influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle...

Influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle régionale et globale

Aurélien CAMPOYSoutenance de Thèse, 21 Juin 2013Directeurs: Agnès DUCHARNE (Sisyphe)

Frédéric HOURDIN (LMD)Frédérique CHERUY (LMD)

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Modélisation du climat

Modèle de Circulation Atmospérique Globale

Modèle de Circulation Océanique Globale

Modèle de Glace

Modèle de Surface Continentale (LSM)

Température de surface de 20 modèles climatiques (CMIP5)

Suckling E. 2011

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Les incertitudes de la modélisation climatique

• Les scénarios d’émission de gaz à effet de serre• La physique atmosphérique, paramétrisation des nuages, convection• Les conditions limites en surface

Bilan radiatif, d’après Trenberth et al. (2009)

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Les modèles de surface continentale (LSM)

d’énergie

5

Biais chaud continental dans les régions tempérées

Biais moyens de température à 2m (K) des simulations CMIP5 forcées par les SST AMIP par rapport aux observations CRU. Moyenne sur Juin-Juillet-Aout.

15 10 5 3 2 1 -1 -2 -3 -5 -10 -15 (°C)

Biais chaud corrigé en augmentant l’évaporation

Observations (Trappe)

ORCHIDEE :

Bucket:

EvaporationFlux de chaleur latente (W/m²)

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Coindreau et al. 2007

β = Evap/Epot

Température (°C)

P E

β = 1/15

β = 1/3

Estimation du niveau des nappes (m) (Macho et al. 2013)

Modélisation des nappes phréatiques

Modèle de surface

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Questions

• Est-il possible de corriger le biais chaud d’un modèle climatique via un meilleure représentation de l’hydrologie souterraine?

• Comment tenir compte des spécificités hydrologiques locales dans un modèle climatique?

• Comment exploiter les mesures d’un site d’observation pour les confronter à un modèle climatique?

• La réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre (GES) est-elle conditionnée par l’hydrologie souteraine?

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Plan

1. Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique.

2. Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique

3. Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre

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Maillage de surface zoomé

Simulations « zoomé guidé » (LMDZ-ORCHIDEE)

Guidage des vents et des températuresde l’atmosphère autour du zoom

Températures de surface desocéans prescrites

Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA)

Variables atmosphériques

Composantes du bilan radiatif en surface

Humidité du sol

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ORCHIDEE, le LSM de l’IPSL

Bicouche• Description conceptuelle de

l’humidité par 2 couches sur 2m

• Ruissellement en surface en cas de saturation

• Pas de drainage à la base du solMulticouche

• Schéma à base physique (Richards), discrétisation verticale du sol sur 2m

• Prise en compte de la texture du sol pour l’infiltration et le ruissellement

• Drainage libre à la base du sol

Les deux versions du module hydrologique

Comparaison des deux hydrologies dans la maille SIRTA

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BicoucheMulticoucheBicoucheMulticoucheObs. SIRTA% observation

Cycle saisonier du flux de chaleure latente (W/m²)IPSL-CM5A

IPSL-CM5B

Météo France

Measur. Uncert.

Moyennes mensuelles desTempérature de l’air à 2m

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Humidité au SIRTA (%)

SIRTA ORCHIDEEMulticouche

Sonde 15 cm

Sonde 320 cm

Sonde 550 cm

Sonde ThetaProbe type ML2x

Nappe perchée au SIRTA

LimonArgilesSablesArgiles

Bièvre Yvette

100m

3 km

Nappe

Coupe Nord-Sud du plateau de Saclay

Coupe Est-Ouestdu basin parisien

Carte géologique du nord de la France

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Campagne de mesures géophysiques

Décamètre Tomographie électrique

Cartographie Wenner alpha Sismique réfraction

Tarière Magnétisme (G856) Cartographie pôle-pôle Electromagnétisme (EM31)

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17

Conclusions partie 1

• La configuration « zoomé guidé » permet de confronter les simulations aux données du SIRTA.

• Le module multicouche peut être évalué à l’aide de mesures d’humidité du sol.

• Le module multicouche présente un biais négatif d’évaporation au SIRTA.

• Le SIRTA est situé au dessus d’une nappe perchée à faible profondeur.

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Condition limite au fond du module multicouche

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θ : Humidité du solK: Conductivité hydrauliqueD: Diffusivité hydrauliqueN: Nombre de couche

Echanges sol-végétation-atmosphère

Flux entre couches selon Richards:

Condition d’origine:0-Drainage libre

Nouvelles conditions:1-Drainage réduit/nul ;2-Saturation imposée

1 20

Nouvelle discrétisation du sol

11 couches 20 couches

Prof

onde

ur (m

)

20

Points de calcul ( )

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Les differentes conditions limites testées

• F=1 : REF Drainage libre (default)• F=0.1: F0.10• F=0.01 : F0.01• F=0 : F0.00 Fond imperméable• Zsat=2m : S2.0• Zsat=1,3 : S1.3Saturation imposée• Zsat=0,5 : S0.5

Drainages intermédiaires

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Impact sur les profils d’humidité au SIRTA

Moyennes des simulations sur 2002-2009Mesures du SIRTAMoyennes des simulations sur la période de mesure du SIRTA

F=1 : REFF=0.1 : F0.10F=0.01 : F0.01F=0 : F0.00Zsat=2m : S2.0Zsat=1,3 : S1.3Zsat=0,5 : S0.5

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Sensibilité dans la maille SIRTA

F=1 : REFF=0.1 : F0.10F=0.01 : F0.01F=0 : F0.00Zsat=2m : S2.0Zsat=1,3 : S1.3Zsat=0,5 : S0.5

Biais du flux de chaleur latente au SIRTA (W.m-²)

Biais du flux de chaleur sensible au SIRTA (W.m-²)

Précipitations au SIRTA (W.m-²)

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Etendu des modifications de la condition limite

Drainage libreDrainage réduit / fond imperméable / nappe imposée

Référence:drainage libre

Modification locale

Modification globale

Changements globaux de la condition limite

Variations dans la maille du SIRTA

Préc

ipita

tion

(mm

/j)

Précipitation (mm/j)

Température de l’air à 2m (K)

Humidité spécifique de l’air à 2m (g/kg)

Flux latent (W.m-²)

P-E(

mm

/j)

Drainage nul - drainage libre

Nappe à 1m30-Drainage libre

Evap

orati

on (m

m/j

)

Moyennes sur Juillet-Aout 25

26


• Tenir compte de l’hydrologie souterraine via la condition limite au fond du module multicouche permet de réduire le biais en évaporation au SIRTA.

• Les précipitations ne sont pas sensibles à des modifications locales de la condition limite au fond.

• Le climat de l’Europe de l’Ouest est sensible à des changements globaux de la condition limite au fond.

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Simulations climatiques de contrôle

Modèle atmosphérique: LMDZComposition atmosphérique de 1998

Modèle de surface ORCHIDEE5 configurations testées

Conditions océaniques imposées.Moyennes des 20 années autour de 1998

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Les configurations de surface testées

Bicouche

Multicouche

2m

4m

11 couches 104 couches

2m

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Impact des configurations de sol sur l’évaporation

Changement d’évaporation entre deux modèles

31

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

1.5

1.55

1.6

2.05

2.1

2.15

2.2

2.25

2.3

2.35

2.4

2.45

2.5

12.4

12.6

12.8

13

13.2

13.4

13.6

13.8

14

14.2

Moyennes continentales sur 30 ans

Evaporation (mm/j) Précipitation (mm/j) Température (°C)

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Modélisation de la réponse océanique à une augmentation des gaz à effet de serre (GES)

SST imposées:-Control-98 -CC2xC02Couplé à un océan:-Control-PI-CC1%CO2

Evolution des concentrations (augmentation de 1% /an) Type de simulation

∆SST JJA (K)SST: Température de surface des océans

∆SST = SSTCC1%CO2 - SSTControl-PI

SSTCC1%CO2 = SSTControl-PI + ∆SST

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Moyennes continentales sur 30 ans

Evaporation (mm/j) Précipitation (mm/j) Température (°C)

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

1.5

1.55

1.6

22.05

2.12.15

2.22.25

2.32.35

2.42.45

2.5

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

1.5

1.55

1.6

Control2xCO2

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Patterns des différences de réponses organisés

( - )CC2xCO2 - ( - )Control-98

Changement des différences de température entre bicouche et multicouche suite à un doublement de C02

Analyse en composantes principales des climats

5 configurations de sol

• Humidité de l’air• Précipitations• Evaporation• Flux sensible• Flux VI descendant• Flux IR rescendant• L’humidité du sol

•Moyenne sur 30 ans

•Variance interannuelle

2060 mailles avec plus de 50% de continents

7 variables climatiques

2 opérations

Echantillon de 10300 individus Climat décrit par 14 valeurs

Projection des 10300 mailles dans l’espace propre issu de l’ACP de leurs 14 valeurs 35

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Classification automatique régions climatiques

Projection des 5x1060 mailles dans le plan principal

2 groupes 3 groupes 6 groupes

Pas de prise en compte de la configuration de sol.Ni de la position de la maille sur le globe terrestre.

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Répartition moyenne des régions climatiques

Config. de sol en désaccord

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Régions insensibles à la configuration de surface

• Régions équatoriales: changements d’évaporation indépendant de la configuration du sol (-0.17mm/j), pas de changement des précipitations.

• Régions mixtes, baisse généralisée des précipitations

• Régions arides: Pas de changement sur l’évaporation et les précipitations.

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Régions sensibles à la configuration de surface

• Régions polaires: seules régions où les précipitation augmentent, maximum de variation obtenu avec un fond imperméable

• Régions tempérées humides: baisse de l’évaporation limitée avec le multicouche

• Régions tempérées sèches: baisse importante de l’humidité du sol avec le bicouche alors qu’elle est augmentée avec le multicouche

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• A l’échelle globale, le module multicouche conduit à plus d’évaporation que le module bicouche et entraine climat continental plus froid.

• Les changements drainage-libre/imperméable sont moins importants que ceux multicouche/bicouche.

• L’influence de la configuration du modèle de surface sur le climat continental est plus importants au niveau des hautes et moyennes latitudes.

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Conclusions générales

• Le module multicouche permet de représenter diverses situations hydrogéologiques

• Prise en compte de nappe à faible profondeur est essentielle pour modéliser le climat en Ile de France.

• La répartition des climats continentaux est influencée par la configuration de sol utilisée dans les hautes et moyennes latitudes.

• La réponse du climat à une augmentation des GES au niveau des régions polaires et tempérées dépend de la configuration de sol.

• Une meilleure représentation globale des paramètres hydrauliques du sol, y compris de l’évolution verticale de ces paramètres, est un axe de perfectionnement des modèles climatiques à base physique.

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