Abstract :
[en] Five years later, parts of Belgium are still recovering from the impacts of the July 2021
floods. These have been associated with record-breaking precipitation totals at various
locations, as well as anomalous river discharges. In a context of global warming, this
event raises several questions concerning the future of hydroclimatic risk in Belgium.
This thesis investigates how Regional Climate Models and hydrological models can be
used to assess expected changes in the intensity and frequency of extreme precipitation
events and subsequent peak discharges. To address these questions, it combines statistical
tools such as Extreme Value Analysis, bias adjustment of climatic inputs, and large-scale
atmospheric analyses.
As a first step, Extreme Value Analysis is applied to precipitation outputs from the
Regional Climate Model MAR to study the evolution of extreme precipitation across
accumulation durations ranging from 1 to 72 hours. MAR is one of the model members
of the CORDEX-Be.2 project (Coordinating Downscaling Model expertise in Belgium),
which aims to inform Belgian stakeholders about the evolution of climate risks in
Belgium. This analysis also provides an evaluation of MAR’s ability to represent extreme
precipitation events and thereby informs its future users about its performance.
Using future IPCC socio-economic scenarios and a set of six CMIP6 Earth System
Models (ESMs), our results show that extreme precipitation events broadly follow
Clausius–Clapeyron scaling, with a 5–7% increase in intensity per additional degree
of global warming across all accumulation durations. However, regional variations
emerge, with some locations exhibiting scaling rates exceeding the Clausius–Clapeyron
relationship. Moreover, depending on the ESM used to force MAR, the intensity and
timing of the most severe projected extreme precipitation events can vary substantially.
This variability in the timing and intensity of extreme events, reflecting the natural
variability of the climate system, further motivates the study of a particular class of
large-scale weather patterns: cut-off lows (COLs). These high-altitude depressions can
lead to severe weather and have been associated with the July 2021 floods in Belgium,
as well as other high-impact events across Europe, such as the October 2024 Valencia
vfloods. Despite their importance in generating severe weather, studies investigating the
contribution of these systems to extreme precipitation events remain scarce.
Therefore, as a second step, using climate reanalyses, ESM outputs, and MAR
simulations, a detection and association algorithm is developed to investigate the evolution
of COL-associated precipitation events in the past and future at both European and
Belgian scales. The results show that the timing of these events exhibits substantial
natural variability and that COLs contribute to a large fraction of the most severe extreme
precipitation events in both Europe and Belgium. Moreover, changes in the number of
COL-associated events become significant only when high precipitation thresholds are
considered. This suggests that their evolution is not primarily driven by an increase
in the absolute number of COLs, but rather by changes in the intensity of precipitation
associated with these systems and other processes discussed throughout this thesis.
Finally, to assess how these climatic evolutions translate into the hydroclimatic system,
the MAR-WOLFHydro modelling chain is used. WOLFHydro is a hydrological modelling
package allowing the use of various hydrological models. Four hydrological models are
forced by future MAR outputs to assess the sensitivity of the hydroclimatic response to
the structure of the hydrological models themselves. Tested over the Ourthe catchment,
these hydrological model simulations reveal that the scaling of peak discharges with
global warming can exceed the scaling of extreme precipitation. They also highlight the
influence of natural climate variability, with the occurrence of the most extreme flood
events remaining largely stochastic.
Therefore, this thesis contributes to improving our understanding of future hydrocli-
matic risks by combining expertise in regional climate and hydrological modelling. At
the same time, it highlights the uncertainties inherent in both the natural climate system
and the modelling frameworks used to investigate its future evolution.
[fr] Cinq ans après les inondations de juillet 2021, certaines régions de Belgique se
remettent encore de leurs impacts. Ces inondations ont été associées à des cumuls de pré-
cipitations records à différents endroits, ainsi qu’à des débits fluviaux exceptionnellement
élevés. Dans un contexte de réchauffement climatique, cet événement soulève plusieurs
questions concernant l’évolution future des risques hydroclimatiques en Belgique. Cette
thèse étudie comment les modèles climatiques régionaux et les modèles hydrologiques
peuvent être utilisés pour évaluer les changements attendus dans l’intensité et la fréquence
des précipitations extrêmes et des débits de pointe associés. Pour répondre à ces questions,
elle combine des outils statistiques tels que l’analyse des valeurs extrêmes, la correction
des biais des données climatiques et l’analyse des circulations atmosphériques à grande
échelle.
Dans un premier temps, une analyse des valeurs extrêmes est appliquée aux pré-
cipitations simulées par le modèle climatique régional MAR afin d’étudier l’évolution
des distributions des précipitations extrêmes pour des durées d’accumulation allant de
1 à 72 heures. MAR fait partie des modèles du projet CORDEX-Be.2 (Coordinating
Downscaling Model expertise in Belgium), qui vise à informer les parties prenantes belges
sur l’évolution des risques climatiques en Belgique. Cette analyse permet également
d’évaluer la capacité de MAR à représenter les précipitations extrêmes et ainsi d’informer
ses futurs utilisateurs sur ses performances.
À l’aide de scénarios socio-économiques futurs du GIEC et d’un ensemble de
six modèles du système Terre (ESMs) issus de CMIP6, nos résultats montrent que les
précipitations extrêmes suivent globalement une relation de type Clausius–Clapeyron, avec
une augmentation de leur intensité de 5–7 % par degré supplémentaire de réchauffement
climatique, pour l’ensemble des durées d’accumulation considérées. Toutefois, des
variations régionales apparaissent, certains endroits présentant des taux d’augmentation
supérieurs à la relation de Clausius–Clapeyron. De plus, selon l’ESM utilisé pour forcer
MAR, l’intensité et le moment d’occurrence des événements de précipitations extrêmes
les plus sévères projetés peuvent varier considérablement.
Cette variabilité du timing et de l’intensité des événements extrêmes, reflétant la
viivariabilité naturelle du système climatique, motive l’étude d’une classe particulière de
configurations météorologiques à grande échelle : les gouttes froides (cut-off lows, COLs).
Ces dépressions d’altitude peuvent engendrer des conditions météorologiques sévères et
ont notamment été associées aux inondations de juillet 2021 en Belgique, ainsi qu’à
d’autres événements majeurs en Europe, tels que les inondations de Valence en octobre
2024. Malgré leur importance dans la génération de phénomènes météorologiques sévères,
les études portant sur la contribution de ces systèmes aux événements de précipitations
extrêmes restent rares.
Dans un deuxième temps, à l’aide de réanalyses climatiques, de sorties d’ESMs
et de simulations MAR, un algorithme de détection et d’association est développé afin
d’étudier l’évolution passée et future des événements de précipitations associés aux COLs,
à l’échelle européenne et belge. Les résultats montrent que le moment d’occurrence de
ces événements présente une variabilité naturelle importante et que les COLs contribuent
à une part importante des événements de précipitations extrêmes les plus sévères, tant en
Europe qu’en Belgique. De plus, les changements dans le nombre d’événements associés
aux COLs deviennent significatifs uniquement lorsque des seuils élevés de précipitations
sont considérés. Cela suggère que leur évolution n’est pas principalement liée à une
augmentation du nombre absolu de COLs, mais plutôt à des changements dans l’intensité
des précipitations associées à ces systèmes et à d’autres processus discutés dans cette
thèse.
Enfin, afin d’évaluer comment ces évolutions climatiques se traduisent dans le système
hydroclimatique, la chaîne de modélisation MAR-WOLFHydro est utilisée. Quatre modèles
hydrologiques sont forcés par les sorties futures de MAR afin d’évaluer la sensibilité de
la réponse hydroclimatique à la structure des modèles hydrologiques eux-mêmes. Testés
sur le bassin de l’Ourthe, ces modèles hydrologiques montrent que l’évolution des débits
de pointe avec le réchauffement climatique peut être supérieure à celle des précipitations
extrêmes. Ils mettent également en exergue l’influence de la variabilité naturelle du climat,
l’occurrence des événements de crue les plus extrêmes demeurant largement stochastique.
Ainsi, cette thèse contribue à améliorer notre compréhension des risques hydrocli-
matiques futurs en combinant les approches de modélisation climatique régionale et de
modélisation hydrologique. Elle met également en évidence les incertitudes inhérentes à
la fois au système climatique naturel et aux modèles utilisés.
