MétéoSuisse - Extrêmes du climat

Les phénomènes du climat se présentent à nous sous forme d'événements d'ampleur et d'amplitudes diverses. Nous caractérisons d'extrêmes les plus rares d'entre eux, mais comment savons-nous qu'un événement est rare ? L'analyse statistique des valeurs extrêmes permet de calculer la fréquence d'événements rares, et même très rares, et ce malgré le fait que la longueur de la période d'observation soit limitée.

Relation entre période de retour et niveau de retour

Fig. 1 : Relation entre période de retour (abscisse) et niveau de retour (ordonnée) pour les précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds (bleu) entre 1961 et 2009. En vert: intervalles de confiance. Les lignes grises relient les 5 maxima annuels les plus élevés aux périodes de retour correspondantes.

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La figure 1 montre en bleu la relation entre l'intensité d'un événement et sa rareté. L'ordonnée représente les précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds, tandis que l'abscisse montre une grandeur dite « période de retour ». L'intensité d'un événement ayant une période de retour de 10 ans, par exemple, a une probabilité de 1/10 d'être dépassée en une année donnée, et ce une ou plusieurs fois. En moyenne, un tel événement aura donc lieu tous les 10 ans. Le 25 août 2002, les précipitations atteignirent 100.8 mm, excédant ainsi tous les événements entre 1961 et 2009. La figure 1 montre qu'un tel événement a lieu en moyenne tous les 70 ans. L'incertitude de l'estimation est représentée par les courbes vertes (intervalles de confiance). Ainsi, le même événement pourrait avoir une période de retour entre 20 et plus de 300 ans! Attention: ces intervalles de confiance ne disent rien sur les erreurs de mesure.

Pour qui ces informations sont-elles importantes ? Les événements extrêmes peuvent causer de grands dégâts humains et matériels. Nous ne pouvons guère empêcher ces catastrophes climatiques d'avoir lieu, mais nous pouvons en limiter les conséquences socio-économiques si nous connaissons leur fréquence. La fréquence d'un événement fournit un ordre de grandeur objectif de sa gravité. Comparée à la vulnérabilité ou à la durée de vie d'un lieu ou d'une construction, elle permet aux ingénieurs de dimensionner bâtiments et constructions, aux assurances de calculer leurs primes, et aux services publics d'avertir la population.

Applications : climatologie et analyse événementielle

Niveaux de retour des précipitations journalières estivales

Fig. 2 : Niveaux de retour [mm] des précipitations journalières estivales correspondant à une période de retour de 30 ans. La taille des points indique la longueur de la période d'analyse.

Périodes de retour des précipitations du 8 août 2007

Fig. 3 : Périodes de retour [années] des précipitations du 8 août 2007 (Rapport de travail de MétéoSuisse, 222).

Climatologie des extrêmes

On peut représenter sur une carte les niveaux de retour ayant une période de retour donnée. Ainsi, nous pouvons voir comment les extrêmes sont répartis géographiquement, et comparer avec nos connaissances climatiques. La figure 3 montre la quantité de précipitations journalières estivales correspondant à une période de retour de 30 ans. Les caractéristiques climatiques des différentes régions apparaissent clairement (Tessin, Valais, Préalpes).

Analyse événementielle

Les événements climatiques ne sont généralement pas localisés, mais balayent souvent une grande étendue. Une analyse événementielle, qui détermine la période de retour de l'événement à chaque station de mesure, permet de visualiser les régions atteintes de façon extrême. Un exemple d'analyse événementielle se trouve sur la figure 3.

Qu'est-ce qu'un extrême : outils statistiques

Les extrêmes peuvent être définis au moyen des maxima d'un paramètre (par exemple, précipitations, rafales, chute de neige, etc.) sur une période choisie, généralement 1 an. En effet, il se trouve que les maxima d'une distribution (presque) quelconque ont une distribution connue, qui porte le nom de General Extreme Value (GEV) distribution. La figure 4, par exemple, montre sur le panneau de gauche la série temporelle complète des précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds. Les maxima annuels sont entourés d'un cercle rouge. Le panneau central montre les mêmes données sous forme d'un histogramme vertical. Les maxima se trouvent en haut, dans la queue de la distribution. Un histogramme des maxima seuls est représenté dans le panneau de droite avec, en rouge, l'estimation de la distribution GEV. Périodes et niveaux de retour, ainsi que leurs intervalles de confiance, peuvent être déduits de la distribution estimée.

Nous pouvons volontiers vous informer sur les questions concernant les extrêmes du climat et rédiger pour vous des analyses. Rapports climatologiques et analyses approfondies

Analyse de série temporelle des précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds

Fig. 4 : A gauche, série temporelle des précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds avec les maxima annuels encerclés de rouge. Au milieu, histogramme des mêmes données, représenté à la verticale. A droite, histogramme des maxima annuels des précipitations journalières à La Chaux-de-Fonds. Ligne rouge: distribution estimée des extrêmes.

Références

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Bezzola G.R. und Hegg C. (Ed.) 2007. Ereignisanalyse Hochwasser 2005, Teil 1 - Prozesse, Schäden und erste Einordnung. Bundesamt für Umwelt BAFU, Eidgenössische Forschungsanstalt WSL, Umwelt-Wissen Nr. 0707. 215pp.
Bezzola G.R., Ruf W. (Ed.), 2009. Ereignisanalyse Hochwasser August 2007. Analyse der Meteo- und Abflussvorhersagen; vertiefte Analyse der Hochwasserregulierung der Jurarandgewässer. Umwelt-Wissen Nr. 0927. Bundesamt für Umwelt, Bern. 209pp.
Frei, C, 2006. Eine Länderübergreifende Niederschlagsanalyse zum August Hochwasser 2005, Ergänzung zum Arbeitsbericht 211. Rapports de travail de MétéoSuisse, 213, 10pp. (en allemand)
Frei C, Germann U, Fukutome S, Liniger M, 2008. Möglichkeit und Grenzen der Niederschlagsanalyse zum Hochwasser 2005. Rapports de travail de MétéoSuisse, 221, 21pp. (en allemand)
MeteoSchweiz (Hrsg.), 2006: Starkniederschlagsereignis August 2005.
Rapports de travail de MétéoSuisse, 211, 63pp. (en allemand)
MeteoSchweiz (Hrsg.), 2008: Meteorologische Ereignisanalyse des Hochwassers 8. bis 9. August 2007. Rapports de travail de MétéoSuisse, 222, 30pp. (en allemand)