R2DS Île-de-France

Réseau de Recherche sur le Développement Soutenable

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Outil mathématique d’étude des non-linéarités

Coordination : GHIL Michael et DUMAS Patrice - LMD (ENS)

Contexte

L’étude des influences réciproques entre environnement et société humaine est le thème de nombreux projets de recherche nationaux (GICC) et européens (ENSEMBLES).
Ces projets se sont construits à partir de questions posées par les instances de décision qui ont à effectuer des choix de développement importants pour faire face aux problèmes sociétaux liés au changement climatique.

On sait aujourd’hui que des problèmes méthodologiques forts vont se poser, mais la définition précise d’une problématique économie-climat reste à poser.
A partir des méthodes développées dans le cadre des Sciences de l’Ingénieur et des Sciences du Climat, les équipes de ce projet se proposent de construire une approche nouvelle de ces questions.

La problématique économie-climat vise ainsi à mettre en œuvre des modèles pour analyser les influences croisées entre ces deux domaines.

Problématique et objectifs

La problématique économie-climat exige à la fois des modèles de prévision et des modèles d’analyse. Il est important d’être capable de simuler l’évolution du système et d’en évaluer sa sensibilité selon :
• Des paramètres incertains (productivité)
• Des éléments influencés par l’Homme et son activité (déforestation)
• Des réactions à des chocs (climatiques, économiques ou politiques)

Comprendre les réponses du système est une clé pour améliorer l’efficacité des décisions politico-économiques visant à prévenir les dommages liés aux évolutions du système global.
Les outils principalement utilisés pour l’analyse de ce type de système sont complexes. Ils font appel à l’analyse "en boucle de rétroactions" afin de décrire les mécanismes de la machine climatique

Nous proposons d’utiliser la méthode TEF-Z.OOM, largement éprouvée dans les domaines des Sciences de l’Ingénieur et de la Climatologie.
Celle-ci permet notamment d’analyser la dynamique de la réponse à des chocs et de caractériser dynamiquement les boucles de rétroactions présentes dans le système.

Attendus

Le programme de travail comprend le développement de nouvelles méthodologies de couplage de sous-systèmes issus de disciplines différentes et d’outils d’analyse du meta-système obtenu :

1. Analyses de couplage et de rétroaction : étude de stabilité et étude de sensibilité à partir du Système Linéaire Tangent (SLT) ; recherche de méthodes numériques optimales.

2. Analyses de sensibilités aux sollicitations du système : d’une part les sensibilités aux conditions initiales (SCI), qui sont connues pour apporter une connaissance sur les évolutions ou bifurcations d’un système complexe vers tel ou tel type d’attracteur de la trajectoire ; d’autre part les sensibilités aux paramètres de contrôle (soit internes au système, soit liés aux forçages extérieurs ou aux conditions aux limites du système), lesquelles permettent de hiérarchiser les rôles des divers mécanisme dans la dynamique du système.

3. Approche des systèmes non-linéaires ; l’étude de trajectoires perturbées, couramment utilisée en climatologie, permet d’étendre les outils de l’analyse linéaire à des horizons temporels incluant les effets de non-linéarité des systèmes.

4. Méthode d’approche heuristique pour l’analyse de systèmes fortement couplés : identification des temps caractéristiques du système, mise en évidence des boucles de rétroaction principales, « déploiement » de ces boucles pour expliciter les processus mis en jeu par chacun des pôles…

5. Méthodes basées sur l’utilisation de filtre de Kalman et de modèles adjoints associés au modèle linéaire tangent direct : destiné à itérer dans le sens temporel rétrograde, le modèle adjoint (qui dans le cadre de ZOOM est déduit par simple construction algébrique à partir du code direct) fournit la sensibilité de toute observable (locale ou globale) à un nombre quelconque de paramètres ou de conditions initiales. Il constitue aussi un traitement classique des problèmes d’identification de paramètres et de calibrage.

Résultats

L’application des techniques de couplage et d’études de sensibilité a permis d’étudier de façon rigoureuse la propagation intersectorielle des dommages transitoires du changement climatiques. Cela prend explicitement en compte la vulnérabilité des infrastructures et leur importance dans le processus de production.

De façon surprenante, les pertes sont plus faibles quand la vulnérabilité est concentrée dans le secteur des infrastructures, lorsque l’investissement dans ce secteur peut compenser ses pertes. Le secteur des infrastructures étant fortement régulé, ces résultats montrent l’importance d’une réponse du secteur publique adéquate en cas de diminution de leur efficacité.
Les conséquences économiques des événements extrêmes et la dynamique de reconstruction ont été étudiés en utilisant un modèle économique capable de prendre en compte les déséquilibres. Il permet également de représenter les contraintes pesant sur la reconstruction.

Il en résulte qu’une aggravation des événements extrêmes peut conduire à une diminution importante de la production, lorsque, en moyenne, un nouvel événement extrême frappe avant que la reconstruction ne soit terminée.

Equipes et partenaires

  • CEREA (ENPC)
  • ENS Ulm

Publication

S. Hallegatte, and P. Dumas, ¨Can natural disasters have positive consequences ? Investigating the role of embodied technical change¨, Ecological Economics 68, 777-786 (2009).