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FAQ - Climat

Comment définit-on une sécheresse ? Quelle a été l’intensité des sécheresses au 20e siècle ? Quelle est leur prévision au 21e siècle ?

     Katia Laval - juin 2017

Les sécheresses peuvent avoir de très graves conséquences sur de nombreux secteurs de l'économie. Les scientifiques cherchent à mettre en évidence les évolutions de leur intensité et de leur fréquence détectées dans le passé et à en prévoir le devenir. Pour atteindre ces objectifs, ils définissent des indices, rassemblent des données du climat du passé et en particulier les précipitations, et étudient le climat futur grâce aux modèles. Ces travaux ont mis en évidence la complexité de ces estimations, et le besoin de recherches supplémentaires pour obtenir des prévisions plus fiables.

1- Définir une sécheresse

On peut définir une sécheresse de manière simple comme une situation d'absence prolongée ou d'insuffisance marquée de précipitations, entrainant un manque d'eau pour certaines activités ou pour certains groupes.

Plus précisément, en suivant le quatrième rapport du GIEC, on distingue :

Ces sécheresses peuvent résulter de :

2- Quelles seront, d'après les rapports du GIEC, les conséquences de l'accumulation des gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère sur l'aridité des surfaces dans le futur ?

Le changement climatique créé par l'augmentation des GES dans l'atmosphère affecte la distribution des précipitations. Certaines régions verront leur aridité augmenter alors que d'autres seront, au contraire, plus humides. On peut donc prévoir une modification des zones et de la fréquence des sécheresses.

Mais peut-on affirmer qu'il y aura une tendance globale vers plus d'aridité ?

Les politiques, les ONG et les médias évoquent souvent le fait que l'augmentation anthropique des gaz à effet de serre a pour conséquence un accroissement du nombre des sécheresses qui pourraient être plus intenses : ces propos, à juste titre, provoquent une vive inquiétude dans nos sociétés.

Le rapport AR4 du GIEC en 2007, allait d'ailleurs dans ce sens puisque l'on pouvait y lire :

...."More intense and longer droughts have been observed over wider areas since the 1970s, particularly in the tropics and subtropics"
Cette référence a souvent été reprise lors de débats d'experts pour évaluer les risques de sécheresse sur les populations.

De nombreux épisodes de sécheresses survenues en Chine l'année 1997, entre 1999 et 2000 aux États Unis, et de 2002 à 2008 en Australie semblaient montrer que cet accroissement de l'aridité était déjà en cours sur tout le globe.

Cependant, quelques années plus tard, en 2013, le nouveau rapport (l'AR5) du même groupe, le GIEC, aboutit à une conclusion différente puisqu'il indique :"A possible overestimation of the increase in regional and global drought".

Pourquoi cette contradiction entre les 2 rapports, élaborés par la même communauté scientifique ? Doit-on accorder plus d'importance à la conclusion récente, qui devrait normalement s'appuyer sur des progrès obtenus par les scientifiques entre ces deux dates ? Quelles erreurs ou biais antérieurs du rapport 2007 avaient entrainé la révision de ces conclusions ? C'est cela que nous allons examiner.

3- Les Indices

Depuis de nombreuses années, plusieurs indices ont été proposés pour évaluer l'aridité d'une région. Ces indices dépendent de la source (la précipitation P) et des pertes d'eau. Ces dernières se composent de la transpiration des plantes, de l'évaporation de l'eau de pluie interceptée sur les feuillages et de celle du sol. La somme de ces trois termes est appelée par les spécialistes "l'évapotranspiration".

Pour évaluer les dommages subis par les agriculteurs, on utilise fréquemment le PDSI (Palmer Drought Severity Index). Cet indice dépend du rapport entre la précipitation P et l'évapotranspiration "potentielle" (EP). Celle-ci est, en quelque sorte, la valeur maximale de l'évapotranspiration qui se produirait si la surface restait bien mouillée tout au long de l'année. C'est donc celle qui a lieu quand il y a suffisamment d'eau en surface pour répondre à la demande de vapeur d'eau par l'atmosphère.

Si une surface est très humide comme un gazon mouillé, l'évaluation de l'évapotranspiration par une expression mathématique (sur laquelle nous allons revenir) ne comporte pas de difficulté majeure. Sa détermination est assez précise. Quand la surface s'assèche, l'évapotranspiration diminue car la plante impose une certaine résistance au transport de l'eau du sol vers les pores des feuilles. Ceux-ci, appelés stomates, se ferment, ralentissant l'échange vers l'atmosphère. Cette diminution est délicate à calculer, car elle dépend de nombreux facteurs comme les caractéristiques des plantes, celles du sol ou encore la concentration en CO2 de l’atmosphère.

Le rapport P/EP permet de classer les situations, en fonction de leur aridité :

Hyper aride si P/EP<0.05

Aride si 0.05< P/EP<0.20

Semi aride si 0.20< P/EP<0.50

Sous humide si 0.50<P/EP/0.65

Les indices PDSI s'échelonnent entre -10 et +10. Pour des valeurs inférieures à -3, la région est très aride alors qu'elle est très humide si la valeur de l'indice dépasse 3.
Il faut noter que l'on donne ainsi à l'indice d'aridité une signification générale, mais que suivant la nature de la surface, le couvert végétal, les cultures, les dommages liés à la sécheresse peuvent être plus ou moins importants.

4- L'Évaporation Potentielle

L'évaporation potentielle EP est calculée de façon plus ou moins simple (ou simpliste) suivant l'usage et la précision que l'on veut atteindre. Souvent, dans le passé, l'indice PDSI a été déterminé en calculant cette EP comme une fonction croissante de la seule température (T), dont un exemple est la formule dite de Thornthwaite , souvent utilisée.

Cette formule reliant directement l'EP à la température, le réchauffement du 20e siècle entraine une augmentation de l'EP, et partant, une diminution de cet indice.

Il faut souligner qu'il suffit d'avoir des enregistrements de températures et de précipitations, pour aboutir à une évaluation de l'aridité. Cette simplicité explique la popularité de cette méthode.

Cependant cette relation ne peut être utilisée de manière générale, et on a montré, depuis de nombreuses années, que cette évaluation peut conduire à des résultats biaisés.

5- Les observations de l'aridité depuis l'ère industrielle

La figure 1 (Dai, et al (2004)) montre l'évolution de l'indice PDSI sur la surface du globe de 1870 à 2002, calculée avec la formule de Thornthwaite. Elle indique une tendance à l'aridité particulièrement marquée pendant la deuxième moitié du 20e siècle.
Ce résultat a deux causes :

qui induit un accroissement de EP.
Le réchauffement constaté au cours du 20e siècle a donc renforcé l'aridité. La figure 1c montre que cette évolution est bien moins intense et moins étendue si l'on ne tient pas compte de la variation de température observée.
La conclusion de cet article était : The global very dry areas have more than doubled since the 1970, with a large jump in the early 1980s due to an ENSO induced precipitation decrease and a subsequent expansion primarily due to surface warming".

Ce résultat préoccupant, a, bien évidemment attiré l'attention des chercheurs et des médias. Il a été pris comme un facteur essentiel pour calculer les impacts de ce changement climatique sur la ressource en eau. Sachant que l'accroissement de la démographie conduit inévitablement à de plus grands besoins de cette ressource essentielle pour l'énergie, l'industrie, l'agriculture, les besoins domestiques, cette conclusion a suscité une certaine angoisse, tout à fait compréhensible.

PDSI

Figure 1: Distribution des variations de PDSI (exprimées en variation par 50 ans) calculées à partir des évolutions des précipitations et des températures pendant (en haut) 1900-49; au milieu (b) 1950-2002; en bas (c) le calcul est fait sans tenir compte de la variation de température. Les valeurs négatives (en rouge) indiquent un assèchement et les valeurs positives (en bleu) une humidification). Dai et al, 2004.

Cependant les spécialistes des échanges entre la surface terrestre et l'atmosphère ont souligné les faiblesses de la formule de Thornthwaite. Le calcul de l'EP doit être plus rigoureux quand on compare des climats subissant des conditions météorologiques ou de rayonnement contrastés. L'évapotranspiration dépend non seulement de la température, mais aussi du rayonnement, de l'humidité de l'air et du vent, ces 3 autres facteurs jouant un rôle direct et bien connu sur l'évaporation (l'expérience familière du linge qui sèche sur une corde nous le rappelle). Une formule bien plus précise est la formule de Penman-Monteith qui tient compte de ces autres facteurs. Mais pour utiliser une telle relation sur toutes les surfaces terrestres, il faut avoir des enregistrements de toutes ces quantités. La détermination de ces autres paramètres climatiques pour la deuxième moitié du 20e siècle a permis de progresser.

Sheffield et al, en 2012, s'appuient sur la formule de Penman-Monteith pour évaluer les changements d'aridité sur la planète. Bien que cette analyse soit en accord avec la précédente sur certaines régions (figure 2c), elle montre que la formulation de Thornthwaite, (Figure 2a) surestime cette tendance à l'aridité.

Pdsi

Figure 2: Variations en moyenne annuelle de PDSI sur la période 1950-2008 (variation par an), calculées en utilisant (a) la formule de Thornthwaite et (c) la formule de Penman-Monteith (Sheffield, 2012).

Pdsi3

Figure 3: Série temporelle de l'indice PDSI global, calculé avec la formulation Thornthwaite (en bleu) et Penman Monteith (PM en rouge). La zone colorée représente l'écart obtenu en tenant compte de l'incertitude sur les précipitations (et le rayonnement pour PM) (Sheffield, 2012)

Pour évaluer l'évolution de l'aridité globale, les auteurs prennent en compte tour à tour quatre banques de données de précipitations disponibles mais différentes. Cela leur permet d'évaluer un intervalle de confiance sur l'indice global. L'accroissement global de l'aridité n'est pas significatif quand on tient compte de ces incertitudes, comme le montre la figure 3.

On ne peut que déplorer l'abandon d'un grand nombre de stations du réseau de mesures d'hydrographie continentale, notamment dans plusieurs pays de la zone ACP (Afrique, Caraïbes, et Pacifique).
C'est hélas, au moment où il est crucial de quantifier l'impact du changement climatique en cours sur le cycle de l'eau, que les moyens d'observer cette évolution sont moins bien entretenus.

Cette analyse démontre la difficulté d'aboutir à une conclusion tout à fait établie, sur l'accroissement de l'aridité globale déjà observé au cours du 20e siècle. On comprend dès lors la prudence du rapport AR5 du GIEC qui souligne "une possible surestimation de la tendance à l'aridité" estimée par le passé.

6- Les sécheresses futures vues par les Modèles

Peut-on affirmer que le réchauffement climatique dû à l'accroissement du dioxyde de carbone dans l'atmosphère augmente globalement le risque de sécheresses ?

Les modèles climatiques représentent les circulations générales de l'atmosphère et de l'océan (les MCG) et prévoient donc les évolutions du climat. Ces modèles calculent, à la surface des terres émergées, la distribution de rayonnement, de température, de vent, d'humidité de l'air au cours du 21e siècle, en choisissant un scénario d'augmentation de la concentration des GES dans l'atmosphère.

À partir des valeurs de ces paramètres du climat futur, des chercheurs ont calculé l'évolution de l'aridité sur la planète. Pour cela, très souvent, on utilise des modèles d'impact. Ceux-ci ont généralement une meilleure résolution que le modèle MCG, ou une représentation plus détaillée de certaines caractéristiques (la végétation mieux définie par exemple), ou de certains mécanismes (comme le transport de l'eau dans les couches plus ou mois profondes du sol). Ces modèles d'impact prennent donc les caractéristiques des climats futurs obtenus par les MCG pour calculer de manière plus précise l'aridité.

De telles études, même récentes, ont souvent conclu que l'aridité augmentera globalement sur les régions semi-arides au 21e siècle.

Pour comprendre l'origine de ces résultats, nous allons examiner les évolutions futures des paramètres hydro climatiques calculés par les MCG.

D'abord, les MCG indiquent une augmentation globale des précipitations induite par l'augmentation des GES dans l'atmosphère. Cette conclusion est considérée comme un résultat robuste des Modèles. Il est alors surprenant que le climat devienne plus aride globalement.

D'autre part, les modèles calculent aussi un accroissement de l'évaporation globale, et l'ensemble de ces deux résultats est souvent résumé par "le cycle hydrologique sera plus intense". Si l'aridité se répand au cours du 21e siècle, le changement de l'évapotranspiration calculé par ces modèles (MCG) est donc plus grand que celui des précipitations.

L'estimation de l'évaporation globale sur les terres émergées a longtemps été délicate. En effet, il est difficile, à partir de mesures locales, d'en déduire une valeur de l'évaporation sur de grandes étendues. Cependant il a été possible, ces dernières années, de combiner au mieux plusieurs méthodes pour obtenir une évaluation de cette quantité. Des mesures satellitaires, des réanalyses des Centres de Prévisions Météorologiques, des évaluations sur des bassins versants (à partir des précipitations et des écoulements en utilisant un bilan d'eau), des modélisations ont permis de constituer des banques de données entre 1989 et 1995, qui ont été comparées aux calculs des MCG.

En moyenne annuelle, l'évapotranspiration calculée par les MCG est supérieure à ces données. Ce biais est général quand les surfaces sont humides, donc pendant la saison pluvieuse. Au fur et à mesure que les pluies faiblissent, au cours des mois suivants, les réserves en eau diminuent rapidement, et une situation d'assèchement trop précoce et prononcé des sols peut subvenir dans les modèles. Les réserves en eau devenant trop faibles, l'évapotranspiration chute alors brutalement, et bien plus que dans la réalité.

Ces remarques soulignent l'importance de la saison dans les écarts entre modélisation et données. On a montré que la surestimation de l'évapotranspiration globale en moyenne annuelle est une caractéristique de tous les modèles ayant participé au 5ième rapport du GIEC. Cependant, le contraire peut se produire en saison sèche sur certaines régions, (comme en été sur les moyennes latitudes, ou bien sur les régions semi-arides quand il ne pleut pas), où l'évaporation est alors sous-estimée.

Or la température d'une surface dépend des échanges d'énergie entre la surface et l'atmosphère. Le rayonnement solaire est la source d'énergie ; il est équilibré par trois puits qui tendent à refroidir la surface.
Ces termes sont : le rayonnement thermique, l'évaporation et le flux de chaleur.
Or, la température dépend de l'importance de chacun de ces termes.
Quand la surface est humide, l'évaporation est généralement le terme prépondérant.
Quand la surface est sèche, ce sont les flux de chaleur et le flux radiatif qui compensent le rayonnement solaire.
La dépendance en température de ces trois termes est très différente. La température croit quand l'évaporation diminue (pour les mêmes conditions météorologiques). C'est pourquoi on peut trouver en été une variation de température de 20° entre deux champs, dont l'un a été irrigué alors que l'autre parcelle est sèche.

On associe souvent un climat sec avec une température chaude, mais c'est souvent le fait d'avoir une surface sèche qui provoque un réchauffement, et non l'inverse.

Les modèles évoqués plus haut vont donc obtenir, en saison sèche, une température trop chaude. Ce biais amplifiera de manière irréaliste le réchauffement climatique créé par les émissions de GES, en été, dans les moyennes latitudes.

Les modèles d'impact utilisés pour calculer l'aridité globale peuvent eux aussi avoir d'autres faiblesses. Ainsi, il est fréquent qu'ils ne tiennent pas compte de l'impact biologique direct de l'augmentation du CO2 dans l'atmosphère sur la végétation, ce qui conduit à une surestimation de la transpiration. En effet, l'accroissement de la concentration du CO2 atmosphérique déjà observé est en partie la cause d'un reverdissement des régions arides lié à une meilleure efficience de l'utilisation de l'eau par la végétation. Cet effet réduit la transpiration.

Tous ces biais ont conduit les chercheurs à être prudents sur l'augmentation de l'aridité globale, créée par le changement climatique.

7- Conclusion

Le changement climatique provoque des modifications de la température et des circulations océaniques et atmosphériques. On peut s'attendre à ce que des régions deviennent plus arides et d'autres moins. Mais on ne peut, au vu des connaissances actuelles, affirmer que, globalement, les zones arides et semi-arides vont s'étendre sur de plus grands territoires.

Une étude récente fait une évaluation des observations et des prévisions des modèles initiées par le dernier GIEC (CMIP 5) avec un titre évocateur: "elusive drought".

Il y a cependant quelques régions particulières où un grand nombre d'études concluent à un risque d'aridité accru avec le changement climatique. Le pourtour méditerranéen en est un exemple. Les diverses analyses de ce climat semblent avoir suffisamment de cohérence pour que cette conclusion soit considérée comme fortement probable.

En revanche, on a prétendu, que le Sahel deviendrait plus aride à cause du changement climatique. Or, les modèles contredisent cette prétendue "évidence". De plus, bien que le Sahel ait connu des sécheresses épouvantables durant les décennies 1970 et 1980, le Sahel reverdit depuis les années 1990, et les précipitations ont augmenté, du moins sur certaines régions.

En conclusion, la connaissance du futur des sécheresses au niveau global reste donc un sujet d'études qui a progressé mais qui est encore difficile à cerner. Il est nécessaire de mieux analyser l'évolution saisonnière des bilans d'eau, car les faiblesses et biais peuvent être différents suivant la saison.

N'est-il pas plus important que les chercheurs aient pour objectif de déterminer plus précisément les sécheresses régionales, que de rechercher une moyenne globale qui peut cacher une grandes diversité de situations ?

Bibliographie

Dai A., K. Trenberth and T. Qian (2004): A global data set of Palmer Drought severity Index for 1870-2002: Relationship with soil moisture and effects of surface warming, , J. of Hydrometeorology.

Sheffield J., A. Wood and M. Roderick (2012): Little change in global drought over the past 60 years. Nature.

Mueller, B. et al, (2013): Benchmark products for land evapotranspiration. Hydrol. Earth Syst. Sci.

Laval K. et G. Laval (2013), Incertitudes sur le climat Belin.

Cheruy F et al, (2014), Role of clouds and land atmosphere coupling in midlatitude continental warm biases and climate change amplification in CMIP5 simulations. Geophys. Res. Letters.

Milly P. C. and K. Dunne (2016), Potential evaporation and continental drying, Nature climate change.

Orlowsky B. and S. I. Seneviratne (2013), Elusive drought: Uncertainty in observed trends and short- and long-term CMIP5 projections. Hydrol. Earth Syst. Sci.

Quelques définitions

Giec : Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. En anglais IPCC pour Intergovernmental Panel on Climate Change.
AR4 Fourth Assessment Report (2007) , AR5 Fifth Assessment Report (2014) - Rapports d'évaluation.

Voir la FAQ : Comment fonctionne le Giec ?

CMIP 5 est le projet d'intercomparaison des modèles couplés (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) organisé lors de la phase 5 du GIEC. Ce projet consiste à définir un cadre pour les expériences numériques réalisées avec les modèles de climat, afin de comprendre les causes des différences entre modèles, de déterminer la capacité des modèles à anticiper le climat sur des échelles décennales et jusqu'au 22e siècle, et de mieux cerner les rétroactions dues aux nuages et au cycle du carbone.