Water restrictions under climate change: a Rhône–Mediterranean perspective combining bottom-up and top-down approaches

Drought management plans (DMPs) require an overview of future climate conditions for ensuring long-term relevance of existing decision-making processes. To that end, impact studies are expected to best reproduce decision-making needs linked with catchment intrinsic sensitivity to climate change. The objective of this study is to apply a risk-based approach through sensitivity, exposure and performance assessments to identify where and when, due to climate change, access to surface water constrained by legally binding water restrictions (WRs) may question agricultural activities. After inspection of legally binding WRs from the DMPs in the Rhône–Mediterranean (RM) district, a framework to derive WR durations was developed based on harmonized low-flow indicators. Whilst the framework could not perfectly reproduce all WR ordered by state services, as deviations from sociopolitical factors could not be included, it enabled the identification of most WRs under the current baseline and the quantification of the sensitivity of WR duration to a wide range of perturbed climates for 106 catchments. Four classes of responses were found across the RM district. The information provided by the national system of compensation to farmers during the 2011 drought was used to define a critical threshold of acceptable WR that is related to the current activities over the RM district. The study finally concluded that catchments in mountainous areas, highly sensitive to temperature changes, are also the most predisposed to future restrictions under projected climate changes considering current DMPs, whilst catchments around the Mediterranean Sea were found to be mainly sensitive to precipitation changes and irrigation use was less vulnerable to projected climatic changes. The tools developed enable a rapid assessment of the effectiveness of current DMPs under climate change and can be used to prioritize review of the plans for those most vulnerable basins

Vers une réanalyse hydrométéorologique à l'échelle de la France sur les 150 dernières années par assimilation de données dans des reconstructions ensemblistes

Climate and hydrology have a strong impact on our society, and adaptating to climate change requires a better knowledge of the historical evolution of hydrometeorological variables. In France, the low density of meteorological and hydrometric observations before the 1970s made it difficult to have a clear vision of their long-term evolution. To fill this gap, various modeling chains have recently been developed to create hydrometeorological reconstructions that are independent of the available historical observations. This thesis work combines these two sources of information - observations and reconstructions - and their respective uncertainties through data assimilation methods, in order to better understand the evolution of climate and hydrology in France from the late nineteenth century onwards.This work is based on the SCOPE Climate high-resolution reconstructions, obtained from the 20CR global reanalysis through an analogue downscaling method and covering the period 1871-2012. These reconstructions are used as a background for assimilating historical precipitation and temperature observations using an ensemble Kalman filter approach. The assimilation method applied is an offline ensemble Kalman filter, that allows taking advantages of the different sources of information without necessarily resorting to a numerical model, and leading to a low computational cost. The assimilation is carried out at both daily and annual time steps to capture the day-to-day variations and extremes as well as the multidecadal climate variability. Applying the method over the period 1871-2012 led to FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), a daily meteorological reanalysis composed of 25 members on an 8 km grid covering the whole of France.FYRE Climate is then used as forcings to a conceptual hydrological model to reconstruct streamflow time series from 1871 onwards over 661 near-natural catchments. In particular, these reconstructions take into account the uncertainties on the input and hydrometric observations during the model calibration, but also the model uncertainty through a post-processing approach. The few hydrometric observations available over the 20th century also made it possible to constrain these hydrological reconstructions using an offline deterministic Kalman filter. This approach led to the FYRE Hydro daily streamflow reanalysis, also composed of 25-member ensemble time series for each of the 661 catchments.Applying an ensemble Kalman filter at a local scale, with a daily time step and on non-Gaussian variables - such as precipitation and discharge - is particularly innovative in the context of a long-term hydroclimatic reanalysis. It required implementing an anamorphosis transformation and an anisotropic localization approach. It also required to carefully define the errors on observations, on the climate background, and on the hydrological background, but also on the hydrological modeling itself. Beyond the reduction of uncertainty induced by the integration of additional information, the multidecadal variability is well reproduced in both FYRE Climate and FYRE Hydro. These two reanalyses also allow analyzing local extreme events over the whole 20th century, thanks to the integration of in-situ meteorological and hydrometric information. Several high-quality data sets - the FYRE Climate and FYRE Hydro reanalyses, but also hydrological reconstructions with additional variables like the snow water equivalent - are made available for studying the climatic and hydrological evolution over the 1871-2012 period.Le climat et l'hydrologie sont deux éléments qui impactent fortement nos sociétés, et l’adaptation au changement climatique en cours passe par une meilleure connaissance de l’évolution passée de l’hydrométéorologie à haute résolution. En France, la faible densité d'observations météorologiques et hydrométriques avant les années 1970 ne permet pas d'avoir une vision de leurs évolutions sur le long-terme. Pour pallier cette lacune, différentes chaînes de modélisation ont récemment permis de créer des reconstructions hydrométéorologiques indépendantes des observations historiques disponibles sur la France. La thèse proposée vise à combiner ces deux sources d’information – observations et reconstructions – et leurs incertitudes respectives grâce à des méthodes d’assimilation de données, et cela afin de mieux appréhender l’évolution du climat et de l’hydrologie sur la totalité du XXe siècle en France.Cette thèse s’appuie sur les reconstructions climatiques ensemblistes SCOPE Climate, produits d’une descente d’échelle par analogie de la réanalyse globale 20CR, et couvrant la période 1871-2012. Ces reconstructions sont utilisées comme ébauche pour assimiler des observations de précipitations et de température, qui sont discontinues en temps et en espace sur la période. La méthode d’assimilation utilisée est un filtre de Kalman d’ensemble offline, permettant de tirer parti des différentes sources d’information sans avoir recours à un modèle numérique, ce qui limite le coût d’application. L’assimilation est réalisée aux pas de temps journalier et annuel pour capturer à la fois la variabilité d’un jour sur l’autre – et notamment les extrêmes – et les variations multi-décennales. L’application de la méthode sur la période 1871-2012 a permis d’obtenir FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), une réanalyse météorologique journalière composée de 25 membres sur une grille de 8 km couvrant l’ensemble de la France.Cette nouvelle réanalyse climatique est ensuite utilisée en entrée d’un modèle hydrologique conceptuel pour reconstruire des chroniques hydrologiques ensemblistes depuis 1871 sur 661 bassins versants faiblement anthropisés. Ces reconstructions prennent notament en compte les incertitudes sur les forçages climatiques et les débits observées lors de la calibration du modèle mais également l’incertitude modèle, à l’aide d’une méthode de post-traitement. Les quelques observations de débit disponibles sur le XXe siècle ont également été assimilées dans ces reconstructions, à l'aide d'un filtre de Kalman d’ensemble déterministe offline. Cette démarche a permis de créer la réanalyse hydrologique journalière FYRE Hydro, composée également de 25 membres et disponible sur ces 661 bassins versants.L’application de filtres de Kalman d’ensemble à l’échelle locale, au pas de temps journalier et sur des variables non-gaussiennes – telles que les précipitations et les débits – est particulièrement innovante dans le cadre d’une réanalyse hydroclimatique long-terme. Elle a nécessité de mettre en place des méthodes d’anamorphose, de localisation anisotrope, et de définir de façon pertinente les erreurs sur les observations, sur les ébauches climatiques et hydrologiques, mais aussi celles liées à la modélisation hydrologique. Au-delà de la réduction d'incertitude induite par l'intégration d'informations supplémentaires, les cycles multi-décennaux sont bien reproduits dans les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro. Ces deux réanalyses permettent également d'analyser des événements extrêmes locaux sur l’ensemble du XXe siècle, car elles intègrent de l'information à l'échelle locale à travers les observations météorologiques et hydrométriques. Ainsi, cette thèse a permis de créer plusieurs jeux de données ensemblistes – les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro, mais aussi des reconstructions hydrologiques de variables additionnelles comme le contenu en eau de la neige – qui sont adaptées à l'étude des variations du climat et d

Towards a 150-year hydrometeorological reanalysis over France through data assimilation in ensemble reconstructions

Le climat et l'hydrologie sont deux éléments qui impactent fortement nos sociétés, et l’adaptation au changement climatique en cours passe par une meilleure connaissance de l’évolution passée de l’hydrométéorologie à haute résolution. En France, la faible densité d'observations météorologiques et hydrométriques avant les années 1970 ne permet pas d'avoir une vision de leurs évolutions sur le long-terme. Pour pallier cette lacune, différentes chaînes de modélisation ont récemment permis de créer des reconstructions hydrométéorologiques indépendantes des observations historiques disponibles sur la France. La thèse proposée vise à combiner ces deux sources d’information – observations et reconstructions – et leurs incertitudes respectives grâce à des méthodes d’assimilation de données, et cela afin de mieux appréhender l’évolution du climat et de l’hydrologie sur la totalité du XXe siècle en France.Cette thèse s’appuie sur les reconstructions climatiques ensemblistes SCOPE Climate, produits d’une descente d’échelle par analogie de la réanalyse globale 20CR, et couvrant la période 1871-2012. Ces reconstructions sont utilisées comme ébauche pour assimiler des observations de précipitations et de température, qui sont discontinues en temps et en espace sur la période. La méthode d’assimilation utilisée est un filtre de Kalman d’ensemble offline, permettant de tirer parti des différentes sources d’information sans avoir recours à un modèle numérique, ce qui limite le coût d’application. L’assimilation est réalisée aux pas de temps journalier et annuel pour capturer à la fois la variabilité d’un jour sur l’autre – et notamment les extrêmes – et les variations multi-décennales. L’application de la méthode sur la période 1871-2012 a permis d’obtenir FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), une réanalyse météorologique journalière composée de 25 membres sur une grille de 8 km couvrant l’ensemble de la France.Cette nouvelle réanalyse climatique est ensuite utilisée en entrée d’un modèle hydrologique conceptuel pour reconstruire des chroniques hydrologiques ensemblistes depuis 1871 sur 661 bassins versants faiblement anthropisés. Ces reconstructions prennent notament en compte les incertitudes sur les forçages climatiques et les débits observées lors de la calibration du modèle mais également l’incertitude modèle, à l’aide d’une méthode de post-traitement. Les quelques observations de débit disponibles sur le XXe siècle ont également été assimilées dans ces reconstructions, à l'aide d'un filtre de Kalman d’ensemble déterministe offline. Cette démarche a permis de créer la réanalyse hydrologique journalière FYRE Hydro, composée également de 25 membres et disponible sur ces 661 bassins versants.L’application de filtres de Kalman d’ensemble à l’échelle locale, au pas de temps journalier et sur des variables non-gaussiennes – telles que les précipitations et les débits – est particulièrement innovante dans le cadre d’une réanalyse hydroclimatique long-terme. Elle a nécessité de mettre en place des méthodes d’anamorphose, de localisation anisotrope, et de définir de façon pertinente les erreurs sur les observations, sur les ébauches climatiques et hydrologiques, mais aussi celles liées à la modélisation hydrologique. Au-delà de la réduction d'incertitude induite par l'intégration d'informations supplémentaires, les cycles multi-décennaux sont bien reproduits dans les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro. Ces deux réanalyses permettent également d'analyser des événements extrêmes locaux sur l’ensemble du XXe siècle, car elles intègrent de l'information à l'échelle locale à travers les observations météorologiques et hydrométriques. Ainsi, cette thèse a permis de créer plusieurs jeux de données ensemblistes – les réanalyses FYRE Climate et FYRE Hydro, mais aussi des reconstructions hydrologiques de variables additionnelles comme le contenu en eau de la neige – qui sont adaptées à l'étude des variations du climat et deClimate and hydrology have a strong impact on our society, and adaptating to climate change requires a better knowledge of the historical evolution of hydrometeorological variables. In France, the low density of meteorological and hydrometric observations before the 1970s made it difficult to have a clear vision of their long-term evolution. To fill this gap, various modeling chains have recently been developed to create hydrometeorological reconstructions that are independent of the available historical observations. This thesis work combines these two sources of information - observations and reconstructions - and their respective uncertainties through data assimilation methods, in order to better understand the evolution of climate and hydrology in France from the late nineteenth century onwards.This work is based on the SCOPE Climate high-resolution reconstructions, obtained from the 20CR global reanalysis through an analogue downscaling method and covering the period 1871-2012. These reconstructions are used as a background for assimilating historical precipitation and temperature observations using an ensemble Kalman filter approach. The assimilation method applied is an offline ensemble Kalman filter, that allows taking advantages of the different sources of information without necessarily resorting to a numerical model, and leading to a low computational cost. The assimilation is carried out at both daily and annual time steps to capture the day-to-day variations and extremes as well as the multidecadal climate variability. Applying the method over the period 1871-2012 led to FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis Climate), a daily meteorological reanalysis composed of 25 members on an 8 km grid covering the whole of France.FYRE Climate is then used as forcings to a conceptual hydrological model to reconstruct streamflow time series from 1871 onwards over 661 near-natural catchments. In particular, these reconstructions take into account the uncertainties on the input and hydrometric observations during the model calibration, but also the model uncertainty through a post-processing approach. The few hydrometric observations available over the 20th century also made it possible to constrain these hydrological reconstructions using an offline deterministic Kalman filter. This approach led to the FYRE Hydro daily streamflow reanalysis, also composed of 25-member ensemble time series for each of the 661 catchments.Applying an ensemble Kalman filter at a local scale, with a daily time step and on non-Gaussian variables - such as precipitation and discharge - is particularly innovative in the context of a long-term hydroclimatic reanalysis. It required implementing an anamorphosis transformation and an anisotropic localization approach. It also required to carefully define the errors on observations, on the climate background, and on the hydrological background, but also on the hydrological modeling itself. Beyond the reduction of uncertainty induced by the integration of additional information, the multidecadal variability is well reproduced in both FYRE Climate and FYRE Hydro. These two reanalyses also allow analyzing local extreme events over the whole 20th century, thanks to the integration of in-situ meteorological and hydrometric information. Several high-quality data sets - the FYRE Climate and FYRE Hydro reanalyses, but also hydrological reconstructions with additional variables like the snow water equivalent - are made available for studying the climatic and hydrological evolution over the 1871-2012 period

Application d'une approche croisée « bottom-up » et « top-down » pour caractériser la sensibilité des étiages et la vulnérabilité de l'irrigation vis-à-vis de l'accès à l'eau sous changement climatique sur le bassin Rhône-Méditerranée

Cette étude propose de mettre en oeuvre une méthode combinant les approches « top-down » et « bottom-up ». La plus usuelle - l'approche « top-down » - est pilotée par les changements projetés par les outils numériques auxquels le bassin versant est soumis. Une chaine de modélisation fait transiter les forçages externes jusqu'à une quantification de la réponse aux seuls forçages. La plus récente - l'approche « bottom-up » - cherche une explicitation de la sensibilité du bassin versant à des changements. Il s'agit d'identifier ce à quoi le bassin versant dans son fonctionnement est sensible (les « drivers » climatiques) et au-delà les contextes conduisant à une situation jugée « critique » d'accès à la ressource dans le bassin versant pour un ou des usage(s) de l'eau. Cette approche croisée a été appliquée pour caractériser la sensibilité des étiages (en termes de temporalité, dynamique, magnitude et durée) et du dispositif conduisant aux mesures de restriction de prélèvement d'eau, aux changements climatiques. Ces résultats ont permis in fine d'appréhender la vulnérabilité de l'usage agricole aux restrictions d'eau modifiées par des changements du climat. L'étude de vulnérabilité a nécessité de mettre en place un post-traitement des modèles hydrologiques reflétant la prise de décision préfectorale de restriction d'eau. Ce post-traitement à base purement physique a pu montrer que sur la période 2005-2013, 50% des décisions ont été correctement simulés. L'étude a mis en exergue la forte sensibilité des cours d'eau de montagne aux changements, du fait d'une sensibilité à la température de l'air. L'étude de sensibilité des durées de restriction aux changements climatiques a permis de dégager quatre classes avec des changements de durée de restriction conditionnés par la température (montagne) ou les précipitations (pourtour méditerranéen) et des situations intermédiaires en dehors de ces contextes. Cette étude préliminaire est doublement originale par l'objet analysé : les dispositifs arrêtés sécheresse et l'exploitation des déclarations de calamités agricoles pour la définition d'un seuil de tolérance à l'échelle régionale et l'appréciation d'une vulnérabilité à la durée des restrictions de prélèvement pour l'usage agricole. L'application est une illustration de la démarche. Cette démarche n'avait pas jusqu'à présent été mise en oeuvre sur un usage de l'eau. Des améliorations pourraient être envisagées : notamment l'intégration d'autres facteurs pour une meilleure représentation des processus conduisant à la déclaration de restriction d'eau et la poursuite de l'interprétation des calamités agricoles (sous réserve d'accès aux données) pour donner plus de robustesse à la chaine de modélisation et aux conclusions

Using the advanced delta change approach and a distributed model for a rapid assessment of reach-scale streamflow projections in intermittent rivers

International audienceGlobal bias-adjusted daily climate projections have been recently set up as part of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP) phase 3 based on CMIP6 projections (Lange et Büchner., 2021). This dataset is aimed at being used as input to global hydrological models, and their coarse resolution however prevents them to be used for catchment-scale and reach-scale applications.This work proposes to downscale these global climate projections through a pragmatic delta change approach and to derive catchment-scale streamflow time series through a fully-distributed hydrological model. The final objective is to produce future daily streamflow series over a high-resolution hydrographic network of 6 European catchment case studies for the DRYvER project (Datry et al., 2021). The advanced delta change approach (van Pelt et al., 2012) is selected here as it allows to create differential change factor according to distribution quantiles. The method is applied on precipitation, temperature, and potential evapotranspiration serving as input to the distributed JAMS-J2K model (Krause et al., 2006).This setup is first applied to the Ain catchment case study (France) that includes the intermittent Albarine river, considering a control period (1985-2014) and two future periods (2021-2050 and 2071-2100). These experiments are conducted using one run from 5 different global climate models and 2 emission/socio-economic scenarios (SSP1-RCP2.6 and SSP5-RCP8.5) from the CMIP6 experiments. This methodology allows to grasp the range of future changes in daily streamflow over the entire catchment. The comparison between the control period and the two future periods is used to describe possible changes over seasonal discharge and low flow characteristics.This approach is a preliminary step providing first and rapid insights into plausible futures for European intermittent rivers in terms of hydrology, biodiversity, ecosystem functioning and services, and adaptive management. Future steps will refine such futures using an innovative downscaling approach combining global and catchment-scale transient projections way to better grasp the joint influence of climate change and climate variability on reach-scale intermittence.This work has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 869226 Datry et al. (2021) Securing Biodiversity, Functional Integrity, and Ecosystem Services in Drying River Networks (DRYvER). Research Ideas and Outcomes. https://doi.org/10.3897/rio.7.e77750.Krause et al. (2006) Multiscale investigations in a mesoscale catchment: hydrological modelling in the Gera catchment. Advances in Geosciences. doi:10.5194/adgeo-9-53-2006.Lange et Büchner (2021) ISIMIP3b bias-adjusted atmospheric climate input data (v1.1), ISIMIP Repository. doi:10.48364/ISIMIP.842396.1.van Pelt et al., (2012) Future changes in extreme precipitation in the Rhine basin based on global and regional climate model simulations. Hydrology and Earth System Sciences. doi:10.5194/hess-16-4517-2012

Data assimilation of global hydrological model discharge to constrain a distributed hydrological model

International audienceDaily climate projections have been recently created using several global climate models under different scenario emissions for their specific use as inputs for global hydrological models (Lange et Büchner., 2021). Despite the interest of these data, their coarse resolution prevent them to be used for hydrological models at the catchment scale and even more at the reach-scale.This work therefore proposes a novel approach to make use of both global climate and global hydrology information and derive catchement-scale hydrological time series through a distributed hydrological model and a specifically designed data assimilation method. The final objective is to produce future streamflow series over 6 catchment case studies in Europe as part the DRYvER project (Datry et al., 2021). To that end, coarse climate forcings are downscaled through a spatial analogue procedure on precipitation, temperature, and potential evapotranspiration to derive ensemble time series of meteorological forcings. This ensemble then serves as an input to the distributed hydrological JAMS-J2K model (Krause et al., 2006). Finally, the hydrological distributed model JAMS-J2K is constrained by global hydrological time series available at the catchment outlet using a Particle Filter data assimilation procedure (van Leeuwen, 2009).This setup is first applied to DRYvER catchments during the historical period 1995-2015, securing independent observations over the catchments to evaluate the impact of data assimilation. These experiments put forward the improvement of high-resolution hydrological simulations resulting from the assimilation of discharge from a global hydrological model, with respect to a simulation only driven by coarse meterological time series. Furthermore, by construction, the method allows deriving daily high-resolution hydrological time series coherent with global hydrological time series, paving the way for reach-scale hydrological projections under climate change scenarios. Datry et al. (2021) Securing Biodiversity, Functional Integrity, and Ecosystem Services in Drying River Networks (DRYvER). Research Ideas and Outcomes. In press.Krause et al. (2006) Multiscale investigations in a mesoscale catchment: hydrological modelling in the Gera catchment. Advances in Geosciences. doi:10.5194/adgeo-9-53-2006.van Leeuwen (2009) Particle Filtering in Geophysical Systems. Monthly Weather Review. doi:10.1175/2009MWR2835.1.Lange et Büchner (2021) ISIMIP3b bias-adjusted atmospheric climate input data (v1.1). ISIMIP Repository. doi:10.48364/ISIMIP.842396.1

FYRE Climate -- Réanalyse haute-résolution de précipitations et température quotidiennes sur la France (1871-2012)

National audienc

Réanalyse haute résolution des précipitations sur la France en utilisant l'assimilation de données "offline" dans des reconstructions ensemblistes métrologiques provenant d'une descente d'échelle

International audienceThis study considers an "offline" data assimilation method using the Ensemble Kalman Filter to build a precipitation reanalysis over France. The method is here applied for reconstructing the 2009-2012 period, using past observation density of 1871, 1900 and 1950. The methodology allows taking two main features of precipitation into account: (1) an anisotropic localization matrix based on the climatological background information, (2) a Gaussian transformation applied to daily precipitation. Results show a reduced error and a reduced uncertainty compared to background reconstructions, even with few observations, thus demonstrating the added value of data assimilation

Une réanalyse météorologique à haute résolution sur la France par assimilation de données offline dans un ensemble de reconstructions régionalisées de la réanalyse globale 20CR

International audienceThe knowledge of historical French weather has recently been improved through the development of the SCOPE (Spatially COherent Probabilistic Extended) Climate reconstruction, a high-resolution daily ensemble reconstruction of precipitation and temperature covering the period 1871-2012, which is based on a statistical downscaling of the Twentieth Century Reanalysis (Caillouet et al., 2016, 2017). Historical surface observations of precipitation and temperature do exist in France, though rather scarce and sparse in the beginning of the period considered, but this information does not currently feed SCOPE Climate reconstructions. The goal of this study is therefore to assimilate these historical observations into SCOPE Climate reconstructions in order to build a 140-year meteorological reanalysis over France. This study considers an offline data assimilation set-up (ie, without running any model) that have successfully been used in recent paleoclimate studies, i.e. at much larger temporal and spatial scales (see e.g. Bhend et al., 2012). The data assimilation method applied here is based on the Ensemble Kalman Filter. An anisotropic localization procedure based on the SCOPE Climate background climatology is applied on both temperature and precipitation. A Gaussian anamorphosis is moreover applied on daily precipitation. The data assimilation method is here implemented to build FYRE Climate (French hYdrometeorological Reanalysis), a daily 8-km gridded meteorological reanalysis over France for the 1871-2012 period. Results show that: (1) the reanalysis has a much lower uncertainty than the initial SCOPE Climate reconstructions, (2) the uncertainty of the reanalysis is strongly dependent on the observation density. FYRE Climate allows assessing for the first time high-resolution observation-compatible multidecadal variations in both temperature and precipitation over France. Features and performances of FYRE Climate in terms of temperature and precipitation are also compared over recent overlapping periods with those of the Safran French reanalysis (Vidal et al., 2010) and over 1900-2000 with several gridded observations products