Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire d'hydrologie et aménagements HYDRAM)

Quantification of modelling uncertainties in climate change impact studies on water resources : application to a glacier-fed hydropower production system in the Swiss Alps

Schäfli, Bettina ; Musy, André (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3225.

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    Summary
    This PhD thesis presents the development of a methodological framework to analyse potential climate change impacts on a high mountainous water resources system and to quantify the associated modelling uncertainties. The main objective is to show whether state-of-the-art hydrological modelling techniques driven by currently available climate change scenarios enable a prediction of the long-term evolution of the analysed system. The case study is a highly glacierized catchment feeding a hydropower plant located in the Swiss Alps. The climate change impact analysis is based on a classical simulation approach: The system behaviour is modelled for an observed control period (1961 to 1990) and for a future period (2070 to 2099) characterised by a modified (predicted) climate. The climate change impact on the studied system is assessed through the comparison of some key characteristics of the system for the two periods (e.g. the mean annual discharge or the hydropower production). The system simulation is completed through a set of four models, a water management model, a hydrological discharge model, a glacier surface evolution model and a model for the production of local scale meteorological time series (precipitation and temperature) based on global and regional climate model outputs. The local scale models have been specifically developed for the purposes of this thesis. For each of them, an appropriate statistical method for the quantification of the inherent modelling uncertainties has been developed. A special emphasis is given to the modelling uncertainties induced by the conceptual hydrological model. A method has been developed to quantify the statistical and the multi-objective modelling uncertainty in a multi-model framework including several equivalent model structures. This method has been specially designed for the quantification of the prediction uncertainty in climate change impact studies but it is transposable to other hydrological modelling contexts. The overall prediction uncertainty and the contribution of each source of modelling uncertainty is quantified through Monte Carlo simulations of the system behaviour combining successively the different sources of modelling uncertainty. It is shown that the uncertainties induced by the prediction of the climate evolution are much higher than the ones induced by the local scale models of the system behaviour. The uncertainty related to the use of different regional climate models is however nearly as important as the one due to the choice of the underlying global climate model and the green house gas emission scenario. Using a fixed hydrological model structure, the predicted climate evolution induces a significant reduction of the hydropower production performance due to a considerable hydrological regime modification. The available data, the current discharge modelling techniques and the knowledge about the underlying processes are however not sufficient to chose an objectively best model structure. Considering the multi-model approach (including different hydrological model structures), an unambiguous prediction of the hydrological reaction to the analysed climate change reveals impossible at the given temporal horizon.
    Résumé
    Cette thèse de doctorat présente le développement d'un cadre méthodologique pour l'analyse des impacts potentiels d'un changement climatique sur un système de ressources en eau de haute montagne et pour la quantification des incertitudes associées. L'objectif principal est de déterminer si les méthodes actuelles de modélisation hydrologique et les scénarios de changement climatique disponibles permettent de prédire l'évolution à long terme du système analysé. Le cas d'étude est un bassin versant des Alpes suisses à forte couverture glaciaire, exploité pour la production hydroélectrique. L'analyse du changement climatique y est effectuée selon une approche de simulation classique : le comportement du système est modélisé pour une période de contrôle observée (1961 à 1990) et pour une période future (2070 à 2099) caractérisée par une modification (projetée) du climat. L'impact résultant du changement climatique est quantifié à travers d'un ensemble de caractéristiques clé du système (p. ex. la production hydroélectrique annuelle) simulés pour les deux périodes. La simulation s'effectue à l'aide de quatre modèles, un modèle de gestion de l'eau, un modèle hydrologique, un modèle d'évolution de la surface glaciaire et un modèle de génération de séries temporelles locales de précipitations et de température à partir de résultats de modèles climatiques globaux et régionaux. Les modèles à l'échelle locale ont été développés spécifiquement pour ce travail de recherche. Ils sont accompagnés chacun d'une méthode statistique de quantification des incertitudes de modélisation inhérentes. Les incertitudes liées au modèle hydrologique conceptuel sont étudiées plus en détail. Une méthode a été développée pour quantifier l'incertitude statistique et multi-objective dans une approche multi-modèles analysant simultanément différentes structures équivalentes du modèle. Développée spécifiquement pour une application aux études de changements climatiques, cette méthode peut être transposée à d'autres problèmes de modélisation hydrologique. L'incertitude liée à chaque modèle et l'incertitude totale sont quantifiées par des simulations Monte Carlo du comportement du système en combinant successivement les différentes sources d'incertitudes. Cette évaluation permet de montrer que l'incertitude issue de la prévision de l'évolution climatique est considérablement plus importante que celle liée aux modèles décrivant la réaction du système étudié. La modélisation de la réponse du climat régional à un changement climatique global introduit par contre autant d'incertitude dans la réponse du régime hydrologique que ce seul changement climatique global. Simulant le comportement du système avec un modèle hydrologique prédéfini, les scénarios climatiques étudiés montrent une évolution vers une réduction importante de la performance de la production hydroélectrique. Les données disponibles, les techniques de modélisation actuelles et la connaissance des processus hydrologiques ne permettent cependant pas de déterminer objectivement la meilleure structure de modèle. Dans le cadre d'une approche multi-modèles (incluant différentes structures de modèle hydrologique), on peut montrer qu'il n'est pas possible d'effectuer une prévision univoque de la réaction du système hydrologique à un changement climatique pour l'horizon temporel retenu.