Gestion des risques naturels et changement climatique : les challenges des actuaires

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1 Gestion des risques naturels et changement climatique : les challenges des actuaires - Julien Tomas (Université Lyon 1, Laboratoire SAF) Laboratoire SAF 50 Avenue Tony Garnier Lyon cedex 07

2 GESTI DES RISQUES ATURELS ET CHAGEMET CLIMATIQUE: LES CHALLEGES DES ACTUAIRES Julien TMAS ISFA - Laboratoire SAF 17 décembre Version 0.9 Résumé Cette note dresse un bref état des lieux des risques climatiques et de leur évolution potentielle pour le secteur de l assurance. Elle aborde dans premier temps les changements climatiques observés ainsi que le large éventail des projections climatiques disponibles et les conséquences possibles sur les phénomènes météorologiques extrêmes à la lumière des conclusions présentées dans le cinquième rapport d évaluation (AR5) du Groupe d Experts Intergouvernemental sur l Evolution du Climat et des dernières recherches scientifiques. Dans un deuxième temps, le processus de laïcisation des catastrophes naturelles, qui a permis de passer des modèles religieux aux explications rationnelles, durant le 17ème et 18ème siècle, est brièvement développé, avant de détailler la modélisation des risques de catastrophes naturelles. Ces techniques, à l origine développées par les climatologues, sont de plus en plus employées par l industrie de l assurance. Enfin, les défis et rôle du secteur de l assurance face au changement climatique sont couverts. Les impacts du point de vue de l assurance sont traités. Ces risques sont aggravés par la concordance du changement climatique avec l évolution des tendances démographiques et socio-économiques. La sollicitation des assureurs se fait de plus en plus forte, et dans le même temps, les catastrophes météorologiques et climatiques deviennent difficilement assurable. Un changement de paradigme du secteur de l assurance est nécessaire au cours des prochaines décennies pour faire face aux effets directs et indirects contestant sa rentabilité et son modèle commercial. Ce travail a été supporté par la Chaire d excellence Générali Actuariat responsable : gestion des risques naturels et changements climatiques". Les vues exprimées dans ce document sont de la responsabilité de l auteur et ne reflètent pas nécessairement celles de Générali. Contact: julien.tomas@univ-lyon1.fr. Institut de Science Financière et d Assurances - Université Claude Bernard Lyon 1-50 Avenue Tony Garnier Lyon - France.

3 Table des matières Résumé 1 1 Introduction 2 2 Changements climatiques observés et projections Les changements observés dans le système climatique Composition de l air et variation de la concentration de C Variation de la température moyenne de surface Variation du niveau moyen global des mers Les projections climatiques Projections du forçage radiatif anthropogénique Projections de la concentration de C 2 atmosphérique Projections de la température moyenne de surface Projections du niveau moyen global des mers Comment le changement climatique affecte les aléas extrêmes? Les phénomènes météorologiques extrêmes Variations des températures extrêmes mondiales Variations des précipitations extrêmes terrestres Variations de l activité cyclonique Les projections des évènements extrêmes Projections des températures extrêmes Projections des précipitations extrêmes Projections de l activité cyclonique La modélisation des risques de catastrophes naturelles La laïcisation des catastrophes naturelles Fatalité et intervention divine Le mouvement de laïcisation de la nature Histoire de la modélisation des catastrophes Le développement des modèles climatiques La modélisation des pertes liées aux catastrophes Les quatre éléments d un modèle de catastrophes L aléa L exposition La vulnérabilité Les pertes assurés Défis et rôle du secteur de l assurance Les impacts du changement climatique - le point de vue de l assurance Augmentation du nombre de dommages et des coûts liée aux aléas climatiques L influence socio-économique sur la croissance récente des pertes Répartition mondiale des impacts des catastrophes climatiques Les solutions d assurance, l exemple de l Europe L impact des aléas climatiques sur les secteurs d activité de l assurance L assurabilité Les critères d assurabilité d un risque Prix du risque et prime pure infinie Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 1

4 4.2.3 Impact sur les exigences en matière de de capital Impact sur les modèles d assurance Rôle et Challenges Le rôle de l industrie de l assurance Evaluer et gérer les risques : le cœur de métier Sensibiliser et prendre conscience du risque La prévention, la pierre angulaire de tout régime d assurance Les services et la couverture d assurance Gérer les réclamations Atténuer le changement climatique investissement Conclusion 64 Remerciments 65 Références 66 1 Introduction L objectif de cette note est de dresser un bref état des lieux des risques climatiques et de leur évolution potentielle pour le secteur de l assurance. Elle s inscrit dans le contexte actuel des questionnements concernant l impact du changement climatique sur la récurrence des catastrophes naturelles et la nécessité d appréhender les conséquences futures à la lumière des dernières conclusions scientifiques. Depuis les travaux de Fourier (1824) et d Arrhenius (1896), le concept d effet de serre a traversé l histoire. Cette notion, initialement présentée par Fourier (1824) qui le premier évoqua l idée que la température du sol est augmentée par l interposition de l atmosphère, est devenue aujourd hui la base de la climatologie. Voulant analyser le cycle des glaciations, le chimiste suédois (et prix obel de chimie en 1903) Arrhenius (1896) est le premier à formaliser une théorie qui lie l augmentation de C 2 dans l atmosphère à une augmentation des températures terrestres en raison d un forçage radiatif. Le forçage radiatif est un changement du bilan radiatif (rayonnement descendant moins rayonnement montant) au sommet de la troposphère (10 à 16km d altitude) dû à la vapeur d eau et à l acide carbonique (C 2 dissous dans la vapeur d eau). Arrhenius (1896) estime ainsi qu un doublement du dioxyde de carbone aurait pour effet une augmentation globale de 4 C en moyenne (soit un peu plus que les prévisions de 1.5 C and 4.5 C degrés émises dans le dernier rapport d évaluation (AR5) du Groupe d Experts Intergouvernemental sur l Evolution du Climat, voir Bindoff et al. (2013), plus de 100 ans plus tard). Pour l anecdote, il espèrerait que l exploitation du charbon parviendrait à surmonter la prochaine ère glaciaire due à l orbite terrestre. De cette façon, Arrhenius (1896) s attendait à ce que le taux de C 2 double dans environ 3000 ans. Au rythme actuel, cela arrivera dans moins d un siècle selon les modèles climatiques utilisés dans Bindoff et al. (2013). Le changement climatique, qu il soit conduit par les forçages radiatifs naturels ou humains, entraîne des changements dans la probabilité de survenance ou de l intensité des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes tels que les événements de précipitations extrêmes ou de vagues de chaleur. Cependant, il apparait que les observations historiques et récentes ne suffisent pas à déterminer le sens précis des tendances de l intensité et de la fréquence des événements catastrophiques. White and Etkin (1997), dans the atural Hazards Game, introduisent la problématique du changement climatique d une façon plutôt ludique. Une fois que nous connaissons les règles d un jeu, nous pouvons concevoir une stratégie Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 2

5 gagnante. Si les chances d obtenir un bon ou mauvais événement sont assez bien connues, alors les conséquences peuvent être calculées avec un certain niveau de confort. Mais que se passe-t-il si après avoir joué pendant un certain temps, il s avère que les règles sont sur le point de changer? on seulement cela, mais exactement sans savoir quand et comment elles allaient changer? Et de façon plus problématique, que se passerait-il si le nouvel ensemble de règles ne serait pas constant, mais évoluerait au fil du temps, et ne pas jouer entrainerait la fin de la partie? C est, selon les auteurs, ce que le changement climatique fait au jeu des risques naturels. Dans un sens moins récréatif, les catastrophes naturelles sont une conséquence des interactions entre le climat et les phénomènes climatiques extrêmes et la vulnérabilité des écosystèmes humains et naturels à de tels extrêmes. Le monde fait face à un impact sans précédent des phénomènes climatiques extrêmes au cours des dernières décennies qui ont été les plus chaudes depuis le début des mesures modernes en Dans le même temps, l industrie de l assurance a été frappée par une hausse rapide du nombre de dommages et des coûts liée aux aléas naturels. Pour l année 2013, sur les 890 catastrophes naturelles documentées par Munich Re (2014b), 90 % sont liées aux conditions météorologiques telles que les tempêtes, les inondations, et événements climatiques comme les vagues de chaleur, les vagues de froid, les sécheresses, les 10 % restant concernant les évènements géophysiques. Les compagnies d assurance sont les premières concernées par l augmentation de l intensité et/ou de la fréquence des catastrophes naturelles de part leur rôle pivot dans la compensation des pertes économiques et financières et leur position transversale atteignant tous les secteurs de l économie. Sur l année 2013, les catastrophes naturelles ont entrainé des pertes globales de 135 milliards de dollars et 35 milliards de dollars des pertes assurées. Les dommages provoqués par les événements extrêmes sont une fonction de la capacité de la société à anticiper, contenir ou absorber les conséquences. De part leurs impacts disproportionnés sur la société et les écosystèmes par rapport aux changements du climat moyen, il est important de comprendre les changements dans les événements climatiques extrêmes. La section 2 de cette note présente les dernières observations scientifiques concernant l évolution climatique ainsi que sur les projections disponibles. Le secteur de l assurance est le première concerné par l augmentation de l intensité et/ou de la fréquence des catastrophes naturelles et l évaluation de ces risques est donc de plus en plus critique pour la pérennité du secteur. La section 3 revient sur la modélisation des catastrophes naturels. Le développement de la laïcisation des catastrophes naturelles durant le 17ème et 18ème siècle est brièvement abordé. Ce processus a permis de passer des modèles religieux aux explications rationnelles. Puis l histoire des modèles de catastrophes est présentée jusqu aux développements récents pour faire désormais partie intégrante de toute organisation traitant du risque de catastrophe. Au niveau mondial, les préjudices assurés associés aux catastrophes météorologiques et climatiques ont plus que doublés à chaque décennie depuis les années La section 4 couvre les défis et rôle du secteur de l assurance face au changement climatique. Les impacts du point de vue de l assurance sont traités. Ces risques sont aggravés par la concordance du changement climatique avec l évolution des tendances démographiques et socio-économiques. La sollicitation des assureurs se fait de plus en plus forte, et dans le même temps, les catastrophes météorologiques et climatiques deviennent difficilement assurable. Un changement de paradigme du secteur de l assurance est nécessaire au cours des prochaines décennies pour faire face aux effets directs et indirects contestant sa rentabilité et son modèle commercial. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 3

6 2 Changements climatiques observés et projections La première partie de cette section rassemble les principales conclusions présentées dans le cinquième rapport d évaluation (AR5) du Groupe d Experts Intergouvernemental sur l Evolution du Climat et des dernières recherches scientifiques. ous abordons dans un premier temps les changements climatiques observés pour nous intéresser par la suite au large éventail de projections climatiques actuellement disponibles et les conséquences possibles sur les phénomènes météorologiques extrêmes. 2.1 Les changements observés dans le système climatique Composition de l air et variation de la concentration de C 2 Les données climatiques les plus anciennes et les plus fiables dont nous disposons proviennent de carottes de glace prélevées dans l Antarctique. A partir de ces échantillons, il est possible de déterminer les changements dans la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique et autres éléments en mesurant la composition de l air emprisonné. Le prélèvement analysé dans Petit et al. (1999) réalisé à la station Vostok en Antarctique de l Est à une profondeur de 3350 mètres a permis d obtenir la composition atmosphérique et d en déduire le climat lors des quatre derniers cycles glaciaires-interglaciaires sur une période de plus de ans. La température annuelle moyenne de surface a pu être établie à partir de la teneur en deutérium de la glace, du fait d une forte corrélation entre la température et la concentration de cet élément. La figure 1 présente la variation de la concentration en C 2 et de la température annuelle moyenne de surface. L âge est exprimé en années avant le présent (ici 1999, date de l étude), et la variation de température est exprimée en fonction d une température de référence de 55.5 C. Profondeur(mètres) C02(ppmv) Température( C) Age(annéesavantleprésent) Figure 1: Variation de la concentration en C 2 et de la température annuelle moyenne de surface Modifié de Petit et al. (1999) et AXA (2014). La figure 1 montre une forte variabilité naturelle du climat. ous constatons les successions de longues ères glaciaires qui différent dans l évolution temporelle et la durée et se terminent par une transition rapide vers des phases chaudes. L amplitude globale de la variation de température de surface des quatre cycles climatiques est d environ 12 C. Un autre renseignement majeur est la forte corrélation entre la concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique et la température de surface annuelle moyenne en Antarctique. Ces variations sont provoquées par les changements du rayonnement solaire (en raison des variations de l orbite terrestre) et amplifiées par les rétroactions du cycle du carbone. Des résultats similaires ont été obtenus par Luüthi et al. (2008) sur une période allant jusqu à ans avec quatre périodes glacières antérieures à ans. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 4

7 Un autre renseignement majeur est que la situation contemporaine semble inédite. La concentration de dioxyde de carbone atmosphérique est sans précédent au cours des dernières années. La concentration de C 2 dans l atmosphère varie de 180 à 200 ppmv (parties par million en volume) durant les ères glacières (froides) et 270 à 290 ppmv durant les périodes interglacières (chaudes) selon Petit et al. (1999), et 240 à 260 ppmv avant ans, voir Luüthi et al. (2008). Elle est passée de 278 ppmv au début de l époque pré-industrielle en 1750 à ppmv en 2011 d après Ciais et al. (2013). Durant le même intervalle de temps, Ciais et al. (2013) rapportent que la concentration de CH 4 (méthane) et 2 (protoxyde d azote), deux autres facteurs importants du forçage radiatif, est passée réciproquement de 722 pbb (partie par millards) à 1803 pbb, et de 271 pbb à en L augmentation annuelle moyenne de dioxyde de carbone a été de 1.7 ±0.5 ppmv an 1 (du 1er Janvier au 1er Janvier de l année suivante) entre 1980 et 2011, alors que depuis 2001, cette hausse est de 2.0 ±0.3 ppmv an 1, d après Hartmann et al. (2013) Variation de la température moyenne de surface Le manque de relevés climatiques avant le milieu du 19ème siècle a nécessité l utilisation d archives naturelles (ou proxy, telles que les anneaux de croissance, des coraux et des carottes de glace) pour reconstituer le climat au cours des siècles. Mann et al. (2008) ont rassemblé les travaux de reconstruction des températures de l hémisphère ord sur les deux derniers millénaires, cf figure 2. CPSterrestre avecincertitudes Variationdetempératures( C) EIVterrestre avecincertitudes EIVterrestreet maritimeavec incertitudes MannetJones(2003) Esperetal.(2002) Mobergetal.(2005) HADtendances observées Année CRUtendances observées Figure 2: Comparaison des reconstructions de température de l hémisphère ord. Modifié de Mann et al. (2008) et AXA (2014). La plupart des tentatives de reconstruction ont utilisé une variante de la méthodologie de régression composite plus scale (CPS) ou error-in-variables (EIV), dans laquelle les données indirectes (comme les anneaux des arbres, des carottes de glace, ou les coraux), considérées comme sensibles à les variations de température de surface passée, sont normalisées et centrées, potentiellement pondérées, puis rassemblées pour former une série régionale ou continentale. La série qui en résulte est ensuite régressée contre la série observée (par exemple, celle des températures annuelles de l hémisphère ord) pour obtenir une reconstruction de la température moyenne de l hémisphère ou mondial. A cela, les auteurs ont ajouté les séries de températures terrestres et terrestres et maritimes enregistrées par le Hadley Centre for Climate Prediction and Research. La figure 2 présente les variations de températures à partir de la période de référence n constate clairement un réchauffement de l hémisphère nord depuis l époque préindustrielle. Une autre indication est le caractère sans précédent de ce réchauffement au regard des valeurs des températures reconstituées au cours des deux derniers millénaires. Ce changement survient durant une échelle de temps beaucoup plus courte que l évolution naturelle. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 5

8 La figure 3 montre les variations de la température moyenne globale de 1850 à 2012 par rapport à la période de référence pour trois jeux de données indépendants, MLST (Global Historical Climatology etwork, Vose et al. (2012)), HadCRUT4 (Hadley Centre for Climate Prediction and Research, Morice et al. (2012)) et GISS (Goddard Institute of Space Studies, Hansen et al. (2010)). 0.6 Variationdelatempérature( C) Année MLST HadCRUT4 GISS Figure 3: Variations de la température de surface moyenne globale. Modifié de Hartmann et al. (2013). La tendance linéaire de la moyenne globale des données de température de surface combinant les terres émergées et les océans indique un réchauffement de 0.85 ±0.2 C au cours de la période L augmentation totale de la moyenne entre la période et est de 0.78 ±0.06 C. Chacune des trois dernières décennies a été successivement plus chaude à la surface de la Terre que toutes les précédentes décennies depuis 1850 et les années 1983 à 2012 constituent probablement la période la plus chaude qu ait connue l hémisphère ord depuis 1400 ans selon Hartmann et al. (2013) Variation du niveau moyen global des mers Le niveau global moyen des mers est un autre indicateur important du changement climatique, voir Rhein et al. (2013) et Church et al. (2013). Les observations, relevées depuis plus de 150 ans par les marégraphes et depuis une vingtaine d années avec les altimètres à bord des satellites, permettent d appréhender ce phénomène. Bien qu il y ait des variations régionales dues au changement non uniforme de la densité, aux changements de circulation, et à la déformation des bassins océaniques, le niveau moyen des mers augmente, cf. figures 4 et 5. Ce phénomène est le résultat du réchauffement des océans et de la fonte des glaces terrestres induit par le changement climatique mondial, Church et al. (2013). La figure 4 présente la variation du niveau global moyen des mers (en mm) obtenue à partir de trois différentes approches. Les valeurs correspondent à la moyenne sur cinq années. Les données relevées par les marégraphes de façon presque continues montrent un accroissement du niveau moyen des mers au cours du 20ème siècle. Entre 1901 et 2010, le niveau moyen des mers à l échelle du globe s est élevé de 190 ±20 mm selon Church et al. (2013). Durant le 20ème siècle, la vitesse moyenne d élévation a augmenté de 1.7 ±0.2 mm an 1. Depuis 1990, elle est passée à 3.2 ±0.4 mm an 1, principalement en raison de l augmentation de l expansion thermique des océans et de la perte de masse des glaciers d après Church et al. (2013). La figure 5 présente la variation annuelle du niveau global moyen des mers à partir des observations satelittaires et obtenues par marégraphes sur la période Les variations saisonnières ont été éliminées et les données lissées par moyenne mobile. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 6

9 200 Variationduniveaudesmers(mm) ChurchetWhite(2011) Jevrejevaetal.(2008) RayetDouglas(2011) Année Figure 4: Reconstruction de la variation annuelle moyenne du niveau global des mers à partir des observations obtenues par marégraphes par trois approches différentes. Modifié de Church et al. (2013). 60 Variationduniveaudesmers(mm) Maréographe bservations satelitaires Année Figure 5: Variation annuelle du niveau global moyen des mers à partir des observations satellitaires et obtenues par marégraphes sur la période Modifié de Church et al. (2013). Il est clair que des écarts par rapport à la tendance à long terme peuvent exister, en particulier pendant les phénomènes El iño (par exemple en ) et La iña (2011), comme le rappellent Church et al. (2013). De nombreuses études ont tenté de déterminer si la vitesse moyenne d élévation du niveau des mers s est accélérée au cours du 20ème siècle, généralement en ajustant un terme quadratique aux données des marégraphes. Sur la période , le terme quadratique calculée à partir des données de marégraphes et des reconstructions du niveau moyen des mers est significativement positif, voir Jevrejeva et al. (2008), Church and White (2011) et Church et al. (2013)). Church and White (2011) rapportent que le terme d accélération estimé est de ±3 mm an 2 de 1880 à 2009, ce qui est cohérent avec les estimations publiées par Jevrejeva et al. (2008), de 0.01 mm an 2, qui utilisent des données s étalant sur 300 ans. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 7

10 2.2 Les projections climatiques Projections du forçage radiatif anthropogénique Les évolutions des concentrations de gaz à forçage radiatif sont des moteurs significatifs de l évolution du climat global. Les projections de changement climatique sont produites en intégrant dans les modèles des scénarios d émissions futures de gaz et d aérosols. Ces scénarios d émissions représentent différentes évolutions du forçage radiatif. Ils sont calibrés à partir d hypothèses sur les activités humaines ou les effets naturels qui pourraient altérer le climat au cours des décennies et des siècles futurs. Ces hypothèses comprennent les scénarios de croissance économique, de trajectoires démographiques ou de stratégies politiques en matière d environnement. Dans le cadre du cinquième rapport d évaluation du Groupe d Experts Intergouvernemental sur l Evolution du Climat (GIEC), un nouvel ensemble de scénarios dits profils représentatifs d évolution de concentration ou Representative Concentration Pathway (RCP), a été utilisé pour les nouvelles simulations de modèles climatiques. Ces scénarios ne sont pas directement basés sur des hypothèses socio-économiques comme pour les précédents scénarios des rapports d évaluation du GIEC. Les scénarios RCP sont basés sur une approche différente et comprennent des hypothèses plus cohérentes sur les émissions de gaz à courte durée et sur l utilisation des terres, voir Moss et al. (2010) et Collins et al. (2013) pour une description détaillée des scénarios. La figure 6 montre les tendances historiques et projetées du forçage radiatif pour plusieurs scénarios. Les projections des précédents rapports d évaluation (AR4 A1B, A1 et B1, voir Meehl et al. (2007)) sont comparés avec les quatre RCP. 8 7 Forçageradiatif(Wm -2 ) RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP8.5 AR4A1B AR4A2 AR4B Année Figure 6: Tendances historiques et projetées du forçage radiatif anthropogénique entre 1950 et 2100 relatives à la période préindustrielle (aux alentours de 1750). Modifié de Cubasch et al. (2013). Les quatre scénarios sont identifiées par le pic ou la valeur de stabilisation du forçage radiatif (exprimé en Wm 2, watts par mètre carré) au 21ème siècle dérivé par un modèle de référence, cf figure 6. Le scénario d émission le plus bas, RCP2.6, augmente à 3 Wm 2, puis diminue à environ 2.6 Wm 2 en 2100, le niveau d émission moyen-bas RCP4.5 et moyen-haut RCP6 se stabilisent respectivement autour de 4.5 et 6 Wm 2 en 2100, enfin le plus élevé RCP8.5 traduit un forçage radiatif de 8.5 Wm 2 en 2100, mais implique une augmentation au delà de cette date. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 8

11 Ces quatre scénarios RCP ont été sélectionnés à partir de la littérature, voir Moss et al. (2010) et Cubasch et al. (2013), sur la base de 300 scénarios. Les deux scénarios intermédiaires ont été choisis pour être à égale distance des deux extrêmes. Environ 10 % des 300 scénarios étudiés dépassent le scénario sélectionné le plus pessimiste, RCP8.5. De même, environ 10 % d entre eux ont des trajectoires inférieures au scénario le plus favorable, RCP2.6. Pour tous les RCP, les concentrations atmosphériques du C 2 sont plus élevées en 2100 qu actuellement, en raison d une poursuite de l augmentation du cumul des émissions de C2 dans l atmosphère au cours du 21ème siècle. Les scénarios AR4 A1B, A1 et B1 diffèrent par rapport aux RCP, pour l année 2000, du à une meilleure connaissance concernant les émissions depuis le précédent rapport d évaluation. éanmoins, on remarque que les RCP sont similaires au fil du temps Projections de la concentration de C 2 atmosphérique Bien que d autres cycles et rétroactions biogéochimiques jouent un rôle important dans l avenir du système climatique, nous nous limitons ici au cycle du carbone qui en représente la plus grande contribution. Ciais et al. (2013) et Hartmann et al. (2013) discutent de façon détaillée le cas des autres gaz les plus préoccupants, tels que le CH 4 et le 2 et Cubasch et al. (2013) illustrent l évolution de leur concentration atmosphérique selon les quatre scénarios RCP. La figure 7 présente les relevées historiques ainsi que les projections de la concentration de C 2 atmosphérique ConcentrationdeC (ppmv) RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP Année Figure 7: Données historiques et projections de la concentration de C 2 atmosphérique. Modifié de Cubasch et al. (2013). L augmentation exponentielle de la concentration de C 2 induit une augmentation approximativement linéaire du forçage radiatif en raison d un effet de saturation rapportent Collins et al. (2013). Le changement dans la concentration du dioxyde de carbone atmosphérique est la cause principale de la différence du forçage radiatif entre les scénarios. La contribution relative du C 2 dans le forçage radiatif anthropogénique total est, en 2010, environ 80 à 90 % et elle ne varie pas énormément entre les scénarios RCP, Collins et al. (2013). Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 9

12 2.2.3 Projections de la température moyenne de surface La figure 8 montre la variation de la température moyenne de surface relative à la période pour les quatre scénarios RCP. Les barres verticales indiquent les intervalles probables des moyennes de la température pour la période par rapport à La valeur médiane correspondante est indiquée sous la forme d une ligne horizontale blanche. 5.0 Moyennesur Variationdelatempérature( C) RCP2.6 RCP4.5 RCP6.0 RCP Année Figure 8: Variation de la température moyenne à la surface du globe relative à la période pour les quatre scénarios RCP. Modifié de Collins et al. (2013). Les températures moyennes mondiales vont continuer d augmenter au cours du 21ème siècle si les émissions de gaz à effet de serre se poursuivent. Sous les hypothèses de forçage radiatif des scénarios RCP, l augmentation des températures moyennes à la surface du globe pour la période , relativement à sera de 0.3 C à 1.7 C (RCP2.6), 1.1 C à 2.6 C (RCP4.5), 1.4 C à 3.1 C (RCP6.0) et 2.6 C à 4.8 C (RCP8.5). Relativement à la période , Collins et al. (2013) montrent que l augmentation de température dépassera 1.5 C pour les scénarios RCP4.5, RCP6.0 et RCP8.5, vers la fin du 21ème siècle. Ainsi, un réchauffement au delà du seuil critique de 2 C, seuil pour lequel il est communément admis que des changements climatiques importants sont à prévoir, est probable pour RCP4.5, RCP6.0 et RCP8.5. Le scénario le plus élevé (RCP8.5) qui correspondent à une émission croissante de gaz à forçage radiatif (équivalent à un fonctionnement inchangé de l économie) au cours des prochaines décennies, fait état d un réchauffement supérieur à 4 C. Pour le scénario le plus élevé (RCP8.5) et le plus faible (RCP2.6), la figure 9 illustre la variation de la température moyenne de surface à la fin du 21ème siècle ( ) relative à la période Le changement de température ne sera pas uniforme à l échelle régionale. Par exemple, les terres se réchaufferont plus vite que l océan. Le changement de la température moyenne globale de surface sur les terres sera supérieur à celui au dessus les mers par un facteur allant de 1.4 à 1.7 d après Collins et al. (2013). L Arctique se réchauffera plus rapidement que l ensemble du globe. Selon les scénarios, le changement de la température moyenne de surface de l Arctique est de 2.2 à 2.4 fois supérieur au réchauffement global moyen pour comparé à , voir Collins et al. (2013). Cette amplification polaire ne se retrouve pas dans les régions de l Antarctique probablement en grande partie grâce à la présence de l océan qui entoure le continent et absorbe l excès de température par un effet tampon et en partie aussi à la persistance de la calotte glaciaire de l Antarctique. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 10

13 RCP2. 6 RCP8. 5 ( C) Figure 9: Variation de la température moyenne à la fin du 21ème siècle à la surface du globe relative à la période pour les scénarios RCP2.6 (panel de gauche) et RCP8.5 (panel de droite). Modifié de Collins et al. (2013) Projections du niveau moyen global des mers Le niveau moyen mondial des mers continuera à s élever au cours du 21ème siècle. Selon tous les scénarios RCP, cette élévation se produira à un rythme plus rapide que celui observé entre 1971 et 2010, en raison du réchauffement accru de l océan et de la fonte des glaciers et des calottes glaciaires. La figure 10 montre les projections de l évolution du niveau moyen des mers à l échelle du globe au cours du 21ème siècle par rapport à la période Les intervalles probables estimés de la variation moyenne l évolution du niveau moyen des mers pour la période par rapport à sont indiqués par les barres verticales et la valeur médiane correspondante, sous la forme d une ligne horizontale blanche. Moyennesur Var i at i onduni veaudesmer s( m) RCP RCP4. 5 RCP RCP Année Figure 10: Evolution du niveau moyen des mers à l échelle du globe au cours du 21ème siècle relative à la période pour les quatre scénarios RCP. Modifié de IPCC (2013). L élévation moyenne du niveau des mers pour la période par rapport à est comprise entre 0.26 et 0.55 m pour le RCP2.6, entre 0.32 et 0.63 m pour le RCP4.5, entre 0.33 et 0.63 m pour le RCP6.0 et entre 0.45 et 0.82 m pour le RCP8.5 selon Church et al. (2013). Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 11

14 Pour le scénario RCP2.6 le rythme d élévation est approximativement constant (projection centrale 4.5 mm an 1 ), alors que l accélération se poursuit au cours du 21ème siècle, pour le scénario RCP8.5 dont le rythme moyen atteint 11 [8-16] mm an 1 pour la période Selon ce scénario, l élévation du niveau des mers sera alors comprise entre 0.52 et 0.98 m en 2100 par rapport à L élévation du niveau des mers ne sera pas uniforme. Le niveau des mers augmentera sur plus de 95 % environ de la surface des océans à la fin du 21ème siècle. Selon les projections, environ 70 % des littoraux du monde vont connaître un changement du niveau des mers proche de l élévation moyenne, Church et al. (2013). Dans tous les scénarios, la plus grande contribution provient de l expansion thermique qui représente environ 30 à 55 % des prévisions. La fonte des glaciers est l autre grand contributeur qui représente entre 15 et 35 % des projections. D ici 2100, 15 à 25 % du volume actuel des glaciers (hormis l Antarctique) devrait disparaitre selon le scénario RCP2.6, et entre 35 et 85 % selon RCP8.5, Church et al. (2013). Par ailleurs, le niveau moyen des mers continuera de s élever bien après 2100 dû à la dilatation thermique qui se poursuivra pendant de nombreux siècle. A titre indicatif, la figure 11 montre les zones potentiellement inondables en Europe du ord si le niveau des mers s élève de 1 et 3 mètres. Inondations1mètre Zonesinondées Inondations3mètres Zonesinondées (a) Elévation du niveau des mers de 1 mètre. (b) Elévation du niveau des mers de 3 mètres. Figure 11: Zones potentiellement inondables dans le nord de l Europe suite à l élévation du niveau des mers. Modifié de Center for Remote Sensing of Ice Sheets - University of Kansas et Haskell Indian ations University (2014). 2.3 Comment le changement climatique affecte les aléas extrêmes? Le changement climatique, qu il soit conduit par les forçages radiatifs naturels ou humains, peut entraîner des changements dans la probabilité de survenance ou de l intensité des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes, voir Seneviratne et al. (2012) pour une synthèse de l impact du changement climatique sur les évènements météorologiques et climatiques extrêmes. Le climat peut être représenté comme une distribution de probabilité, ou un histogramme de la fréquence avec laquelle se produisent les phénomènes météorologiques. En fonction de l élément étudié, du temps et de la localisation, une variété de distributions de probabilités sont possibles. Par exemple, la température moyenne globale est souvent représentée par une distribution normale (Wigley (2009)), les ondes de tempête par une Rayleigh (Khandekara and Swail (1995)) et la fréquence des précipitations moyennes par une Gamma (Groisman et al. (1999)). Ces distributions sont caractérisées par leur moyenne et leur variance. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 12

15 De part leur impact disproportionné sur la société et les écosystèmes par rapport aux changements du climat moyen, il est important de comprendre les changements dans les événements climatiques extrêmes. Seulement, la compréhension des modifications de la variabilité et des extrêmes climatiques est rendue difficile par les interactions entre changements de moyenne et de variabilité, voir Cubasch et al. (2013). Il s agit alors de regarder des événements qui se produisent dans les queues de la distribution et comprendre la manière dont ils sont affectés non seulement par des changements dans la moyenne, mais aussi par des changements dans la variance, ce qui permet de déterminer la forme de la distribution. Ainsi, pour les températures représentées par une distribution normale, la non-stationnarité de la distribution implique des changements de la moyenne et / ou de la variance. La figure 12 présente de façon schématique la distribution des températures du climat présent ainsi que l effet non linéaire du réchauffement climatique sur les événements extrêmes. L axe horizontal représente les températures, de froid à chaud alors que l axe vertical indique la probabilité d occurrence. Chacun des panels présente deux courbes, l une correspondant au climat précédent (en pointillé) et l autre au nouveau climat induit par le changement climatique (ligne pleine). Le climat actuel est centré sur la température moyenne. Il s agit de la température la plus probable du climat actuel. De plus, il y a une probabilité équivalente d avoir une température plus chaude ou plus froide que la moyenne. L aire sous la courbe du climat actuel est identique à gauche ou à droite de la température moyenne. Les températures présentes dans les queues de distribution du climat précédent ont une probabilité d occurrence relativement faible. Celles-ci correspondent aux extrêmes hauts et bas. La figure 12a présente une modification du climat où la température moyenne devient plus chaude, mais où la variabilité des températures du nouveau climat reste inchangée. Un accroissement de la moyenne conduit à une augmentation des températures maximales et minimales, mais n implique aucun changement de la variabilité. L écart entre les températures les plus chaudes et les plus froides ne change pas. La figure 12b illustre une situation où la température moyenne reste inchangée mais où la variabilité augmente. Dans ce cas, la variance des températures augmente mais la température la plus probable reste la même. De plus, les températures minimales et maximales deviennent plus extrêmes et la probabilité d avoir des températures plus froides et chaudes que la moyenne augmente. Un accroissement de la moyenne ainsi que de la variabilité est également possible, figure 12c. Dans ce cas, la distribution se déplace entièrement vers des températures plus chaudes, entrainant une augmentation des températures maximales. De plus, la probabilité d obtenir des températures plus chaudes que la moyenne augmente de façon encore plus importante que dans les cas précédents. Un événement extrême dans le climat actuel pourrait devenir plus fréquent (augmentation des températures maximales), ou plus rare (augmentation des températures minimales), sous des conditions climatiques futures. D autres combinaisons de changements à la fois de la moyenne et de la variabilité entraineraient des résultats différents. éanmoins, la situation présentée dans la figure 12c se rapproche le plus de celle observée, cf figure 15. En outre, pour les variables qui ne sont pas bien représentées par des distributions normales, comme pour les précipitations, la situation est encore plus complexe. Des modifications dans la précipitation totale moyenne peuvent être accompagnées d autres changements, comme la fréquence des précipitations ou la forme de la distribution, y compris sa variabilité. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 13

16 (a) Effets d un simple changement de la totalité de la distribution vers un climat plus chaud. (b) Effets d une augmentation de la variabilité des températures sans changement de la moyenne. (c) Effets d une augmentation combinée de la moyenne et de la variabilité, dans cet exemple une asymétrie accrue en direction de la partie chaude de la distribution. Figure 12: Effet des changements de la distribution des températures sur les extrêmes. Modifié de : Folland et al. (2001) et Cubasch et al. (2013) Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 14

17 Groisman et al. (1999) ont développé un modèle pour la fréquence des précipitations journalières sur la base d une distribution Gamma. Ils ont appliqué ce modèle à une variété de régions dans le monde (40 % de la superficie mondiale des terres) pour les précipitations les plus importantes. Dans le modèle utilisé, la précipitation totale moyenne est proportionnelle aux paramètres de forme et d échelle de la loi Gamma et à la probabilité de survenance des précipitations journalières. Le paramètre de forme a tendance à être relativement stable à la différence du paramètre d échelle. Ainsi, étant donné la constance du paramètre de forme, il est possible d illustrer les relations entre les changements dans la précipitation totale moyenne, la probabilité de survenances des précipitations et les changements dans les fortes précipitations. Compte tenu d aucun changement dans la fréquence des précipitations, une variation dans la moyenne totale des précipitations est amplifié par un plus grand pourcentage de variation de la fréquence des fortes précipitations, cf figure 13. Figure 13: Effets d un changement pour une distribution asymétrique telle que la fréquence des précipitations moyennes. Modifié de Groisman et al. (1999) et Cubasch et al. (2013) De nombreuses études régionales indiquent que les changements observés dans la fréquence des extrêmes peuvent être expliquées ou déduites par des changements de la distribution de probabilité globale de la variable climatique. Cependant, Hartmann et al. (2013) notent que ces études se réfèrent au nombre de dépassements d un seuil, que ce soit dans la fréquence ou dans la durée, qui suivent de près les variations moyennes. Les variations dans les percentiles élevés sont très sensibles aux changements des paramètres de forme et d échelle de la distribution ainsi que l emplacement géographique. Hartmann et al. (2013) rappellent que le débat se poursuit quant à savoir comment le changement de la variance ainsi que la moyenne affectent les phénomènes extrêmes comme illustré figures 12 et Les phénomènes météorologiques extrêmes Des vagues de chaleur aux épisodes froids ou des sécheresses aux pluies diluviennes, le relevé et l analyse des phénomènes climatiques extrêmes posent des défis uniques, non seulement parce que ces événements sont rares, mais aussi parce qu ils se produisent invariablement en conjonction d autres facteurs. En outre, il n y a pas de définition uniforme dans la littérature scientifique de ce qui constitue un événement climatique extrême, ce qui complique les comparaisons mondiales. Bien que, dans un sens absolu, un événement climatique extrême varie d un endroit à l autre, les efforts internationaux pour surveiller les évènements extrêmes ont mis en évidence certains changements globaux importants. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 15

18 2.4.1 Variations des températures extrêmes mondiales Les relevés de température terrestre indiquent, depuis le milieu du 20ème siècle, un réchauffement significatif et à grande échelle dans les extrêmes. La figure 14 montre les variations de la fréquence annuelle des températures extrêmes sur la période relative à , pour 14a les nuits froides, 14b les jours froids, 14c les nuits chaudes et 14d les jours chauds. 20 Variation(jours) HadEX2 HadGHCD GHCDEX Année 20 (a) uits froides. Variation(jours) HadEX2 HadGHCD GHCDEX Année (b) Jours froids. Variation(jours) HadEX2 HadGHCD GHCDEX Année (c) uits chaudes. Variation(jours) HadEX2 HadGHCD GHCDEX Année (d) Jours chauds. Figure 14: Variations de la fréquence annuelle des températures extrêmes mondiales sur la période relative à Modifié de Hartmann et al. (2013). Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 16

19 Les trois relevés utilisés, HadEX2 (Donat et al. (2013b)), HadGHCD (Caesar et al. (2006)) et GHCDEX (Donat et al. (2013a)), indiquent globalement des tendances significatives dans les extrêmes des températures associées avec le réchauffement. Le nombre de jours et de nuits chaudes ont augmenté tandis que les jours et les nuits froides ont diminué dans la plupart des régions du globe. Ces changements sont généralement plus marqués dans les températures extrêmes minimales, comme les nuits chaudes. Les changements dans le nombre de journées froides et chaudes (basées sur les températures maximales journalières) sont généralement moins apparents rappellent Hartmann et al. (2013). La figure 15 présente la distribution des variations de températures journalières 15a minimum et 15b maximum pour les périodes et relative à à partir des relevés HadGHCD. Les zones ombragées les plus claires représentent les 10 % plus froides et 10 % plus chaudes 15a nuits et 15b jours durant la période Les zones plus sombres indiquent de combien le nombre de jours et de nuits les plus froides a diminué et de combien le nombre de jours et de nuits les plus chaudes a augmenté au cours de la période par rapport à Probabilitéd occurrence Probabilitéd occurrence Variationdelatempérature( C) Variationdelatempérature( C) 15 (a) Températures journalières minimum. (b) Températures journalières maximum. Figure 15: Distribution des variations de températures journalières pour les périodes et relative à Modifié de Hartmann et al. (2013). Le déplacement de la distribution des températures nocturnes apparaît plus important que pour les températures diurnes. Que ces changements dans la distribution soient simplement associés à une augmentation de la moyenne des températures journalières (en pointillés figure 15) ou à d autres moments de la distribution des températures diurnes et nocturnes est encore un domaine de recherche actif, rappellent Hartmann et al. (2013). Car du fait des limites des relevés, il est difficile d établir un lien de cause à effet de la hausse des températures moyennes sur les extrêmes. Des études ont également évaluées le changement dans les vagues de chaleur (périodes marquées par des jours ou nuits consécutives extrêmement chaudes). Plusieurs vagues de chaleur de grande envergure ont eu lieu ces dernières années, par exemple en Europe en 2003, Australie en 2009, Russie en 2010 et Etats-Unis en 2010/2011. Les vagues de chaleur sont souvent associées à des variations de circulation anticycloniques quasi-stationnaires qui produisent des conditions chaudes prolongées à la surface, mais les changements à long terme dans la persistance de ces variations sont encore relativement mal connues, mentionnent Hartmann et al. (2013). Cependant, la plupart des zones terrestres mondiales (dont les données sont disponibles), notamment en Europe et Australie et à travers l Asie, connaissent une tendance à la hausse des épisodes de vagues de chaleur depuis le milieu du 20ème siècle. Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 17

20 Les changements dans les extrêmes relatifs aux autres variables climatiques sont généralement moins évidents que ceux observés pour la température, notamment à cause des limites des observations et des incohérences entre les études Variations des précipitations extrêmes terrestres L augmentation des précipitations extrêmes, par exemple, est compatible avec un climat plus chaud. La figure 16 présente les tendances concernant 16a le volume annuel des précipitations terrestres journalières supérieur au 95ème percentile et 16b l intensité des précipitations quotidiennes sur la période à partir des données HadEX2 (Donat et al. (2013b)). Les zones grises indiquent des données incomplètes ou manquantes. (a) Précipitations supérieur au 95ème percentile. (b) Intensité des précipitations. Figure 16: Tendances des précipitations terrestres quotidiennes sur la période (% par décennie). Modifié de Hartmann et al. (2013). Les analyses des précipitations terrestres (pour des régions avec suffisamment de données disponibles) indiquent une augmentation de la fréquence et de l intensité des événements extrêmes au cours de ces dernières décennies, voir Hartmann et al. (2013). Les résultats varient fortement entre les régions et les saisons. Par exemple il existe une tendance claire concernant une augmentation de la fréquence et de l intensité des épisodes de fortes précipitations en Amérique du ord et en Europe, mais pour d autres régions comme le sud de l Australie et de l Asie occidentale, la tendance diminue, cf figure 16. Par ailleurs, les études sur les périodes de sécheresse ne s entendent pas sur le signe de la tendance mondiale, du fait des incohérence des tendances régionales et d un manque d uniformisation dans les définitions des périodes de sécheresse compte tenu de la diversité des climats à travers le monde rappellent Hartmann et al. (2013). Toutefois, les données indiquent une augmentation des sécheresses dans certaines régions (Méditerranée ou Afrique de l uest) et une diminution dans d autres (Amérique du ord et ord-uest de l Australie) depuis le milieu du 20ème siècle Variations de l activité cyclonique Concernant les cyclones tropicaux, Hartmann et al. (2013) rappellent qu en raison de la limite des observations passées, il est difficile d émettre des affirmations définitives sur les tendances à long terme. La significativité statistique des tendances observées sur les données historiques de la fréquence des tempêtes est considérablement réduite après ajustements, afin de tenir compte des cyclones probablement manquants, cf figure 17 (en raison de la faible densité du trafic maritime reportant les tempêtes avant Université Claude Bernard Lyon 1 ISFA Page 18