Peut-on estimer l'effet du changement climatique sur l'écoulement à l'exutoire d'un bassin sans modèle pluie-débit ? Un test de la méthode de transfert climat-écoulement par régression dans le bassin transnational de la Meuse - Université de Lorraine Access content directly
Journal Articles Climatologie Year : 2017

Can we assess the impact of climate change on flow at the outlet of a catchment through a rainfall-runoff model-free approach? A test of a regression-based climate-streamflow transfer method in the Meuse river basin

Peut-on estimer l'effet du changement climatique sur l'écoulement à l'exutoire d'un bassin sans modèle pluie-débit ? Un test de la méthode de transfert climat-écoulement par régression dans le bassin transnational de la Meuse

Abstract

Study of the future impact of climate change on streamflow at the outlet of a catchment is usually based on a rainfall-runoff model. This paper explores pros and cons of an alternate strategy using a regression-based transfer function between climate and streamflow for assessing the impact of climatic change on flow at the outlet of a catchment. The climate-flow relationship is modeled through a PLS (Partial Least Squares) regression – RLM (Multiple Linear Regression) regression sequence. The RLM regression models are calibrated between low, medium and high streamflow indices and the best climate indices, which were preliminary identified through PLS regression according to quantitative criteria as well as an expert judgment of current hydro-climatic conditions. The regression-based climate-streamflow transfer function is then applied to climate model outputs to produce hydrological projections for the 2021-2050 and the 2071-2100 periods. Results obtained for two pilot rivers of the Meuse basin show that i) this method is efficient for some flow indices only; ii) a minimal knowledge about the climate variability (through atmospheric pressure and pressure gradient force at the ground and at the level of 500 hPa) is sufficient to depict in an acceptable way the climatic forcing on these indices; iii) an expert judgment is essential in identifying hydrologically relevant climatic predictors; iv) the strength of the climate-streamflow relationship is catchment-dependent; v) streamflow changes predicted by the climate-flow method for the next decades under CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) climate scenarios are in agreement with those of rainfall-runoff modelling. However, at the stage of our investigations, three main limits of the regression-based climate-streamflow transfer function were identified: 1) it needs long hydro-climatic time series; 2) it tends to under-estimate interannual streamflow variability; 3) there is no guarantee of its ability to extrapolate to climatic impact on streamflow indices in climatic conditions that are far from those observed in historical records.
L’étude de l’impact futur du changement climatique sur l’écoulement à l’exutoire d’un bassin repose généralement sur l’utilisation d’un modèle pluie-débit. Cet article explore les potentiels et les limites d’une stratégie alternative, fondée sur une méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple. Cette méthode s’appuie sur un séquençage d’une régression des moindres carrés partiels (PLS) et d’une régression linéaire multiple (RLM) destinée à estimer des indices d’écoulement via les meilleurs prédicteurs climatiques identifiés par régression PLS. Les modèles de régression RLM paramétrés sur des critères quantitatifs, et par jugement expert des conditions hydro-climatiques actuelles, sont ensuite forcés par des sorties de modèles de climat pour produire des projections hydrologiques à différents horizons. L’application de la méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple à deux cours d’eau du bassin de la Meuse décrits à partir d’indices d’écoulement de basses, de moyennes et de hautes eaux, montre que : i) cette méthode fonctionne convenablement pour certains indices d’écoulement seulement ; ii) une connaissance minimale de la variabilité climatique à l’échelle régionale (apportée dans notre cas, par la pression atmosphérique et le gradient régional de pression en surface et à 500 hPa) suffit à décrire de façon acceptable le forçage climatique sur ces indices ; iii) le jugement expert est indispensable pour identifier les prédicteurs climatiques hydrologiquement pertinents ; iv) la force du lien entre climat et écoulement est propre à chaque bassin versant ; v) les changements d’écoulement prédits par la méthode de transfert climat-écoulement sous scénarios climatiques CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) pour les prochaines décennies sont en accord avec ceux prédits par la modélisation pluie-débit. Au stade de nos investigations, trois limites majeures de la méthode de transfert climat-écoulement par régression multiple ont été identifiées : 1) elle exige de longues chroniques hydro-climatiques ; 2) elle a tendance à sous-estimer la variabilité interannuelle de l’écoulement à l’exutoire des bassins testés ; 3) elle n’est pas en capacité de garantir avec certitude l’évolution des indices d'écoulement dans des conditions climatiques très différentes de celles de la période d’observation.
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hal-01695680 , version 1 (30-01-2018)

Identifiers

Cite

B. Grelier, Gilles Drogue, Michel Pirotton, Pierre Archambeau, Emilie Gernez. Peut-on estimer l'effet du changement climatique sur l'écoulement à l'exutoire d'un bassin sans modèle pluie-débit ? Un test de la méthode de transfert climat-écoulement par régression dans le bassin transnational de la Meuse. Climatologie, 2017, 14, pp.48-81. ⟨10.4267/climatologie.1232⟩. ⟨hal-01695680⟩
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