Use of expert elicitation to assign weights to climate and hydrological models in climate impact studies

Various methods are available for assessing uncertainties in climate impact studies. Among such methods, model weighting by expert elicitation is a practical way to provide a weighted ensemble of models for specific real-world impacts. The aim is to decrease the influence of improbable models in the results and easing the decision-making process. In this study both climate and hydrological models are analysed, and the result of a research experiment is presented using model weighting with the participation of six climate model experts and six hydrological model experts. For the experiment, seven climate models are a priori selected from a larger EURO-CORDEX (Coordinated Regional Downscaling Experiment - European Domain) ensemble of climate models, and three different hydrological models are chosen for each of the three European river basins. The model weighting is based on qualitative evaluation by the experts for each of the selected models based on a training material that describes the overall model structure and literature about climate models and the performance of hydrological models for the present period. The expert elicitation process follows a three-stage approach, with two individual rounds of elicitation of probabilities and a final group consensus, where the experts are separated into two different community groups: a climate and a hydrological modeller group. The dialogue reveals that under the conditions of the study, most climate modellers prefer the equal weighting of ensemble members, whereas hydrological-impact modellers in general are more open for assigning weights to different models in a multi-model ensemble, based on model performance and model structure. Climate experts are more open to exclude models, if obviously flawed, than to put weights on selected models in a relatively small ensemble. The study shows that expert elicitation can be an efficient way to assign weights to different hydrological models and thereby reduce the uncertainty in climate impact. However, for the climate model ensemble, comprising seven models, the elicitation in the format of this study could only re-establish a uniform weight between climate models

Vers des projections hydrologiques robustes pour le XXIe siècle

National audienceLe changement climatique provoqué par les activités humaines est susceptible de modifier significativement le cycle de l'eau et les conditions de fonctionnement des secteurs en dépendant (agriculture, production d'énergie, etc.). Pour y faire face, les études ont recours à des modèles climatiques et hydrologiques complexes dont l'utilisation n'est pas aisée pour les non-initiés. Des portails climatiques de données ont donc vu le jour pour garantir un accès facile et une qualité optimale des projections hydro-climatiques. Le projet AQUACLEW (2017-2020), qui finance cette thèse, contribue à améliorer ceux liés au secteur de l'eau. Une problématique majeure lors de la réalisation de projections hydrologiques en conditions non-stationnaires est la restitution par le modèle de l'évolution du comportement d'un bassin versant lorsque les forçages moyens (pluie et évapotranspiration, voir fig. 2) changent. La capacité d'un modèle hydrologique à simuler correctement le débit dans des climats hétérogènes est appelée robustesse. Pour les modèles hydrologiques conceptuels utilisés dans cette thèse, cette notion est fortement reliée au choix des valeurs des paramètres qui les composent (Figure 1). La robustesse est donc évaluée sur des périodes différentes de celles utilisées pour optimiser ces paramètres. Les résultats actuels démontrent que les modèles souffrent tous de d'erreurs de bilan en eau en condition d'évaluation. Des recherches récentes ont également souligné les difficultés d'estimation d'un jeu de paramètres robustes en calage, même dans les cas où un jeu de paramètres satisfaisant existerait (Fowler et al., 2016)

Comment l'évolution de l'évaporation potentielle impacte les sécheresses

International audienceLes sécheresses suivent des dynamiques bien plus lentes que celles des événements de crue. Dans les grands bassins versants, les sécheresses hydrologiques ne s'installent qu'au terme de plusieurs mois et elles peuvent être favorisées par la succession d'années déficitaires en précipitations. Une analyse interannuelle est parfois nécessaire pour étudier la dynamique générale de ces événements. Les déterminants du niveau de sécheresse d'une région sont au premier ordre les précipitations et au second ordre l'évaporation. Alors que les premières sont mesurées depuis la fin du 19e siècle en France grâce à un réseau dense de stations ponctuelles au sol, l'évaporation reste une grandeur physique dont les mesures sont rares et/ou peu fiables. À défaut de mesures directes, les hydrologues ont en général recours à des modèles pour évaluer l'évaporation potentielle, quantité d'eau que les conditions atmosphériques permettraient d'extraire du bassin versant si le sol et les plantes étaient saturés en eau et l'air suffisamment sec. Cette grandeur étant théorique, sa définition exacte est sujette à controverse au sein de la communauté et il en résulte une profusion de formules pour la calculer [Lhomme, 1997 ; McMahon et al., 2013]. Les différences conceptuelles entre les modèles concernent la terminologie même de la notion d'évaporation, l'inclusion des effets météorologiques locaux et les rétroactions de l'évaporation dans le calcul de la demande évaporatoire (et donc de la surface sur laquelle ce calcul est pertinent). Dans le domaine de la modélisation hydrologique conceptuelle, les résultats sont en apparence peu influencés par le choix de la formulation retenue pour calculer l'évaporation potentielle, limitant ainsi les possibilités d'arbitrer définitivement [Oudin et al, 2005a]. Des formulations simples se révèlent parfois être les meilleures pour simuler le débit d'une rivière [Oudin et al., 2005b]. Une raison avancée pour expliquer ce constat est la compensation des différences entre les diverses formules d'évaporation potentielle lors du calage des paramètres des modèles pluies-débits, via un ajustement des paramètres, afin de fermer le bilan. La compensation opérée par les paramètres en calage peut néanmoins se faire au prix des performances du modèle en évaluation lorsque les données d'entrée sont fausses [Andréassian et al., 2012; Kelleher & Shaw, 2018] et diminuer considérablement ses capacités prédictives en contexte de changement climatique [Thirel et al., 2015]. Dans ce contexte, nous avons tenté d'éclairer les différences de quelques formulations d'évaporation potentielle couramment utilisées en hydrologie en revenant aux fondamentaux de la modélisation. Dans cet article, nous avons comparé l'applicabilité en modélisation hydrologique de plusieurs formulations d'évaporation potentielle (Oudin, Morton, Penman et Penman-Monteith), au moyen de modèles linéaires liant les anomalies annuelles de variables hydrologiques aux anomalies des forçages climatiques, sur un large échantillon de 395 bassins de France métropolitaine. La méthodologie mise en place a également permis de caractériser l'élasticité du débit vis-à-vis des variables climatiques, ainsi que le temps de relaxation moyen de l'écoulement interannuel, par l'inclusion des années précédentes parmi les variables explicatives de certains modèles. Deux types de modèles ont été distingués : ceux reliant débits, précipitations et évaporation potentielle par une fonction linéaire, appelés modèles « N » ; ceux reliant rendement des précipitations et humidité potentielle par une fonction linéaire, inspirés de « l'hypothèse de Budyko » et appelés modèles « B ». Les modèles ont été calés avec la méthode des moindres carrés généralisés afin de tenir compte de l'autocorrélation des débits et de la colinéarité des variables explicatives. Les résultats obtenus diffèrent selon le modèle choisi : la disparité des valeurs d'élasticité du débit vis-à-vis de l'évaporation potentielle dans les modèles « N » n'est pas retrouvée dans les modèles « B ». Au regard des valeurs des paramètres des modèles « N » en effet, le rôle de l'évaporation potentielle de l'année en cours n'est pas significatif dans la grande majorité des cas, au contraire de celui de l'année précédente. La formule d'Oudin donne par ailleurs des valeurs d'élasticité plus dispersées à travers l'échantillon d'étude que les autres formules. A l'opposé, les résultats issus des modèles « B » sont plus lisses, et montrent à la fois l'importance décroissante du climat passé et peu de différences entre les élasticités calculées avec les différentes équations d'évaporation potentielle. L'analyse des performances des modèles linéaires à expliquer les variations du débit annuel par celles des variables climatiques conduit à valider l'intérêt d'ajouter une « mémoire » du climat de l'année précédente. La poignée de bassins pour lesquels ces performances diminuent sont situées dans des régions dont le sous-sol presque imperméable ne permet presque pas le stockage de l'eau. Pour les autres, le choix de la formule d'évaporation potentielle importe peu en comparaison de l'ajout d'une mémoire aux modèles linéaires. En outre, le classement des performances en fonction de ces méthodes de calcul de l'évaporation dépend fortement du type de modèle linéaire considéré. La formule de Morton apparaît par exemple comme la meilleure avec les modèles « N » et la pire avec les modèles « B ». Finalement, la formule de Penman-Monteith semble être un bon choix par défaut, pour n'être presque jamais le pire