP




Recherche de tendance

Choix d’un modèle optimal pour I(t) et (t) (supposé constant

• Forme polynomiale de la tendance

• Tests du sur la vraisemblance de modèles emboîtés détermination du degré du modèle optimal

Estimation des paramètres des lois

• Par maximum de vraisemblance (GPD)

• Par minimisation de la négative LogVraisemblance (Poisson)




Exemple de tests de vraisemblance de modèles emboîtés ()

ds1 ds2 degré 2*#nllh chi2 0,90 choix 0,90 chi2 0,95 choix 0,95

0 1 1 3.7262 2.706 1 3.841 0

0 2 2 5.0985 4.605 2 5.991 0

0 3 3 5.0983 6.251 0 7.815 0

0 4 4 10.0327 7.779 4 9.488 4 (problème de l’extrapolation)

0 5 5 10.0171 9.236 5 11.070 0

0 6 6 10.2045 10.645 0 12.592 0

1 2 1 1.3723 2.706 1 3.841 1

1 3 2 1.3722 4.605 1 5.991 1

Significativité (à 95% ) du modèle stationnaire pour

Résultat général (Tmax sur 1960-1970 / 2002) : à 90% et 95% stationnaire

• I quadratique

Tables de 2Tables de 2




Exemple de graphe




Estimation des niveaux de retour

Optimisation de l’équation

soit

IC à 95% calculés en stationnaire (S.Coles « An introduction to statistical modeling of extreme values » )

• Delta-méthode (IC symétrique)

• Vraisemblance profilée (IC asymétrique)

1))(*)/((1

uXPuXzXP t

a

ttt

1)))(exp(*)(*),((1

tItItzParetoa

t




Applications

Projet « IMPEC : EDF et changement climatique »Projet « IMPEC : EDF et changement climatique »




Paramètres climatiques

Température de l’air (S.Parey et C.Laurent)

Température de l’eau (F.Huguet - en cours)

Vent (Charles Deltel CDD en cours – méthode de désagrégation d’échelle)

Débits (coordination LNHE)

Précipitations ?




Scénarios climatiques du futur Résultats récupérés

• Simulations ARPEGE-Climat à maille variable (50 km), scénarios IPCC (hypothèses sur l’évolution de la population, économie, environnement, équité, technologies, …) :

– A2 (2[CO2]1750= 560 ppm en 2055)

– et B2 (2[CO2]1750= 560 ppm en 2080)

• Simulation LMD-Z en version zoom (160 km), – scénario A2

Résultats disponibles• Projet PRUDENCE (modèles européens) : publics depuis début

septembre 2004

Méthodologie• Recalage / observations (stations de référence du parc en exploitation,

point de grille / station la plus proche)

• Évaluation des niveaux centennaux fin de 21e siècle




Exemple : IMFREX - contribution EDF R&D

Les températures chaudes centennales à

l’horizon 2070-2100 : extrapolation de l’actuel

et scénarios de changement climatique




Données

91 SQR : Température maximale journalière (Tx) – à 2 m

Arpège-Climat : Température maximale journalière – à 2 m (40 ans climat actuel, 30 ans climat futur)

LMDZ : Température de surface (45 ans)




Corrections

Extraction de JJAS

Corrections des distributions statistiques des modèles

• Calcul des centiles de 0 à 100 par pas de 1% (SQR, modèle)

• On ramène les températures (SQR, modèles) au niveau de la mer par application du gradient standard de température de l’atmosphère (6,5°C/km)

• Correction du biais du modèle :– Classement de chaque valeur simulée dans sa distribution (entre 2 centiles)– Correction en la replaçant au même endroit dans la distribution observée (par

interpolation linéaire)– On ramène la température obtenue à l’altitude de la maille (gradient thermique)




Estimation des températures centennales

Extrapolation non-stationnaire du climat actuel (1960-1999)

• Observé (SQR) – Méthode POT avec I(t) quadratique et (t) stationnaire (significatifs pour la plupart des 55 SQR testées sur 1960/1970-2002)

• Simulé (contrôles Arpège-Climat et LMDZ corrigés) – idem (LMDZ sera extrapolé en stationnaire car simulation en mode climatique)

Extrapolation stationnaire des scénarios A2 et B2

• Arpège-Climat : A2 et B2 (2070-2099) corrigés - Méthode POT stationnaire

• LMDZ : A2 (autour de 2085, 45 ans) corrigé - idem




Exemples ponctuelsPostes Tx de Météo-France (SQR) et grille Arpège-Climat

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0 60 120 Kilomètres

Postes Tx de Météo-France (SQR) et grille LMDZ

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79 80 81 82 83 84 85 86

90 91 92 93 94 95 96 97

0 60 120 Kilomètres

Arpège-Climat LMDZ




Exemples ponctuels : liste des SQR-mailles

ARPEGEARPEGE SQR associée (période étudiée)SQR associée (période étudiée) N° du poste SQRN° du poste SQR LMDZ LMDZ

152152 Charmeil (1960-2002)Charmeil (1960-2002) 30600013060001 5050

105105 Carcassonne (1960-2002)Carcassonne (1960-2002) 1106900111069001 7171

173173 Tomblaine (1970-2002)Tomblaine (1970-2002) 5452600154526001 2929

309309 La Rochelle (1960-2002)La Rochelle (1960-2002) 1730000117300001 4848

251251 Mérignac (1960-1999)Mérignac (1960-1999) 3328100133281001 5959

323323 Sainte-Adresse (1960-2002)Sainte-Adresse (1960-2002) 7655200176552001 2626

318318 Lesquin (1960-2002)Lesquin (1960-2002) 5934300159343001 1616

341341 Saint-Jacques de la Lande (1960-2002)Saint-Jacques de la Lande (1960-2002) 3528100135281001 3636

5757 Saint-Martin d’Hères (1969-2000)Saint-Martin d’Hères (1969-2000) 3842100138421001 6262

7474 Bron – aéroport (1960-2002)Bron – aéroport (1960-2002) 6902900169029001 5050

306306 Avrille (1960-1998)Avrille (1960-1998) 4901500249015002 3737

Italique : point de grille le plus proche de la SQR

Souligné : point de grille utilisant la SQR pour la correction (et le plus proche)

Italique : point de grille le plus proche de la SQR

Souligné : point de grille utilisant la SQR pour la correction (et le plus proche)




Exemples ponctuels : résultats

• OBS02 (avec IC) donne des résultats proches des scénarios LMDZ

• Arpège-Climat (A2 et B2) est généralement plus chaud que LMDZ (A2)

• OBS12 (lorsque tendance positive, non-significative) donne des ordres de grandeur comparables à Arpège-Climat (B2 et/ou A2)

• OBS02 (avec IC) donne des résultats proches des scénarios LMDZ

• Arpège-Climat (A2 et B2) est généralement plus chaud que LMDZ (A2)

• OBS12 (lorsque tendance positive, non-significative) donne des ordres de grandeur comparables à Arpège-Climat (B2 et/ou A2)

Charmeil (1960-2002) - Mailles 152 ARP et 50 LMDZ : température centennale

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Expérience

°C

Carcassonne (1960-2002) - Mailles 105 ARP et 71 LMDZ : température centennale

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46

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S02

OB

S12

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CT

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6

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7

DE

8

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2

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7

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Expérience

°C




Généralisation

Observations :

• 48 SQR sur 1960-1999

• 46 SQR sur 1960-2003 (non homogénéisée sur 2003)

Scénarios de changement climatique :

• Arpège-Climat : 215 points de grille sur la France (A2 : DE6, B2 : DC2)

• LMDZ : 25 points de grille sur la France (A2 : exp03)




RésultatsOBS02 (1960-1999)

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OBS02 (1960-2003)

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Résultats (2070-2099)Arpège-Climat (A2) Arpège-Climat (B2)

T100 40°CT100 40°C

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Résultats (~2085) LMDZ (A2)

T100 40°CT100 40°C

Effet d’altitude

Effet d’altitude




Conclusion & Perspectives L’extrapolation des tendances actuelles (significatives : (t)

stationnaire et I(t) quadratique) permet d’atteindre des niveaux de températures centennales comparables à la fourchette basse des températures centennales estimées dans les simulations de changement climatique (réalisées avec ARPEGE-Climat et LMDZ).

La fourchette haute n’étant pas facile à estimer, il paraîtrait souhaitable de reproduire ce type d’études dans quelques années, afin de vérifier que la forme de la tendance ne se modifie pas fortement (si (t) devenait significativement linéaire par exemple).

Test sur les 45 ans de LMDZ avec T à 2m

DIVISION RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT DEPARTEMENT SYSTEMES DE PRODUCTION ET ENVIRONNEMENT Réunion...

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