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Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau

en Afrique de l'Ouest

Directeur de thèse: Jan Polcher

Tristan d'Orgeval

Introduction: variabilité climatique passée

Source: IPCC-TAR (2001). Intergovernemental Panel for Climate Change-Third Assessment ReportGroupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC)

Tendance des précipitations sur le globe au cours du XXe siècle

Introduction: variabilité des débits

Anomalies relatives (%) de précipitations et de débits pour le bassin du Niger

(700 000km2)

Introduction: changements d'usage des sols

Source: Sterling and Ducharne, 2006

Carte de végétation actuelle

Carte de végétation « potentielle »

Introduction: Objectif de la thèse

Quelle sera la tendance future des précipitations liée à l'augmentation des gaz à effet de serre?

Quels sont les impacts relatifs des changements d'usage des solset de pluviometrie au cours des 50 dernières années?

Quels sont les processus de surface clés qui expliquent l'amplification du signal des précipitations à l'échelle des grands bassins versants?

Introduction: Plan de l'exposé

I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes

II. Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface

III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique

Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

Introduction: Plan de l'exposé

I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes

II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface

III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique

Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

Méthode d'analyse de simulations couplées

Schéma d'un Modèle de Circulation Générale Couplé (CGCM)

Discrétisation à une échelle entre 1,5° et 5°

Simulations couplées:- CMIP2 (18 mod.)- IPCC-AR4 (23 mod)

Simulations Niveau de Gaz à Effet de Serre

- 20c3m: XXe siècle- sresA2: Forte augmentation- sresA1B: Augmentation- sresB1: Faible augmentation

- picntrl: Pré-industriels- 1pctto2x: CO

2 augmente 1%/an

Nécessité d'établir une mesure simple et robuste

Méthode d'analyse de simulations couplées

Simulations couplées utilisées pour les analyses du changement climatique

Méthode d'analyse de simulations couplées

Diagrammes Hovmöller (latitude/temps) de précipitations entre 5W et 5E pour 1979-2000

Diagnostics:

Précipitation en JAS 1979-1984 (CMAP)

LLAT

LON

G

Caractérisation des pluies

Latitude du barycentre

Longitude du barycentre

Largeur de la bande

Intensité moyenne

Méthode d'analyse de simulations couplées

Climatologie de la latitude du barycentre (20C et CMAP)

Méthode d'analyse de simulations couplées

Impact du changement climatique sur la latitude du barycentre

Signal et incertitudes

Consensus:

- Bande de précipitations moins large

- Pluies plus intenses dans cette bande

- Retrait tardif de la mousson

Conclusion

Signal et incertitudes

Incertitudes:

- Nouveaux constrastes de températures de mer (SST) en début de saison

- Opposition entre réchauffement moyen des océans et réchauffement des continents en milieu de saison

- Pas de lien entre qualité des simulations de contrôle etaccord sur le changement climatique

Conclusion

Signal et incertitudes

Introduction: Plan de l'exposé

I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes

II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface

III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique

Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

LSM

P

RI

D

T Es

HLHS

HG

RoutRLW+RSW

Schéma de fonctionnement d'un Modèle de Surface (LSM)

Présentation d'ORCHIDEE

Une maille de 1°x1°

Module hydrologique de de Rosnay (1999) CWRR

- Discrétisation de l'équation de Fokker-Planck (diffusion) sur 11 couches

- Profil racinaire à décroissance exponentielle à partir de la surface

- Plusieurs bilans hydrologiques sous-maille pour différents types de sol

Présentation d'ORCHIDEE

Le module hydrologique de Choisnel (Ducoudré et al., 1993) est encore utilisé par défaut dans ORCHIDEE

ek

2

Evaporation

Infiltration

4 KR

max

3

pmax

5 z

s

zlim

- Intégration temporelle sous-pas de temps de l'infiltration et de l'évaporation: 1

- Prise en compte du sol sous végétation dans l'évaporation du sol nu: 2

- Variabilité sous-maille de l'infiltration en fonction: de la pente 3

des racines 4

de la profondeur du sol: 5

Principales améliorations d'ORCHIDEE

Présentation d'ORCHIDEE

1

1

Principales améliorations d'ORCHIDEE

Présentation d'ORCHIDEE

Représentation plus fine des processus sous-pas de temps (d'infiltration et d'évaporation)

Introduction de la variabilité sous-maille de plusieurs paramètres

La nouvelle version de référence est appelée CWRR5

Ancien module de routageSOL

P

RI

B B’

D

B (SB)B’

R

D

QinQ1

out

Q2out

Q3out

Qout = Q’in

E

Routage

Hydrologie

V1

V2

V3

Schéma de routage des fleuves d'ORCHIDEE

Présentation d'ORCHIDEE

Nouveau module de routage (fp et mares)

P

B’Qin Q1out Qout = Q’in

Routage

Hydrologie

V1

Qfpin

Sfp,Vfp

Qfpout

Epot

V2

V3

Sfp,Vfp

Plaines d'inondations

Présentation d'ORCHIDEE

Q2out

Q3out

Carte des surfaces interceptées par 8 stations de débits de fleuves Africains (d'après ORCHIDEE)

Présentation d'ORCHIDEE

Malanville

Bamboi

Koulikoro

Edea

Kinshasa

Dongola

Chiromo

Luug

Estimation des incertitudes avec ORCHIDEE

Incertitudes induites par le forçage

- Forçage atmosphérique NCC * (1949-2002)

- Utilisation d'un schéma de routage des fleuves (pas de temps de 1 jour)

- Validation directe des débits simulés+ Comparaison à des observations de débits+ Choix de 2 couples d'années resp. humides (54-55) et sèches (71-72)

Objectifs: Tester la sensibilité à la végétation et aux données de précip. utiliséesComparer à l'erreur moyenne entre débits observés et simulés

Impact d'un changement de carte de végétation actuelle et d'un changement des données pluviométriques du forçage (CRU-IRD) sur les débits simulés?

*NCC: NCEP Corrected by CRU, Ngo-Duc et al. 2005.

Erreurs et Incertitudes liées au forçage dans les simulations d'ORCHIDEE

Incertitudes induites par le forçage

KoulikoroNiger

MalanvilleNiger Kinshasa

Congo

DongolaNil Bamboi

Volta

EdeaSanaga

Luug JubbaChiromo

Shire

Carte mondiale des eaux de surface

Rôle des eaux de surface

Nouveau module de routage (fp et mares)

P

B’Qin Q1out Qout = Q’in

Routage

Hydrologie

V1

Qfpin

Sfp,Vfp

Qfpout

Epot

V2

V3

Sfp,Vfp

Plaines d'inondations et mares

R

RVp

Sp,

VpSp,PEpot

I

Rôle des eaux de surface

I

Incertitudes liées aux eaux de surface dans les simulations d'ORCHIDEE

Rôle des eaux de surface

KoulikoroNiger

MalanvilleNiger Kinshasa

Congo

DongolaNil Bamboi

Volta

EdeaSanaga

Luug JubbaChiromo

Shire

Incertitudes majeures:1. Les observations de précipitations utilisées 2. La carte de végétation uniquement sur quelques bassins3. La représentation des eaux de surface:

Pour les grands bassins: Les plaines d'inondations Pour les bassins arides: Les petites mares

Conclusion

Représentation des bassins versants

Améliorations d'ORCHIDEE:

- Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère.- Introduction de paramétristations pour différents types d'eaux de surface.

Introduction: Plan de l'exposé

I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes

II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface

III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique

Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

Variabilité des débits de fleuves Africains

Koulikoro-Niger D=1407 m3/s

S=120 000 km2

Aniassue-Comoe D=106 m3/s

S=67 000 km2

Illustration sur deux bassins guinéens de taille moyenne

Actuelle PotentielleVégétation

Actuelle PotentielleVégétation

Interactions entre les échelles

Répartition de la précipitation sur 50 ans

Interactions entre les échelles

- Forte corrélation entre précipitation et débit sur l'ensemble des bassins

- Lien entre précipitation et évaporation plus complexe à représenter

- Quelles autres caractéristiques que la précipitation moyenne interviennent?

Interactions entre les échelles

Caractérisation des précipitations par événements (par jour et par maille): Nombre, Intensité des événements, Durée de la saison

Interactions entre les échelles

Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle (corrélations et régression multi-linéaire)

Nombre d'événements

Précipitation totale

Evaporation totale

Durée de la saison Intensité des événements

+

++ -

Interactions entre les échelles

Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle Conclusions

La variabilité interannuellle de E sur les grands bassins versants est liée aux caractéristiques petite échelle de la pluie

Ce lien implique l'importance:

- de la variabilité haute fréquence des précipitations du forçage

- des processus de petite échelle inclus dans le modèle:

à petite échelle temporelle (intégration sous-pas de temps de I et E)

à petite échelle spatiale (différentes variabilités sous-maille)

- des efforts futurs à porter sur la représentation des hétérogénéités

P = E + RP = ER

?

Usage des sols et changement climatique

L'impact du partage à petite échelle de la pluie sur E etR pose 2 questions:

Quel est l'impact d'un changement d'usage des sols sur E etR ?

Est-il plus important que l'impact du changement de pluviométrie (P) ?

Usage des sols et changement climatique

Représentation des anomalies de débits par ORCHIDEE

Usage des sols et changement climatique

Les changements de pluviométrie permettent d'expliquer la majeure partie de la variabilité des débits de grands fleuves au cours des 50 dernières années

Ce résultat s'oppose à des études effectuées à petite échelle au Sahel(Séguis et al. 2004)

ORCHIDEE représente les deux périodes de manière similaire même si aucune évolution du changement d'usage des sols n'est prise en compte

Différence de représentation entre 1951-70 et 1971-90

Différences non significatives

Rapports entre débits simulés et observés

Impact relatif des changements de pluviométrie et d'usage des sols sur 50 ans:

Les résultats impliquent un impact non significatif du changement d'usage des sols par rapport au changement de pluviométrie

Conclusion

Lien entre échelles dans ORCHIDEE:

- Importance des caractéristiques des événements pluvieux pour l'évaporationde grande échelle et donc pour la simulation des débits sur le long terme

- Nécessité d'un modèle qui prend en compte les phénomènes petite échelle

Variabilité des débits de fleuves Africains

Conclusions

- Changement climatique - accord encore très faible sur:

Une mousson moins large, plus intense et retardée en fin de saison

- Les fleuves Africains - cycle de l'eau fortement dépendant de:

Précipitations reçues sur le bassin (moyennes ET variabilité haute fréquence)

Rôle des inondations dans les grands bassins et des mares dans les bassins arides

- Variabilité des débits de fleuves, pluviométrie et usage des sols:

Importance des paramétrisations de phénomènes de petite échelle

Impact non significatif de l'usage des sols par rapport à la pluviométrie

Perspectives

- Changement climatiqueQuelles seront les mécanismes d'interconnections dans un climat futur?

- Processus de surface et impactsCollaboration entre petite et grande échelle (paramétrisation adaptées)Effort pour orienter les travaux dans cette directionALMIP (AMMA Land-surface Model Intercomparison Project)Construction d'un forçage de 50 ans à partir d'ERA40GSWP3 pour comparer les réponses de modèles sur 50 ans?

- ORCHIDEE Validation globale d'ORCHIDEEImpact des plaines d'inondations sur le cycle hydrologique du bassin du ParanaRétroactions entre processus hydrologiques et végétation (couplage avec STOMATE)

Rétroaction des plaines d'inondations sur l'atmosphère (couplage avec LMDZ)

Meilleure représentation des variabilités sous-maille, comme celle de la pluie

Merci de votre attention

Source: Vörösmarty et al., 2005

DIA/Q = relative water use

Stress:

Personnes en situation de stress hydrique dans les périodes de sécheresse

Introduction: sécheresse et vulnérabilité

Signal et incertitudes

AGCM

Forçage:atmosphérique + océanique

Signal de ChangementClimatique

LSM

Sensibilité aux changements de:- SST moyenne globale- contrastes de SST- gaz à effet de serre (impact continental)

- Modèle atmosphérique (AGCM)- Modèle de surface (LSM)

Impact sur la pluviométrie simulée?

Altitude (m) Type de sol

Fin

MoyenGrossier

Végétation potentielleVégétation actuelle

Modélisation de la surface à grande échelle

Altitude (m) Type de sol

Fin

MoyenGrossier

Végétation potentielleVégétation actuelle

Modélisation de la surface à grande échelle

Equatoriale

Altitude (m) Type de sol

Fin

MoyenGrossier

Végétation potentielleVégétation actuelle

Modélisation de la surface à grande échelle

Guinéenne

Altitude (m) Type de sol

Fin

MoyenGrossier

Végétation potentielleVégétation actuelle

Modélisation de la surface à grande échelle

Sahélienne

Altitude (m) Type de sol

Fin

MoyenGrossier

Végétation potentielleVégétation actuelle

Modélisation de la surface à grande échelle

Saharienne

Répartition de la précipitation par latitude

Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*

* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM

Modélisation de la surface à grande échelle

Legende

Répartition de la précipitation par latitude

Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*

* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM

Modélisation de la surface à grande échelle

Equatoriale

Répartition de la précipitation par latitude

Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*

* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM

Modélisation de la surface à grande échelle

Guinéenne

Répartition de la précipitation par latitude

Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*

* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM

Modélisation de la surface à grande échelle

Sahélienne

Répartition de la précipitation par latitude

Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*

* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM

Modélisation de la surface à grande échelle

Saharienne

Impact des modifications par région

CWRR1: Modification du calcul de l'Infiltration et de l'Evaporation

CWRR2: + Evaporation du sol nu sous végétation

CWRR3: + Réinfiltration en cas de faibles pentes

CWRR4: + Impact des racines sur l'infiltration

CWRR5: + Impact de la profondeur du sol sur le type de sol et l'infiltration

CWRR5b: Test sur la résistance de structure de la canopée (bilan énergétique / feuille)

CWRR2

CWRR3 CWRR4

CWRR5

CWRR5b EvaporationInfiltration

Processus introduits dans ORCHIDEE

Processus clés:

Région équatoriale: bilan d'énergie au niveau de la feuilleRégion guinéenne: infiltration avec la profondeur et les racinesRégion sahélienne: bilan d'énergie sous végétation, réinfiltration

Conclusion

Processus de surface

Amélioration d'ORCHIDEE:

Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère.

Incertitudes dans les simulations GSWP2

Incertitudes induites par les forçages

Modification du Forçage:atmosphérique + surface

Modification relative deRuissellement + Drainage

intégrés par bassin

LSM

Test de sensibilité validésur 8 bassins versants

Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

Incertitudes dans les simulations GSWP2

Incertitudes induites par les forçages

Modification du Forçage:atmosphérique + surface

Modification relative deRuissellement + Drainage

intégrés par bassin

LSM

Test de sensibilité validésur 8 bassins versants

Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

Changement de carte de végétation (IGBP/UMD)

Incertitudes dans les simulations GSWP2

Incertitudes induites par les forçages

Modification du Forçage:atmosphérique + surface

Modification relative deRuissellement + Drainage

intégrés par bassin

LSM

Test de sensibilité validésur 8 bassins versants

Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

Changement de rayonnements (NCEP/SRB)

Incertitudes dans les simulations GSWP2

Incertitudes induites par les forçages

Modification du Forçage:atmosphérique + surface

Modification relative deRuissellement + Drainage

intégrés par bassin

LSM

Test de sensibilité validésur 8 bassins versants

Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

Changement de forçages atm. (ECMWF/GSWP) sauf P

Incertitudes dans les simulations GSWP2

Incertitudes induites par les forçages

Modification du Forçage:atmosphérique + surface

Modification relative deRuissellement + Drainage

intégrés par bassin

LSM

Test de sensibilité validésur 8 bassins versants

Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

Hybridation (ECMWF/GSWP) et correction des obs de P

Usage des sols et changement climatique

Difficulté d'évaluer directement l'impact du changement de végétation

Forçage atmosphérique

VEG. 1VEG. 2

VEG. 2

Forçage atmosphérique(vent, humidité, temp.)

LSM

Forçage atmosphérique

LSM

Débits de fleuvesDébits de fleuves

LAI

Typede Sol

Recharge de réservoirs de «stockage»

Usage des sols et changement climatique

Difficulte d'évaluer directement l'impact du changement de végétation

Il est nécessaire de:

- travailler avec des modèles couplés avec la végétation et l'atmosphère

- d'effectuer de nouveaux développements du LSM

Cette évaluation reste insatisfaisante à l'heure actuelle:

Les incertitudes dépassent largement l'amplitude de la réponse en terme de débit