Spatio-Temporal Disaggregation of CMIP6 Rainfall Datasets and Generation of Intensity Duration Frequency (IDF) Curves for Hyderabad Metropolitan City, India

Les villes ne sont pas seulement des collections de bâtiments ; ce sont des systèmes complexes et vivants où la météo se comporte différemment que dans la campagne ouverte. Lorsqu'une pluie abondante tombe, le sol d'une ville ne peut pas l'absorber comme peut le faire le sol d'une forêt. Au lieu de cela, l'eau dévale le béton et l'asphalte, remplissant les drains et les rues avec une rapidité terrifiante. Pour concevoir les tuyaux et les canaux qui maintiennent la sécurité d'une ville, les ingénieurs s'appuient sur un type spécifique de carte appelé courbe d'intensité-durée-fréquence. Cette carte ne montre pas la géographie, mais plutôt la relation statistique entre l'intensité de la pluie, la durée de l'orage et la fréquence à laquelle de tels orages se produisent. Elle indique aux planificateurs, par exemple, quelle quantité d'eau un drain doit gérer si une tempête déverse une certaine quantité de pluie en une heure par rapport à six heures. Cependant, ces cartes deviennent obsolètes. À mesure que le climat mondial se réchauffe, les modèles de précipitations changent, devenant plus erratiques et intenses. Les anciennes cartes, dessinées à partir de décennies de météo passée, ne reflètent plus la réalité d'une atmosphère changeante.

Le défi pour les scientifiques est que les outils utilisés pour prédire la météo future, connus sous le nom de modèles climatiques mondiaux, sont trop grossiers pour voir les détails d'une seule ville. Ces modèles divisent le monde en grandes grilles, souvent de centaines de milles de large, ce qui est trop vaste pour capturer les éclats de pluie spécifiques et violents qui inondent les zones urbaines. De plus, ces modèles prédisent généralement les précipitations par tranches quotidiennes, mais les systèmes de drainage urbain ont besoin de savoir ce qui se passe heure par heure. Pour combler ce fossé, les chercheurs doivent prendre les prédictions quotidiennes larges issues des modèles mondiaux et les décomposer en les détails horaires fins dont les ingénieurs ont besoin. Ce processus implique deux étapes : d'abord, corriger les modèles pour qu'ils correspondent à l'historique météorologique local, et deuxièmement, diviser les totaux quotidiens en modèles horaires réalistes.

Une équipe de chercheurs dirigée par Naresh Aadhi et ses collègues de l'Université d'Osmania en Inde a abordé ce problème pour Hyderabad, une région métropolitaine massive sur le plateau du Deccan. Hyderabad fait face à un mélange climatique unique, située à l'intersection des conditions tropicales humides et de la sécheresse semi-aride. La ville dépend fortement de la mousson du sud-ouest pour la majeure partie de ses pluies, mais ces dernières années ont vu une tendance inquiétante : moins de jours de pluie au total, mais ceux qui surviennent apportent l'eau avec une intensité dangereuse. En 2020, la ville a enregistré plus de 250 millimètres de pluie en une seule journée, provoquant des inondations sévères. Pour préparer l'avenir, l'équipe devait comprendre comment ces tempêtes extrêmes de courte durée pourraient changer d'ici la fin du siècle. Ils se sont tournés vers la dernière génération de modèles climatiques mondiaux, spécifiquement le Projet d'intercomparaison des modèles couplés, phase 6 (CMIP6), qui offre les simulations les plus avancées du futur climat terrestre.

Les chercheurs ont commencé par sélectionner huit modèles climatiques mondiaux différents pour voir lesquels pouvaient le mieux reproduire l'historique des précipitations d'Hyderabad. Ils ont utilisé 45 ans d'enregistrements réels de précipitations provenant d'une seule station météorologique de la ville, s'étendant de 1969 à 2013, comme référence. Ils ont testé les modèles selon quatre caractéristiques clés de la pluie : la quantité moyenne, la variabilité ou la façon dont la pluie fluctue d'un jour à l'autre, le schéma des heures humides et sèches, et la relation entre la pluie d'une heure et celle de l'heure suivante. Les résultats furent révélateurs. Aucun modèle n'était parfait en tout. Un modèle, CNRM-ESM2-1, était le meilleur pour obtenir juste la moyenne des précipitations. Un autre, BCC-CSM2-MR, était le meilleur pour correspondre aux fluctuations naturelles de la pluie. En ce qui concerne le rythme des périodes humides et sèches, les modèles ont eu des difficultés, prédisant souvent trop d'heures sèches. Cette découverte a souligné une vérité difficile pour la science climatique : il n'existe pas de modèle unique « idéal ». Le choix du modèle auquel faire confiance dépend entièrement de l'aspect spécifique de la pluie qui est le plus important pour la tâche à accomplir.

Une fois les modèles corrigés pour correspondre au passé, l'équipe a dû résoudre la seconde partie du puzzle : transformer les totaux de précipitations quotidiens en données horaires. Ils ont testé trois approches mathématiques différentes pour ce faire. La première, connue sous le nom de modèle de Bartlett-Lewis, traite la pluie comme une série de pulsations qui se regroupent. La seconde, la Cascade Microcanonique, décompose la journée comme un arbre de branchement, divisant le total de la pluie en morceaux de plus en plus petits tout en veillant à ce que le montant total reste le même. La troisième méthode, le K-Plus Proche Voisin (K-Nearest Neighbor), fonctionne en observant les jours passés ayant des schémas météorologiques similaires et en empruntant leurs décompositions horaires pour créer de nouveaux scénarios réalistes. En faisant fonctionner ces trois méthodes contre les modèles mondiaux corrigés, l'équipe a généré des milliers de séquences horaires de précipitations futures possibles.

Avec ces séquences à haute résolution en main, les chercheurs ont construit de nouvelles courbes d'intensité-durée-fréquence pour Hyderabad. Ils ont examiné deux mondes futurs différents : un monde où les émissions de gaz à effet de serre sont stabilisées à un niveau moyen, et un autre où elles continuent de croître à un taux élevé. Ils ont examiné deux périodes de temps : le futur proche, de 2015 à 2056, et le futur lointain, de 2057 à 2100. Les résultats dressent un tableau clair et préoccupant pour l'infrastructure de la ville. Les simulations suggèrent que le risque de tempêtes extrêmement courtes et intenses augmente considérablement. Sous le scénario d'émissions moyennes, les modèles projettent que les tempêtes d'une heure pourraient atteindre des intensités d'environ 250 millimètres par heure dans un avenir proche. C'est une quantité d'eau phénoménale à tomber en un laps de temps aussi court. Les tempêtes de trois heures étaient également projetées comme sévères, atteignant environ 85 millimètres par heure.

Il est intéressant de noter que la gravité de ces rafales courtes n'a pas nécessairement augmenté à mesure que le siècle progressait. L'intensité des tempêtes d'une heure et de trois heures dans le futur lointain (2057–2100) est restée globalement similaire aux projections du futur proche, suggérant que la ville fait face à un risque accru de ces types d'événements extrêmes spécifiques pour le reste du siècle, que les émissions soient élevées ou moyennes. Cependant, l'histoire est différente pour les tempêtes plus longues. Les intensités de précipitations de six heures et de douze heures, plus typiques de la saison de la mousson, sont restées dans les plages que la ville a historiquement connues. Cela indique que la menace principale pour Hyderabad n'est pas un changement dans la durée de la saison des pluies, mais une augmentation dramatique de la violence des averses les plus courtes et les plus soudaines.

L'étude a également mis en évidence quels outils fonctionnaient le mieux pour ce travail spécifique. Les chercheurs ont constaté que la méthode du K-Plus Proche Voisin et la méthode de la Cascade Microcanonique étaient particulièrement efficaces pour reproduire les schémas des tempêtes les plus intenses, surtout lorsqu'elles étaient couplées au modèle climatique mondial MIROC6. Alors que d'autres modèles avaient tendance à surestimer l'intensité de pointe des tempêtes d'une heure, le modèle MIROC6 suivait étroitement les tendances historiques observées. Cela donne aux ingénieurs une combinaison d'outils spécifique et fiable à utiliser lors de la conception de futurs systèmes de drainage. Les conclusions constituent un avertissement flagrant : les anciennes règles de construction des infrastructures urbaines ne sont plus suffisantes. À mesure que le climat change, la ville d'Hyderabad, et de nombreux centres urbains, doit se préparer à un avenir où la pluie la plus dangereuse tombera en un temps de plus en plus court, exigeant une refonte fondamentale de la gestion de l'eau dans la jungle de béton.