Reference : Climate change in Belgium: recent and future evolution of global radiation and hydroc...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Physical, chemical, mathematical & earth Sciences : Earth sciences & physical geography
http://hdl.handle.net/2268/229180
Climate change in Belgium: recent and future evolution of global radiation and hydroclimatic conditions favouring floods using the regional climate model MAR
English
Wyard, Coraline mailto [Université de Liège - ULiège > Département de géographie > Département de géographie >]
3-Dec-2018
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Philosophiae Doctor in Sciences
xxiii,173+18
Fettweis, Xavier mailto
François, Louis mailto
Tychon, Bernard mailto
Lang, Charlotte mailto
Erpicum, Michel mailto
Gallée, Hubert mailto
Hamdi, Rafiq mailto
[en] Belgium ; Climate change ; Regional climate modelling
[fr] Belgique ; Changements climatiques ; modélisation régionale du climat
[en] In Belgium, the future response of the climate to increasing greenhouse gas concentration is not clear, especially with regard to the perturbations of the precipitation regime, snow cover, and global radiation. On the one hand, existing studies show results which differ strongly either according to the future scenario, or from one model to another. On the other hand, there is even an absence of studies focussing on Belgium regarding future changes in snow cover and global radiation. Given their potential impacts on the society (water management, energy supply, biodiversity, tourism), future changes in precipitation, snow cover, and global radiation require further research. As the orography, the exposition to the dominant winds, and the proximity of the North Sea determine a large spatial variability in the Belgian climate, the latter requires a fine representation of these features to be properly simulated. Compared to global climate models (GCM), regional climate models (RCM) are recognized for their ability to represent climatic phenomena with higher spatial resolutions.

In the framework of this doctoral thesis, the RCM MAR (for "Modèle Atmosphérique Régional" in French), which is developed at the Laboratory of Climatology and Topoclimatology of the University of Liège, was applied for the first time to Belgium. The aim was first to assess the performances of MAR over Belgium and then to study the current and future evolution of hydroclimatic conditions favouring floods, and also the current and future evolution of global radiation. For this purpose, historical simulations were performed over 1959-2014. Future projections (2006-2100) were then performed under the most pessimist IPCC future scenario (RCP8.5). The horizontal resolution used for both historical and future simulations is 5 km.

By comparing the MAR outputs to ground-based measurements from 20 weather stations over 2008-2014, the results show that MAR successfully simulates the spatial and temporal variability of the Belgian climate. In fact, the biases found in the MAR results are non-significant and the correlation coefficients are satisfying with regard to temperature, precipitation, snow height, global radiation and cloudiness. The MAR results are particularly satisfying during the winter months and in High Belgium where the climate is the coldest.

Regarding hydroclimatic conditions favouring floods, we focused on the Ourthe catchment. In this river, about 70 % of floods occur during the winter months and result from either the rapid melting of the snow pack covering the Ardennes eventually combined with rainfall or abundant rainfall alone. The current evolution of hydroclimatic conditions favouring floods was first assessed for the period 1959-2010. Conditions favouring floods in the Ourthe River present a negative trend over 1959–2010 as a result of a decrease in snow accumulation and a shortening of the snow season. Regarding the impact of the evolution of extreme precipitation events on hydroclimatic conditions favouring floods, the signal is less clear because the trends depend on the data used to force the MAR model. By the end of the 21st century, under the most pessimist scenario, the results show an acceleration of the snow cover depletion resulting in a decrease in conditions favouring floods. Further, the impact of the evolution of extreme precipitation events on hydroclimatic conditions favouring floods, no significant change was found although these trends are subject to uncertainties due to the deficiencies of the convective scheme of MAR.

Regarding global radiation, its current evolution was first assessed for the period 1959-2010. In addition, we consider two distinct periods in our analysis: 1959-1979 (dimming) and 1980-2010 (brightening). For both the dimming and the brightening periods, our results show that the annual global radiation trends are mainly driven by global radiation changes in spring and summer. The increase in global radiation observed in Belgium since the 1980s and especially since the 2000s could mainly be explained by a decrease in low and medium cloud cover. This would strengthen the effect of the decrease in aerosol load on global radiation that has been observed in Europe since the 1980s. The origin of these changes in cloudiness is not clear and could result from changes in both aerosol-cloud interactions and atmospheric-circulation, such as more frequent tropical air advections and more frequent anticyclonic conditions over Western Europe due to the poleward shift of extratropical storm tracks. These changes in the atmospheric circulation may result from global warming and may persist in the future. In fact, by the end of the 21st century, under the most pessimist scenario, the models simulate an increase in the blocking regime frequency in summer over Europe. For Belgium, this implies more frequent anticyclonic conditions favouring cloudless conditions. The future projections performed with MAR exhibit significant decreasing total cloud cover, and particularly decreasing low and medium cloud cover. However, this declining cloud cover leads to contrasting changes in global radiation depending on the data used to force MAR.
[fr] En Belgique, les impacts de l'augmentation des concentrations en gaz à effet de serre dans l'atmosphère sur le climat futur ne sont pas clairs, surtout en ce qui concerne le régime de précipitation, l'enneigement ou encore le rayonnement solaire reçu à la surface de la Terre. D'un côté, les études montrent des résultats qui varient fortement selon le scénario futur utilisé ou selon le modèle utilisé. D'un autre côté, aucune étude récente ne s'est intéressée aux changements futurs de l'enneigement et du rayonnement solaire en Belgique. Étant donné les impacts sociétaux (gestion de l'eau, approvisionnement en énergie, biodiversité, tourisme) que des changements dans ces variables pourraient provoquer, il apparaît nécessaire d'étudier le sujet plus en détails. Comme l'orographie, l'exposition aux vents dominants et la proximité avec la Mer du Nord entraînent une grande variabilité spatiale du climat de la Belgique, il est important que ces éléments soient finement représentés pour modéliser correctement le climat en Belgique. Par rapport aux modèles climatiques globaux (GCM), les modèles climatiques régionaux (RCM) permettent de modéliser à haute résolution spatiale ces éléments.

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, le RCM MAR (Modèle Atmosphérique Régional), développé au Laboratoire de Climatologie de l'Université de Liège, a été utilisé pour la première fois sur la Belgique. Le but était tout d'abord, d'évaluer les performances du MAR sur la Belgique, ensuite, d'étudier l'évolution actuelle et future des conditions climatiques favorisant les inondations, de même que celles affectant le rayonnement solaire. Dans cette optique, le climat a d'abord été reconstitué sur la période historique (1959-2014). Des projections futures ont ensuite été réalisées en considérant le scénario le plus pessimiste du GIEC (le RCP8.5). Il faut signaler que ces simulations ont été réalisées à 5 km de résolution.

La comparaison des résultats du MAR avec des mesures issues de 20 stations météorologiques réalisées entre 2008 et 2014 a montré que MAR parvenait à simuler la variabilité spatiale et temporelle du climat de la Belgique. Les biais sont en effet non-significatifs et les coefficients de corrélation sont satisfaisants en ce qui concerne la température de l'air, les précipitations, la hauteur de neige, le rayonnement solaire et la couverture nuageuse. Les résultats du MAR sont particulièrement satisfaisants en hiver et en Haute Belgique où le climat est le plus froid.

En ce qui concerne les conditions climatiques favorisant les inondations, nous nous sommes concentrés sur le bassin versant de l'Ourthe. Dans cette rivière, environs 70 % des inondations se produisent en hiver et sont générées soit par la fonte rapide du manteau de neige qui recouvre l'Ardenne, éventuellement combinée à des précipitations, soit par des précipitations abondantes seules. L'évolution actuelle des conditions climatiques favorisant les inondations a d'abord été évaluée sur la période 1959-2010. Durant cette période, les conditions climatiques favorisant les inondations dans l'Ourthe présentent une tendance négative en raison d'une diminution des accumulations de neige au sol et d'un raccourcissement de la saison d'enneigement. L'impact de l'évolution des précipitations extrêmes sur les conditions favorables aux inondations n'est cependant pas clair car les tendances diffèrent selon le set de données utilisé pour forcer MAR. D'ici la fin du 21e siècle, sous le scénario le plus pessimiste, les résultats montrent une accélération de la diminution de l'enneigement provoquant une diminution des conditions climatiques favorables aux inondations. Par ailleurs, en ce qui concerne l'impact de l'évolution future des précipitations extrêmes sur les conditions favorables aux inondations, aucune tendance significative n'a été mise en évidence. Il faut toutefois signaler que cette tendance est sujette à de grandes incertitudes en raison des déficiences du MAR pour la simulation des précipitations convectives.

En ce qui concerne le rayonnement solaire reçu en surface, son évolution actuelle a tout d'abord été étudiée sur la période 1959-2010. En outre, nous avons considéré deux périodes distinctes dans notre analyse : la période 1959-1979 caractérisée par une diminution du rayonnement solaire, et la période 1980-2010 caractérisée par une ré-augmentation. Quelle que soit la période étudiée, les résultats montrent que les tendances dans le rayonnement solaire moyen annuel sont dirigées par les changements survenus au printemps et en été. L'augmentation du rayonnement solaire observée en Belgique depuis les années 1980 et surtout depuis les années 2000 proviendrait principalement d'une diminution de la couverture de nuages bas et moyens. Il en résulterait un renforcement de l'effet de la diminution des concentrations en aérosols dans l’atmosphère sur le rayonnement solaire qui est observée en Europe depuis les années 1980. L'origine de la diminution de la nébulosité n'est toutefois pas claire. Ces changements pourraient résulter à la fois de changements dans les interactions entre les aérosols et les nuages mais aussi de changements survenus dans le circulation atmosphérique, comme par exemple des advections plus fréquentes d'air tropical ou des conditions anticycloniques plus fréquentes, provoquées par un déplacement vers le nord des trajectoires suivies par les tempêtes extra-tropicales. Ces changements dans la circulation atmosphérique pourraient eux-mêmes être générés par le réchauffement du climat et pourraient ainsi persister dans le futur. En effet, d'ici la fin du 21e siècle, sous le scénario le plus pessimiste, les modèles prévoient une augmentation de la fréquence des blocages atmosphériques en été sur l'Europe. Pour la Belgique, cela implique des conditions anticycloniques plus fréquentes favorisant les conditions sans nuage. D'ici la fin du siècle, les projections réalisées avec MAR montrent en effet une diminution significative de la couverture nuageuse, et surtout celle des nuages bas et moyens. Cependant, ce déclin de la couverture nuageuse génère des changements de rayonnement solaire contrastés suivant les données utilisées pour forcer MAR.
Sphères - SPHERES
Fonds pour la formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (Communauté française de Belgique) - FRIA
Researchers ; Professionals ; Students
http://hdl.handle.net/2268/229180
10.5281/zenodo.3242346

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