Etienne DAVASSE et Andre EHOUMAN
--------Projet informatique --------
Le climat est soumis a des changements dont l'importance et la proximite
des consequences semblent paticulierement interesser l'humanite. En
effet de nombreuses etudes ont souleve la question du rechauffement
climatique et de ses impacts sur l'environnement. Tout au long de notre
projet nous tenterons , en nous basant sur les differentes methodes de
statistique descriptive et inferentielle vues pendant notre cursus
universitaire, de repondre aux problematiques suivantes:
- Est ce qu'il y a eu un rechauffement climatique au cours du siecle
passe ?
- Si oui l'Homme y a t-il sa part de responsabilite ? En d'autres
termes peut-on expliquer le rechauffement climatique par les activites
humaines ?
- Le rechauffement climatique va t-il s'aggraver au cours des
prochaines annees ?
-Sommaire:
1- Description des donnees
2- Analyse des temperatures
3- Analyse des precipitations
4- Analyse des correlations
5- Regression lineaire
6- Conclusion
Description des donnees
Nous allons travailler sur le package rWBclimate
Ce package contient des donnees constituees de donnees meteorologiques
(temperatures et precipitations) a la fois historiques et provenant
egalement de modeles de previsions du rechauffement climatique. Le
package est disponible sur le CRAN. Ces donnees sont fournies par la
banque mondiale.
Pour avoir acces au tutoriel vous pouvez cliquer ici:
Tutoriel.
Le package rWBclimate donne acces a trois classes differentes de donnees
sur le climat a deux echelles spatiales differentes .
Les trois differentes categories de donnees sont: le modele GCM ,
ensemble et donnees historiques. A partir de ces 3 categories nous
avons acces a deux variables:
-les precipitations exprimees en millimetre
-la temperature exprimee en degree Celsius.
Les modeles GCM
Nous avons acces a 15 modeles de prediction. Toutes les donnees de ce modele ont ete calculees selon 2 scenarios:
-le scenario A2: ce scenario prevoit peu de difference entre maintenant
et le futur.
-le scenario B1: ce scenario prevoit un monde plus ecologique avec une
plus grande reduction des emissions.
Bien que nous n'ayons acces qu'aux donnees de 2 scenarios il y a 4
scenarios differents, chacun faisant differentes hypotheses pour
l'avenir pollution par les gaz a effet de serre, l'utilisation des
terres et d'autres forces motrices. Ces scenarios d'emissions sont
organisees en familles, qui contiennent des scenarios qui sont
semblables les uns aux autres a certains egards. Voici les grandes
familles de scenarios d'emissions SRES:
L'histoire et le scenario famille A1 decrit un monde futur de croissance
economique tres rapide, la population mondiale culminant au milieu du
siecle et diminue par la suite, et l'introduction rapide de nouvelles
technologies plus efficaces.Les themes sous-jacents sont la convergence
entre les regions, le renforcement des capacites, et des interactions
culturelles et sociales, avec une reduction substantielle des
differences regionales dans le revenu par habitant. La famille de
scenarios A1 se divise en trois groupes qui decrivent des directions
possibles de l'evolution technologique dans le systeme energetique.
L'histoire et le scenario famille A2 decrit un monde tres heterogene. Le
theme sous-jacent est l'autosuffisance et la preservation des identites
locales.Le developpement economique est une orientation principalement
regionale et la croissance economique par habitant et l'evolution
technologique sont plus fragmentes et plus lents que dans les autres
scenarios.
Le scenario B1 decrit un monde convergent avec la meme population
mondiale culminant au milieu du siecle et diminuant par la suite, comme
dans le canevas A1, mais avec des changements rapides dans les
structures economiques vers une economie de services et d'information,
avec des reductions de l'intensite des materiaux , et l'introduction de
technologies propres et economes en ressources. L'accent est mis sur des
solutions mondiales a la durabilite economique, sociale et
environnementale, y compris une meilleure equite, mais sans initiatives
supplementaires pour le climat.
Le scenario B2 decrit un monde dans lequel l'accent est mis sur des
solutions locales a la durabilite economique, sociale et
environnementale. Il est un monde de plus en plus en continu la
population mondiale a un taux inferieur a A2, des niveaux intermediaires
de developpement economique, et le changement technologique moins rapide
et plus diverse que dans les canevas B1 et A1. Alors que le scenario est
egalement oriente vers la protection de l'environnement et l'equite
sociale, il se concentre sur les niveaux locaux et regionaux.
A partir de ces modeles nous avons acces a 4 types de donnees:
| Type | Description |
|---|---|
| Monthly average | Moyenne mensuelle sur tout les 12 mois pour une periode donnee |
| Annual average | Moyenne annuelle sur une periode donnee |
| Monthly anomaly | variation mensuelle (anomalie mensuelle) moyenne |
| Annual anomaly | Variation annuelle moyenne |
La periode de controle est de 1961 a 1999 pour les variables de temperature et de precipitations , et de 1961 a 2000 pour les statistiques derivees .
Les echelles de temps
Les donnees des modeles climatiques sont uniquement accessibles sous forme de moyenne pour des morceaux de 20 ans.Les periodes disponibles sont les suivantes:
| Passe | Futur |
|---|---|
| 1920-1939 | 2020 2039 |
| 1940 1959 | 2040 2059 |
| 1960 1979 | 2060 2079 |
| 1980 1999 | 2080 2099 |
Comme dit precedemment les donnees sont accesibles a deux echelles spatiales : les pays et les bassins. Nous avons acces aux pays en utilisant un code ISO de 3 lettres. L'acces aux bassins nous permet de voir des cartes du monde.
Analyse des temperatures
Dans cette partie nous allons essayer de deceler la presence d'une eventuelle hausse des temperatures au cours du temps.
Afin d'etudier l'evolution du climat nous allons modeliser l'evolution des temperatures de 1901 a 2008 (donnees accessibles seulement jusqu'en 2008 pour certains pays) pour chaque continent.
On peut observer une meme tendance pour chaque continent : augmentation constante des temperatures de 1900 a 1940 puis baisse des temperatures jusqu'en 1970. A la suite de cela tous les continents ont connu une forte augmentation des temperatures. Les temperatures ont donc augmente partout dans le monde ces dernieres decennies.
Vous pouvez retrouver un exemple du code pour la modelisation de l'Europe
Prediction du climat
Nous allons maintenant nous interresser aux modeles de prediction fourni par le package rWBclimate. Comme dit precedemment nous disposons de 15 modeles.
Modelisation des modeles pour la France
Quel que soit le scenario , tous les modeles predisent une augmentation de la variation entre les annees et donc de la temperature entre 2020-2080. De plus en s'interessant aux deux scenarios on peut observer que le scenario a2 presente de plus grandes anomalies que le scenario b1. En effet sur la periode consideree (2020-2080), on observe une variation sur un intervalle de 1 a 2.5 pour le modele b1. tandis en ce qui concerne le modele a2 on a une variation sur un intervalle de 1 a 4. On peut egalement noter que le scenario b1 suppose que nous avons resolu le probleme du rechauffement climatique donc l'augmentation de la temperature stagne a partir de 2060 contrairement au scenario a2 ou la temperature augmente fortement a partir de 2060.
Cepandant cette abondance de modele ne permet pas une lecture simple des donnees. Pour regler ce probleme nous avons decide de faire la moyenne des modeles de prediction par scenario afin de degager une tendance generale. Nous allons donc etudier l'evolution generale des temperatures selon chaque scenario.
Pour le scenario b1:
Visualisation plus concrete (Europe)
Pour le scenario a2:
Visualisation plus concrete (Europe)
Vous pouvez retrouvez un exemple du code ici et ici
Quel que soit le scenario ,quel que soit le continent, on observe que la temperature augmente au fil des annees .Le scenario a2 prevoit une augmentaion lineaire de la temperature. Le scenario b1 prevoit egalement une augmentation progressive de la temperature mais on peut noter que a contrario du scenario a2 les variations diminuent au cours des annees
Les differents continents suivent donc la meme evolution de temperature quelque soit le scenario. Afin d'effectuer une etude plus precise nous allons nous pencher sur les anomalies en Europe entre 2080 et 2100.
Pour le scenario a2
Pour le scenario b1
On observe une augmentation des anomalies. On remarque que l'augmentation est beaucoup plus importante en Europe de l'Est. Cela peut s'expliquer par le fait que ces pays ont a la base des temperatures moins elevees qu'en Europe de l'Ouest.
Vous pouvez retrouvez le code ici
Analyse sur les precipitations
Nous allons maintenant etudier l'evolution des precipitations par continent pour chaque scenario.
Analyse sur les donnees historiques
Si on observe le graphe, on peut identifier deux groupes selon les niveaux de precipitations . D'une part l'Afrique ,l'Europe et l'Asie semblent avoir les memes niveaux de precipitation . D'autre part l'Amerique et l'Oceanie semblent partager le meme niveau de precipitation. Contrairement aux temperatures il n'y a pas de tendance qui se degage. On ne peut rien conclure sur l'evolution des precipitations de 1901 a 2008.
Nous allons maintenant etudier les predictions des variations des precipitations fournies par le package. Comme pour les temperatures nous avons fait la moyenne des modeles afin d'en tirer une tendance generale.
Pour le scenario a2
Contrairement aux temperatures qui semblent en constante augmentation, les precipitations semblent varier au fil des ans. Il n'y a pas de tendance qui se degage. On peut remarquer que les precipitations varient au fil des ans en Europe ,Oceanie,Afrique ,Amerique du nord. En ce qui concerne l'Amerique du sud et l'Asie, on peut observer qu'il y a une evolution constante des niveaux de precipitations.
pour le scenario b1
Pour le scenario a2
Pour le scenario b1
Il parait difficile de faire une conclusion generale sur les precipitations tant les continents connaissent des evolutions differentes. Cepandant on peut noter les disparites d'evolution entre les scenarios a2 et b1. Alors que pour les temperatures les deux scenarios s'accordaient sur la tendance general ici les deux scenarios predisent des evolutions de variations differentes. Par exemple l'Afrique ou les precipitaions augmentent constament selon le scenario b1. Au contraire le scenario a2 prevoit une baisse des precipitations.
Nous allons maintenant representer les moyennes des precipitations de 1901 a 2012 pour chaque continent.
On observe que l'Europe l'Afrique et l'Asie ont des precipitations plus faibles que l'Amerique et l'Oceanie. Cela confirme nos conclusions precedentes.
Vous pouvez retrouvez un exemple du code ici
Analyse des correlations geographiques entre les pays
Dans cette partie nous allons essayer de voir si le climat permet de differencier les pays entre eux. Dans ce but nous etudierons les correlations des temperatures et des precipitations puis nous effecturons une AFD (analyse factorielle discriminante).
Correlation des pays avec la France
On peut verifier que la France est correllee positivement avec les pays proches geographiquement mais egalement avec les pays d'Asie On peut donc en conclure que la temperature en france et celles des pays voisins evoluent dans le meme sens
Les correlations sont faibles. Nous ne pouvons pas en tirer de conclusion.
Pour effectuer l'AFD, nous avons utilise 13 variables explicatives
quantitatives du package rWBclimate. les 13 variables explicatives sont
les suivantes:
-la temperature minimale moyenne par jour
-la temperature maximale moyenne par jour
-le nombre de jour pour lesquels la temperature maximale est superieure
au 90 ieme quantile de la periode de controle
-le nombre de jour pour lesquels la temperature minimale est superieure
au 90 ieme quantile de la periode de controle
-le nombre de jour pour lesquels la temperature maximale est inferieure
au 10 ieme quantile de la periode de controle
-le nombre de jour pour lesquels la temperature minimale est inferieure
au 10 ieme quantile de la periode de controle
-le nombre de jour pour lesquels la temperature minimale est en dessous
de 0 degre celcius
-le nombre de jour pour lesquels les precipitations superieures a 0.2
mm
-le nombre de jour pour lesquels les precipitations superieures a 2
mm
-le nombre de jour pour lesquels les precipitations superieures a 10
mm
-le nombre de jour pour lesquels les precipitations superieures au 90
eme quantile de la periode de controle
-le delai moyen entre deux jours de precipitations
-les precipitations moyennes par jour
Au vu des resultats obtenus apres apres l'application de l'Analyse Factorielle discriminante (AFD) sur notre jeu de donnees nous pouvons dire que nous obtenons une bonne discrimination des continents. Ainsi nous pouvons dire que deux pays appartenant a un meme continent presentent a peu pres les memes caracteristiques climatiques.
Vous pouvez retrouvez le code de l'AFD ici
Regression lineaire
Dans cette derniere partie nous allons essayer de mettre en lumiere les liens du rechauffement climatique (augmentation des temperatures) avec les consomations d'energie. Nous pourrons ainsi analyser les causes et savoir pourquoi le rechauffement climatique s'est accelere a partir des annees 1970.
Dans ce but nous avons recupere un fichier contennant les consommations de charbons, de gaz, d'electricite et de dechet en France de 1970 a nos jours.
## temperature charbon petrole gaz electricite dechet
## d 10.44918 34.9 90.8 8.2 6.3 9.2
## t 9.97402 31.1 107.0 21.2 22.1 8.4
## e 11.80333 19.2 88.3 26.3 83.2 11.4
## f 11.91726 14.2 95.0 37.4 108.9 11.6
## g 11.31347 13.4 91.8 40.7 117.4 12.1
## h 11.91409 12.4 91.8 40.1 117.6 12.3
##
## Call:
## lm(formula = temperature ~ charbon + petrole + gaz + electricite +
## dechet, data = ty)
##
## Residuals:
## Min 1Q Median 3Q Max
## -0.41058 -0.16515 0.00759 0.16648 0.46759
##
## Coefficients:
## Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
## (Intercept) 16.44481 9.99826 1.645 0.1511
## charbon -0.35461 0.15883 -2.233 0.0670 .
## petrole 0.09169 0.05651 1.623 0.1558
## gaz -0.25242 0.08160 -3.093 0.0213 *
## electricite 0.01336 0.03475 0.384 0.7140
## dechet -0.01365 0.20163 -0.068 0.9482
## ---
## Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##
## Residual standard error: 0.3272 on 6 degrees of freedom
## Multiple R-squared: 0.8763, Adjusted R-squared: 0.7732
## F-statistic: 8.5 on 5 and 6 DF, p-value: 0.01074
## Start: AIC=-23.13
## temperature ~ charbon + petrole + gaz + electricite + dechet
##
## Call:
## lm(formula = temperature ~ charbon + petrole + gaz + electricite +
## dechet, data = ty)
##
## Coefficients:
## (Intercept) charbon petrole gaz electricite
## 16.44481 -0.35461 0.09169 -0.25242 0.01336
## dechet
## -0.01365
On effectue une regression lineaire multiple afin d'expliquer le niveau de temperature en france en fonction de cinq variables quantitatives a savoir la consommation de charbon ,de petrole ,de gaz ,d'electricite et de dechet. Le coefficient d'ajustement R2 etant de R2=0.7732 >0.7 , on peut donc en deduire que le niveau de temperature est bien modelise par nos cinq variables .Ce qui signifie que les differentes variables explicatives ont une influence sur le niveau de temperature.Le rechauffement climatique est donc lie a l'accroissement de la consommation d'energie finale. On observe que le modele retenu par le critere AIC est le modele initial. Par consequent on peut estimer que toutes les variables sont significatives dans le modele.
On observe que le test de significativite individuelle de la variable consommation de gaz a une p-valeur tres faible. On peut en deduire que la consommation de gaz a une forte influence sur le niveau des temperatures. En observant la consomation de gaz au fil des ans, notamment sur ce site , il apparait que la consomation de gaz dans le monde a connu une forte augmentation a partir des annees 1970. Cela permet d'expliquer la forte hausse des temperatures dans le monde a partir des annees 70.
Conclusion
les differentes analyses que nous avons effectuees nous ont permis d'en tirer certaines conclusions.Dans un premier temps apres analyse des courbes d'evolution des temperatures et des precipitations historiques dans les differents pays et continents ,il ressort que le siecle passe a connu une rechauffement climatique general a partir des annees 1970. Ce rechauffement climatique peut s'expliquer par la forte consommation d'energie finale ,notamment de gaz naturel connue depuis 1970.Dans un second temps les resultats obtenus a partir des 15 modeles du package rWBclimate prevoient une accentuation du rechauffement climatique au cours des annees futures. Toutefois le scenario b1 prevoit une stabilisation ,voire une legere baisse du niveau de temperature.Il est plus ecologique que le scenario a2 qui semble au contraire plus pessimiste.
Le rechauffement climatique a aussi differentes consequences sur l'environnement. On peut par exemple citer son impact sur l'intensification de pluies diluviennes en Europe, en Asie et en Amerique du nord ,plus frequentes.Egalement, l'acceleration du rythme de disparition de certaines especes serait aussi une consequence du rechauffement climatique. Toutefois , l'influence de la consommation d'energie finale sur le rechauffement climatique attire notre attention sur le fait que nous devons etre soucieux de trouver des sources d'energie plus ecologiques afin d'esperer une baisse du niveau de temperature comme le prevoit le scenario b1.