Approche par ondelettes de la variabilité climatique

Approche par ondelettes de la variabilité climatique

Changement climatique dans le monde:

Débat autour du changement climatique:

Le changement climatique est défini comme étant la variation de l’état du climat par des modifications de la moyenne et/ou de la variabilité de ses propriétés et qui persiste pendant une longue période, généralement pendant des décennies ou plus [GEIC, 2014]. Les changements climatiques peuvent être dus à des processus internes naturels ou à des forçages externes, notamment les modulations des cycles solaires, les éruptions volcaniques ou des changements anthropiques persistants dans la composition de l’atmosphère ou dans l’utilisation des terres.
Pour être précise, la communauté scientifique parle actuellement de réchauffement climatique au lieu de changement. Ce réchauffement est, selon le Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) institué par l’ONU pour synthétiser les études scientifiques à ce sujet, sans équivoque [GEIC, 2007]. Ce réchauffement est reconnu par la majorité des états de la planète [UNESCO, 2014] et qu’il y avait une probabilité de 5 % pour que les activités humaines ne soient pas à l’origine de la majeure partie de ce réchauffement. Ce sont surtout les émissions des gaz à effet de serre (dioxyde de carbone (CO2) et méthane (CH4)) dues à l’activité industrielle qui sont jugées responsable [GEIC, 2007]. En effet, la concentration moyenne de ce dernier dans l’atmosphère mesurée entre 1995 et 2005 a progressé annuellement 9500 fois plus vite que sur les 650000 ans précédents [Salomon et all., 2007 cités par Keller et all., 2011]. Il faut noter que la combustion des énergies fossiles participe à plus de la moitié dans les émissions du gaz carbonique dans l’atmosphère. Selon l’organisation météorologique mondiale, la décennie 2001-2010 est la plus chaude qui ait été constatée depuis que les paramètres météorologiques ont commencé à être mesurés de façon systématique à partir de 1873 [OMM, 2013].
Néanmoins, il reste encore des scientifiques ou des états qui émettent des réserves sur les études publiées et les interprétations qui y sont déduites. D’abord parce que le climat de la terre a connu depuis la formation de cette dernière plusieurs fluctuations. Ensuite, parce que les mesures standardisées des variables climatiques n’ont commencé qu’à partir de la naissance de l’organisation météorologique internationale en 1873. Avant cette date, les appareils de mesure étaient peu nombreux, de qualité discutables et que les mesures n’étaient pas effectuées d’une manière normalisée [Edwards, 2012].
Des pays comme la Chine ou les Etats Unis d’Amérique se basent sur des arguments semblables pour ne pas adhérer aux diverses chartres et protocoles internationaux dans ce domaine. Ils préfèrent s’inscrire dans une logique d’atténuation des effets du réchauffement au lieu de s’attaquer à ses causes.
Ainsi en France, des scientifiques comme le Géophysicien Vincent Courtillot [Courtillot, 2016] ou le Géochimiste Claude Allègre [Allègre et Montvalon., 2010] défendent l’idée que le réchauffement climatique actuel est dû principalement à la variabilité naturelle du climat et que l’ampleur n’est pas aussi importante. Pour cela, ils réinterprètent les principaux résultats publiés par les chercheurs à leurs façons en minimisant l’effet anthropique. En Belgique, c’est le Professeur de Chimie, Istvan Marko [Marko I., 2013], qui s’est attaqué aux thèses du GEIC à travers son livre « Climat, 15 vérités qui dérangent ». Ce livre contient les mêmes thèses que celles développées par Courtillot et Allègre.
Ces scientifiques sont sévèrement critiqués par la communauté scientifique pour plusieurs raisons et dont la plus importante est liée à leurs spécialités. Aucun de ces scientifiques n’a travaillé directement sur le climat et dans la majorité des cas, leurs écrits sont de nature « grand public » dans lesquels ils se permettent des facilités majeures pour avancer des affirmations sans étaiement.
D’une manière générale, les pays européens sont les plus réceptives à la thèse du changement climatique. Ainsi, en Norvège par exemple, le scientifique Bjorn Lomborg très critique vis-àvis de la thèse du changement climatique a évolué dans ses positions. En effet, dans le livre « The skeptical environmentalist : Measuring the real state of the Word » publié en 2001, il critique sévèrement les rapports du GIEC et estime que le sujet est secondaire par rapport aux problèmes de pauvreté, de malnutrition, de SIDA, etc. Dans le livre « Smart Solutions to Climate Change » publié en 2010, ses positions sont beaucoup plus modérées même s’il reste toujours sceptique sur l’efficacité des mesures préconisées pour limiter les émanations du gaz carbonique.
En Allemagne les mouvements écologiques ont marqué beaucoup de points notamment lors d’élection politique. Actuellement, c’est l’alarmisme de ces mouvements qui commence à agacer et ce qu’exprime le scientifique écologiste allemand Frank Uekötter dans son livre « Am Ende der Gewissheiten (la Fin des Certitudes) » publié en 2011 .
En Angleterre et aux Etats Unis d’Amérique, les populations sont réticentes aux thèses du changement climatique. Ceci est dû principalement à l’esprit libéral des populations qui n’aiment pas les lois restrictives limitant leur liberté et aux poids des médias faiseurs d’opinion. Ce climat de scepticisme s’est amplifié à la suite de la divulgation en 2009 de contenu de mails des membres du GEIC laissant penser à des manipulations des données pour conforter l’hypothèse du réchauffement climatique. Des hommes politiques américains ont même demandé la traduction des membres américains du GEIC devant les tribunaux [Edwards, 2012]. Il faut noter qu’en 2009, quinze scientifiques américains faisaient partie du GEIC et qu’en Angleterre, il existe même des scientifiques adeptes des thèses alarmantes concernant le climat comme James Ephraim Lovelock.

Les conséquences du changement climatique sur la planète:

Le débat sur le changement climatique est toujours d’actualité. Même s’il reste toujours des scientifiques qui rejettent cette hypothèse, la communauté scientifique est d’accord pour affirmer que de la planète se réchauffe. Ce réchauffement qui est estimé à environ 0,8±0,2°C s’est traduit par de nombreux effets, élévation de la température des mers et océans, fonte des glaciers, etc. [Banque mondiale, 2010].
Si la température augmente, la population mondiale reste sensible surtout à la diminution des précipitations et aux multiplications des catastrophes naturelles comme les inondations, les tempêtes et les ouragans. La diminution des précipitations impacte directement les ressources en eau et la production agricole. Les catastrophes naturelles sont spectaculaires et attirent facilement l’attention.
Dans une synthèse, Seguin et Soussana notent que la tendance pour les précipitations est moins claire, une tendance à la hausse à l’échelle globale est même indiquée. Ainsi, une augmentation de 7 à 12 % est notée dans les latitudes élevées de l’hémisphère Nord. Par contre, la pluie a significativement diminué sur la plupart des terres intertropicales. Au niveau de l’Europe, les observations sont plus contrastées, elles font état d’un accroissement pouvant aller de 10 à 40% sur le siècle passé pour les régions du nord, en particulier en hiver, et d’une baisse significative de la pluviométrie en zone méditerranéenne [Seguin et Soussana, 2008].
Dans une étude plus ancienne, Sicoulon montre que l’Europe et l’Afrique ont subi plusieurs sécheresses durant le 20ième siècle mais celle qui est la plus récente est celle qui a frappé l’Afrique de l’Ouest depuis 1968 [Sicoulon, 1989].
Ces conclusions sont partagées par Fallot et Bertini-Morini qui notent un réchauffement du climat en Suisse accompagné d’une intensification des précipitations et d’une fréquence accrue des périodes de sécheresse et d’aridité, notamment au Sud des Alpes [Fallot et Bertini-Morini, 2012].

du bassin du barrage Hammam Boughrara:

Introduction :

Les barrages sont réalisés en Algérie principalement pour mobiliser les eaux de surface. Ces dernières dépendent de la taille des bassins drainés mais aussi et dans de grandes proportions des précipitations et des conditions climatiques et hydrométéorologiques qui y règnent. Ce chapitre est donc consacré à la description générale du climat qui règne au sein du bassin du barrage Hammam Boughrara. Après un bref aperçu sur la genèse du barrage et une description sommaire du bassin, c’est le climat qui règne au sein de ce bassin qui est abordé. Pour cela, des vérifications nécessaires seront effectuées sur les données pour qu’elles puissent être utilisées pour étudier le climat de la région. Enfin, l’évaporation et le ruissellement seront examinés en fin de chapitre.

Genèse du projet du barrage Hammam Boughrara :

Depuis environ la moitié des années soixante-dix, l’Algérie soufre d’un déficit important en matière de ressource en eau et particulièrement sa région Nord-Ouest. Pour faire face à ce problème, les autorités ont initié une politique volontariste qui consistait à mobiliser toutes ressources possibles. Dans la région Nord-Ouest, c’est le bassin versant de la Tafna qui allait être sollicité pour recevoir un quatrième barrage après les trois autres déjà en exploitation (Béni Bahdel, Mefrouche et El Izdihar) : C’est le barrage Hammam Boughrara qui va être réalisé dont la mise en eau a eu lieu le 11 novembre 1998. Un cinquième barrage sera réalisé plus tard, celui de Sikak (Mis en service en 2004).

Etude climatique du bassin du barrage Hammam Boughrara:

Introduction :
Le comportement d’un bassin versant dépend essentiellement du climat qui y règne et spécialement des précipitations et des températures. D’ailleurs, c’est sur la base de l’étude de ces variables que les climats sont caractérisés. La partie qui va suivre ne sort pas de ce cadre puisqu’elle est réservée à l’étude du climat du bassin du barrage Hammam Boughrara.

Etude des précipitations:

  Aperçu sur les données :
Les données climatiques (précipitations et températures) utilisées dans ce travail proviennent de l’Agence Nationale des Ressources Hydriques (A.N.R.H.) et l’Office National de Météorologie (O.N.M.). Plusieurs séries de mesures des précipitations ont été mises à disposition. Pour l’étude climatique, seules les données des stations de Maghnia et de Zenata seront utilisées car elles sont les seules pour lesquelles les précipitations et les températures sont disponibles.
Pour qu’une série de mesures soit exploitable, il faut que les données obéissent à certains critères. Le premier de ces critères est que la durée des observations soit suffisamment longue pour qu’elle puisse représenter le climat de la région. L’Organisation Mondiale de la Météorologie (O.M.M) recommande dans ce cas à ce que la durée des observations ne soit pas inférieure à trente ans. Les deux stations citées ci-dessus vérifient ce critère pour les précipitations et pour les températures.
Dans la partie relative à l’évaluation de la lame ruisselée et qui sera donnée dans la fin du chapitre 3, certaines stations utilisées ne respectent pas cette condition. Des extensions seront effectuées à l’aide des techniques appropriées. Les détails seront donnés dans la partie qui sera consacrée à cette étude.
La deuxième condition à vérifier est celle de s’assurer si les mesures (précipitations ou températures) ont un caractère aléatoire ou pas. Plusieurs tests statistiques permettent d’identifier ce caractère mais sont la plupart du temps incapables de dire dans le cas contraire si la série présente une tendance ou une périodicité. D’autres tests statistiques ont été mis au point et permettent justement d’identifier la présence d’une tendance ou d’une périodicité;

Adéquation des précipitations avec une loi de distribution:

La recherche d’une loi de distribution permet de déterminer les pluies dont les périodes de retour sont fixées. L’adéquation d’une série avec une loi de distribution suppose la vérification de certains tests. En présence d’un grand nombre de données, il y’a de fortes chances à ce que ces données s’ajustent facilement à une loi normale (gaussienne), cette dernière est souvent qualifiée de la loi des grands nombres (en taille pas en valeur). La série des précipitations de Maghnia sera donc soumis au test χ2 pour s’assurer que les données s’adaptent à la loi normale.

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Table des matières

Résumé
Abstract
ملخص
Liste notations
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
1. Préambule
2. Genèse de la thématique
3. Problématique et motivations
4. Organisation de la thèse
Chapitre 1 : Climat et Changement Climatique
1. Introduction
2. Le climat
3. Les types de climats dans le monde
4. Le climat en Algérie
5. Changement climatique dans le monde
5.1. Débat autour du changement climatique,
5.2. Les conséquences du changement climatique sur la planète
6. Le changement climatique au Maghreb
6.1. Impact du changement climatique sur le Maroc
6.2. Impact du changement climatique sur la Tunisie
6.3. Impact du changement climatique sur l’Algérie
7. Conclusion
Chapitre 2 : Etude climatique du bassin du barrage Hammam Boughrara
1. Introduction
2. Genèse du projet du barrage Hammam Boughrara
3. Présentation du barrage Hammam Boughrara
4. Présentation du bassin du barrage Hammam Boughrara
4.1. Hydrographie du bassin du barrage Hammam Boughrara
4.2. Morphométrie et géographie du bassin du barrage Hammam Boughrara
5. Etude climatique du bassin du barrage Hammam Boughrara
5.1. Introduction
5.2. Etude des précipitations
5.2.1. Aperçu sur les données
5.2.2. Vérification du caractère aléatoire des observations
5.2.3. Vérification de l’homogénéité de la station de Maghnia
5.2.4. Adéquation des précipitations avec une loi de distribution
5.2.5. Irrégularité des précipitations dans le temps
5.3. Etude des températures
5.3.1. Aperçu sur les données
5.3.2. Variation mensuelle des températures
5.3.3. Les indices d’aridité
Indice de Martonne
Le diagramme ombrothermique
5.4. Evapotranspiration et déficit d’écoulement
5.4.1. Méthode de Thornthwaite
5.4.2. Méthode de Turc
5.4.3. Méthode de Coutagne
5.4.4. Méthode de Tixeront-Berkaloff
5.4.5. Application
Méthode de Thornthwaite
Méthode de Turc
Méthode de Coutagne 3
Méthode de Tixeront-Berkaloff
6. Conclusion
Chapitre 3 : Variabilité climatique et sécheresse
1. Introduction
2. Définition de la sécheresse
3. Méthodes de caractérisation des sécheresses
3.1. Méthodes basées sur les indices
3.1.1. Ecart standardisé par rapport à la moyenne
3.1.2. Indice des précipitations normalisé (Standard Precipitations Index –SPI)
3.1.3. Indice de Pita
3.2. Méthodes de l’analyse fréquentielle
3.3. Moyennes mobiles
3.4. Méthodes basées sur les tests statistiques
3.4.1. Introduction
3.4.2. Autocorrélogramme et intervalle de confiance
3.4.3. Test de corrélation sur le rang
3.4.4. Test de Buishand et ellipse de Bois
3.4.5. Test de Pettitt
3.4.6. Segmentation de Hubert
3.4.7. Application aux stations retenues
Station de Hammam Boughrara
Autocorrélogramme et test sur le rang
Recherche de ruptures
Station de Maghnia
Autocorrélogramme et test sur le rang
Recherche de ruptures
Station de Béni Bahdel
Autocorrélogramme et test sur le rang
Recherche de ruptures
Station de Zenata
Autocorrélogramme et test sur le rang
Recherche de ruptures
3.5. Etude et examen des débits
3.5.1. Introduction
3.5.2. Autocorrélogramme et test sur le rang
3.5.3. Etude de la variabilité par les indices
3.5.4. Recherche des ruptures
3.6. Etude et examen des températures
3.6.1. Introduction
3.6.2. Autocorrélogramme et test sur le rang
3.6.3. Recherche de rupture
4. Etude de projection des conditions climatiques
4.1. Introduction
4.2. Les processus autorégressifs
4.3. Les processus intégrés
4.4. Les moyennes mobiles
4.5. Utilisation des modèles ARIMA
4.6. Application du modèle ARIMA
4.6.1. Stationnarisation des séries temporelles
4.6.2. Degré d’intégration des précipitations
4.6.3. Degré d’intégration des séries des températures et des précipitations
4.6.4. Validation du modèle
4.6.5. Prévisions climatiques
5. Etude de la persistance de la sécheresse à l’aide des chaines de Markov
5.1. Introduction
5.2. Définition et propriétés
5.3. Application des chaines de Markov d’ordre 1
5.4. Application des chaines de Markov d’ordre 2
6. Etude de la régularisation
6.1. Introduction
6.2. Evaluation de la pluie moyenne sur le bassin du barrage Hammam Boughrara
6.3. Application des chaines de Markov d’ordre 1
6.4. Application des chaines de Markov d’ordre 2
7. Conclusion
Chapitre 4 : Approche par ondelettes de la variabilité climatique
1. Introduction
2. Les transformées mathématiques
2.1. Généralités
2.2. Transformées de Fourrier
2.3. Transformées de Fourrier à fenêtre glissante
2.4. Transformées en ondelettes
2.5. Pavage du plan dans les transformées de Gabor et de Fourier
2.5.1. Pavage du plan temps-fréquence par la transformée de Gabor
2.5.2. Pavage du plan temps-fréquence par la transformée en ondelettes
2.6. Ondelette de référence et ses propriétés
2.6.1. Généralités
2.6.2. Transformées en ondelette continue et en ondelette discrète
Les transformées en ondelettes continues
Les transformées en ondelettes discrètes
2.6.3. Transformée orthogonales et non-orthogonales
2.6.4. Fonction d’ondelette réelle et fonction complexe
2.6.5. Les coefficients d’ondelettes
2.6.6. Niveau de signifiance
2.7. Choix de l’onde mère
2.8. Choix des échelles
2.9. Application des transformées en ondelettes aux séries du bassin du barrage Hammam Boughrara
2.9.1. Introduction
2.9.2. Régression polynomiale
2.9.3. Approche par ondelettes
Choix des ondelettes à appliquer
Application aux précipitations de Hammam Boughrara
Application aux précipitations de Maghnia
Application aux précipitations de Beni Bahdel
Application aux précipitations de Zenata
Application aux apports du barrage Hammam Boughrara
3. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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