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)
2
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
3
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)
4
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)
6
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
7
8
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?
9
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
10
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
11
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
12
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
13
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
14
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
15
Campagne de mesures géophysiques
Décamètre Tomographie électrique
Cartographie Wenner alpha Sismique réfraction
Tarière Magnétisme (G856) Cartographie pôle-pôle Electromagnétisme (EM31)
16
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.
18
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
Condition limite au fond du module multicouche
19
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 ( )
21
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
22
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
23
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)
24
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
Conclusions partie 2
• 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.
27
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
28
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
29
Les configurations de surface testées
Bicouche
Multicouche
2m
4m
11 couches 104 couches
2m
30
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)
32
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
33
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
34
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
36
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.
37
Répartition moyenne des régions climatiques
Config. de sol en désaccord
38
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.
39
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
40
Conclusions partie 3
• 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.
41
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.