Modélisation statistique de l'intensité, de la durée et de la fréquence des vagues de chaleur simulées par les modèles numériques de climat

Les vagues de chaleur sont considérées comme les catastrophes naturelles les plus mortelles dans le monde et ont un impact sérieux sur l'ensemble de notre société : économie, santé, infrastructures entre autres. D'après le dernier rapport du GIEC, elles seront plus intenses et plus fréquentes dans les prochaines années en raison des changements climatiques. Il est donc essentiel d'estimer le risque lié aux vagues de chaleur auquel nous seront exposés afin de mettre en place dès aujourd'hui des mesures d'adaptation adéquates : normes de construction des bâtiments, plans d'alerte canicule... Le but de ce projet de recherche consiste à modéliser l'évolution de la fréquence d'occurrence, de l'intensité et de la durée des vagues de chaleur. Les ensembles de simulations climatiques permettent de faire des projections quantitatives sur l'évolution du climat et nous nous baserons sur ces derniers pour analyser les vagues de chaleur jusqu'à l'horizon 2100. La fréquence d'occurrence sera modélisée à l'aide d'un processus de Poisson non-homogène, la température maximale atteinte lors des vagues de chaleur sera modélisée par une loi de Pareto généralisée étendue et enfin la durée des vagues de chaleur sera modéliser de manière conditionnelle à l'intensité. L'inclusion des concentrations annuelles de gaz à e˙et de serre permettra d'obtenir un modèle statistique non-stationnaire pour les vagues de chaleur. L'approche bayésienne utilisée pour l'inférence des paramètres du modèle permet d'obtenir des intervalles de crédibilité pour l'ensemble des estimations réalisées. En se basant sur l'ensemble de simulation ClimEx, l'évolution des niveaux de retour bidi-mensionnels du couple durée-intensité des vagues de chaleur est déterminée au point de grille de la ville de Montréal. A titre d'exemple, la période de retour des vagues de chaleur de plus d'une semaine atteignant une température maximale de 42.2 C, qui est de 100 ans en 2020, est réduite à 45 ans en 2030 et à un peu plus de 7 ans en 2050. Enfin, les régions du Québec et de l'Europe les plus touchées par les changements climatiques sont déterminées en se basant sur l'ensemble CESM. Il est notable que toutes les régions étudiées présentent une augmentation du nombre de vagues de chaleur extrêmes dans les prochaines années. Il apparaît que le sud-est du Québec, sous influence océanique est la région la plus exposée, tandis qu'en Europe, la fréquence d'occurrence des vagues de chaleur les plus extrêmes devrait particulièrement augmenter dans le bassin méditerranéen ainsi qu'en Europe de l'est.

Abstract

Heatwaves have tremendous impact on society. Considered the deadliest natural disasters, they also a˙ect economy, energy supply, infrastructures, etc. According to the IPCC latest assessment report, both their intensity and their frequency is expected to increase in the next decades due to climate change. As a consequence, it is essential to properly estimate the risk they induce in the near future, in order to design, starting today, adaptation and mitigation measures. The aim of this research is to provide policymakers an accurate description of heatwave evolution in terms of frequency, intensity and duration in the years to come and ultimately increase the resilience of our society in the face of climate change. Climate simulations are the only available tools to make quantitative projections of the future climate. Evolutions of the heatwaves are determined based on those climate simulations up to 2100 under the RCP8.5 emission scenario assumption. The occurence frequency of heatwaves will be modeled with a non-homogeneous Poisson process, their intensity will be modeled using an extended generalized Pareto distribution and the duration of heatwaves will be modeled conditionnaly to the intensity with a negative binomial distribution. Atmospheric carbon concentration will be included as a covariate in order to build a transient model for heatwaves, allowing a study of climate change. Finally, the Bayesian approach will allow to build credibility intervals for each of our estimates. The ClimEx simulation ensemble will be used to assess the evolution of bidimentional e˙ective return levels of the intensity-duration pair at the location of Montreal. It was found that the return period of heatwaves reaching 42.2 C and during more than one week, which is of 100 years in 2020, will be reduced to 45 years by 2030 and will fall to 7 years by 2050. Then, the CESM ensemble was used to find the regions the most a˙ected by climate change, both in the North-East quarter of Northern America and in Europe. It is noteworthy that all studied regions show an increase in the frequency of extreme heatwaves, but Southern Quebec under oceanic influence is the most exposed area for the American region while the mediterranean basin and Eastern Europe are the most exposed areas in Europe.