Characterisation of changes in the overall distribution of precipitation in the Mediterranean region with climate change, in the past and in the future, considering both extreme rainfall and dry-days frequency.
Caractérisation de l’évolution de la distribution de précipitations en région Méditerranée avec le changement climatique, dans le passé et le futur, en considérant à la fois les pluies extrêmes et les jours secs
Résumé
Climate change is known to have consequences on both mean and extreme precipitations, with potentially threatening impacts on societies. The Mediterranean region is particularly affected, being a hotspot of temperature and precipitation changes: this region is expected to get much drier, but with more extreme precipitation. Though the two extremes of precipitation (absence of rain -drought, dry spells etc. - and very heavy precipitation) are each crucial and well-studied, the evolution of the rest of the rain distribution has been quite overlooked in the literature. Still its study might help to get a broader and more coherent picture of the evolution over the last decades. In the Mediterranean, we commonly expect a “water cycle paradox”, i.e. decreasing mean annual precipitation (“drying”) while very heavy precipitation intensify. Still these signal are still unclear in observations.In this work, we look at how the whole precipitation distribution changes in the Mediterranean region over the recent past and the future projections. We use ERA5 reanalysis data over 1950-2020, and Euro-Cordex simulations for 1950-2100, both at daily timescale. We develop a methodology to study the temporal trends of the precipitation quantiles and their statistical significance. We first focus on wet-days distribution (days with more than 1 mm/day) then study how the change in dry-days frequency can impact the distribution.For wet-days distribution, both ERA5 reanalysis and Euro-Cordex models show four different behaviors. Some places where the quantile trend curve displays a “U-shape”, with decreasing rain quantiles up to a given threshold (“inversion quantile”) and then an increasing distribution tail.This is assimilated with the “water cycle paradox”. Two additional behaviors are observed : regions where the wet-days precipitation quantiles decrease, and others where they all increases.By modeling the wet-days distribution with a simple Weibull law (2-parameters), we manage to get an analytical criterion to deduce the precipitation trend regime based on the two parameters. By studying the statistical significance of the Weibull parameters, we show that the U-shape behavior is not significant in ERA5 data, while the “all quantile intensify” behavior is significant over Northern Europe.In a second time, we come back to the all-days distribution and look how its trend can differ from the wet-days distribution’s, due to the change of dry-days frequency. We compare the relative weight of precipitation occurrence and intensity in precipitation changes. Our results show that in the Mediterranean, the changes of precipitation appear dominated by changes in dry-days frequency instead of wet-days intensity change.We finally apply the developed methodology to future projections, using a subset of 15 Euro-Cordex models. We first compare results on the past period (1950-2020) with ERA5 data: the Cordex signal is consistent but not as strong as in this reanalysis. This may be due to a temporal lag in Euro-Cordex compared to observations. We analyze further the emergence of the signal on precipitation throughout the 21st century.We then study the future period 2070-2100, where we find a very good multi-model agreement on the trends behaviors: most models agree about a “all wet-days quantiles intensify” over Europe together with an increase of wet-days frequency, while over the Mediterranean, a decrease of dry-days frequency and a small signal of increased intensity is projected. By using again the Weibull model and analytical approach, we show that the future all-days regimes are significant and that in the future as well, the Mediterranean all-days precipitation is widely dominated by the strong increase of dry-days frequency.
Le changement climatique affecte les précipitations moyennes et extrêmes, menaçant les sociétés. La Méditerranée est particulièrement touchée, et est considéré comme un point chaud (‘hot spot’) du changement climatique. Bien que les sécheresses et précipitations fortes soient bien étudiés, l’évolution de la distribution totale des pluies est peu examinée. Pourtant, son étude pourrait fournir une vue plus cohérente de l'évolution récente. En Méditerranée, on s'attend à un "paradoxe du cycle de l'eau" : une diminution des précipitations annuelles moyennes ("assèchement") accompagnée d'une intensification des très fortes précipitations.Dans cette thèse, nous analysons l'évolution des précipitations en Méditerranée, dans le passé récent et le futur. Nous développons une méthodologie pour examiner les tendances des quantiles de précipitations et leur signification statistique, en nous concentrant sur les jours de pluie (>1 mm/jour) puis en intégrant l'impact des jours secs sur la distribution totale.Pour la distribution des jours de pluie, les modèles de réanalyse ERA5 et Euro-Cordex présentent quatre types de comportements différents. Dans certains endroits, la courbe de tendance des quantiles présente une forme en "U", avec des quantiles de précipitations décroissants jusqu'à un seuil donné ("quantile d'inversion"), puis une queue de distribution qui augmente. Deux comportements supplémentaires sont observés : des régions où les quantiles de précipitations des jours de pluie diminuent, et d'autres où ils augmentent tous.En modélisant la distribution des jours de pluie par une simple loi de Weibull (2 paramètres), nous parvenons à obtenir un critère analytique pour déduire le régime de tendance des précipitations sur la base des deux paramètres. En étudiant la signification statistique des paramètres de Weibull, nous montrons que le comportement en forme de U n'est pas significatif dans les données ERA5, alors que le comportement "tous les quantiles s'intensifient" est significatif sur l'Europe du Nord.Dans un deuxième temps, nous revenons sur la distribution totale (« all-days ») et examinons comment sa tendance peut différer de celle de la distribution des jours de pluie, en raison du changement de la fréquence des jours secs. Nous comparons le poids relatif de l'occurrence et de l'intensité des précipitations dans les changements de précipitations. Nos résultats sur ERA5 montrent qu'en Méditerranée sur le passé, les changements de précipitations semblent dominés par les changements de fréquence des jours secs plutôt que par les changements d'intensité des jours de pluie.Enfin, nous appliquons la méthodologie développée ci-dessus aux projections futures, en utilisant un sous-ensemble de 15 modèles Euro-Cordex. Nous comparons d'abord les résultats sur la période passée (1950-2020) avec les données ERA5 : le signal Cordex est cohérent mais n'est pas aussi fort que dans cette réanalyse. Ceci peut être dû à un décalage temporel dans Euro-Cordex par rapport aux observations. Nous analysons plus en détail l'émergence du signal sur les précipitations tout au long du 21ème siècle. Nous étudions ensuite la période 2070-2100, où nous trouvons un très bon accord multi-modèle sur les comportements des tendances : en Europe, la plupart des modèles s'accordent sur une intensification de tous les quantiles de jours de pluie ainsi que sur une augmentation de la fréquence des jours de pluie, tandis que sur la Méditerranée, une diminution de la fréquence des jours secs et un petit signal d'augmentation de l'intensité sont projetés. En utilisant à nouveau le modèle de Weibull et une approche analytique, nous montrons que les futurs régimes de tous les jours sont significatifs, et que dans le futur aussi, les précipitations journalières en Méditerranée sont largement dominées par la forte augmentation de la fréquence des jours secs.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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