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Influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle régionale et globale. Aurélien CAMPOY Soutenance de Thèse, 21 Juin 2013 Directeurs: Agnès DUCHARNE (Sisyphe) Frédéric HOURDIN (LMD) Frédérique CHERUY (LMD). Modélisation du climat. Modèle de Circulation

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Presentation Transcript
influence de l hydrologie souterraine sur la mod lisation du climat l chelle r gionale et globale

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

Aurélien CAMPOY

Soutenance de Thèse, 21 Juin 2013

Directeurs: Agnès DUCHARNE (Sisyphe)

Frédéric HOURDIN (LMD)

Frédérique CHERUY (LMD)

mod lisation du climat
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
les incertitudes de la mod lisation climatique
Les incertitudes de la modélisation climatique

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

  • Les scénarios d’émission de gaz à effet de serre
  • La physique atmosphérique, paramétrisation des nuages, convection
  • Les conditions limites en surface
biais chaud continental dans les r gions temp r es
Biais chaud continental dans les régions tempérées

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

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.

slide6

Biais chaud corrigé en augmentant l’évaporation

β=1/15

β=1/3

Coindreau et al. 2007

Observations (Trappe)

ORCHIDEE :

Bucket:

P E

β=Evap/Epot

Evaporation

Flux de chaleur latente (W/m²)

Température (°C)

slide7

Modélisation des nappes phréatiques

Modèle de surface

Estimation du niveau des nappes (m)

(Macho et al. 2013)

questions
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?
slide9
Plan
  • Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique.
  • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique
  • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre
slide10

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

  • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique
  • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre
simulations zoom guid lmdz orchidee
Simulations « zoomé guidé » (LMDZ-ORCHIDEE)

Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA)

Variables atmosphériques

Composantes du bilan radiatif en

surface

Humidité du sol

Maillage de surface zoomé

  • Guidage des vents et des températures
  • de l’atmosphère autour du zoom
  • Températures de surface des
  • océans prescrites
orchidee le lsm de l ipsl
ORCHIDEE, le LSM de l’IPSL

Les deux versions du module hydrologique

  • 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 sol
  • Multicouche
  • 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
comparaison des deux hydrologies dans la maille sirta
Comparaison des deux hydrologies dans la maille SIRTA

Moyennes mensuelles des

Température de l’air à 2m

Météo France

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

Bicouche

Multicouche

Bicouche

Multicouche

Obs. SIRTA

% observation

Measur. Uncert.

IPSL-CM5A

IPSL-CM5B

humidit au sirta
Humidité au SIRTA (%)

Sonde ThetaProbe type ML2x

SIRTA

ORCHIDEE

Multicouche

Sonde 1

5 cm

Sonde 3

20 cm

Sonde 5

50 cm

nappe perch e au sirta
Nappe perchée au SIRTA

Limon

Argiles

Sables

Argiles

Coupe Est-Ouest

du basin parisien

Nappe

100m

Bièvre

Yvette

3 km

Carte géologique du nord de la France

Coupe Nord-Sud du plateau de Saclay

campagne de mesures g ophysiques
Campagne de mesures géophysiques

Décamètre

Tomographie électrique

Cartographie Wenner alpha

Sismique réfraction

Tarière

Magnétisme (G856)

Cartographie pôle-pôle

Electromagnétisme (EM31)

conclusions partie 1
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.
slide18

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

  • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique
  • 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
Condition limite au fond du module multicouche
  • Echanges sol-végétation-atmosphère
  • Flux entre couches selon Richards:

0

1

2

  • Condition d’origine:
  • 0-Drainage libre
  • Nouvelles conditions:
  • 1-Drainage réduit/nul
  • ;
  • 2-Saturation imposée

θ : Humidité du sol

K: Conductivité hydraulique

D: Diffusivité hydraulique

N: Nombre de couche

nouvelle discr tisation du sol
Nouvelle discrétisation du sol

11 couches

20 couches

Profondeur (m)

Points de calcul ( )

les differentes conditions limites test es
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 : S1.3 Saturation imposée
  • Zsat=0,5 : S0.5

Drainages intermédiaires

impact sur les profils d humidit au sirta
Impact sur les profils d’humidité au SIRTA

F=1 : REF

F=0.1 : F0.10

F=0.01 : F0.01

F=0 : F0.00

Zsat=2m : S2.0

Zsat=1,3 : S1.3

Zsat=0,5 : S0.5

Moyennes des simulations sur 2002-2009

Mesures du SIRTA

Moyennes des simulations sur la période de mesure du SIRTA

sensibilit dans la maille sirta
Sensibilité dans la maille SIRTA

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

F=1 : REF

F=0.1 : F0.10

F=0.01 : F0.01

F=0 : F0.00

Zsat=2m : S2.0

Zsat=1,3 : S1.3

Zsat=0,5 : S0.5

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

Précipitations au SIRTA (W.m-²)

etendu des modifications de la condition limite
Etendu des modifications de la condition limite

Référence:

drainage libre

Modification locale

Modification globale

Drainage libre

Drainage réduit / fond imperméable / nappe imposée

changements globaux de la condition limite

Drainage nul - drainage libre

Nappe à 1m30-

Drainage libre

Changements globaux de la condition limite

Variations dans la maille du SIRTA

Evaporation (mm/j)

Flux latent (W.m-²)

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

Précipitation (mm/j)

Précipitation (mm/j)

Température de l’air à 2m (K)

P-E(mm/j)

Moyennes sur Juillet-Aout

conclusions partie 2
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.
slide27

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

  • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique
  • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre
simulations climatiques de contr le
Simulations climatiques de contrôle
  • Modèle atmosphérique:LMDZ
  • Composition atmosphérique de 1998
  • Modèle de surface ORCHIDEE
  • 5 configurations testées
  • Conditions océaniques imposées.
  • Moyennes des 20 années autour de 1998
les configurations de surface test es
Les configurations de surface testées

Bicouche

4m

2m

11 couches

104 couches

2m

Multicouche

impact des configurations de sol sur l vaporation
Impact des configurations de sol sur l’évaporation

Changement d’évaporation entre deux modèles

moyennes continentales sur 30 ans
Moyennes continentales sur 30 ans

Evaporation (mm/j)

Précipitation (mm/j)

Température (°C)

mod lisation de la r ponse oc anique une augmentation des gaz effet de serre ges
Modélisation de la réponse océanique à une augmentation des gaz à effet de serre (GES)

Evolution des concentrations (augmentation de 1% /an)

Type de simulation

SST imposées:

-Control-98

-CC2xC02

Couplé à un océan:

-Control-PI

-CC1%CO2

SST: Température de surface des océans

∆SST = SSTCC1%CO2 - SSTControl-PI

  • SSTCC1%CO2 = SSTControl-PI + ∆SST
  • ∆SST JJA (K)
moyennes continentales sur 30 ans1

Control

2xCO2

Moyennes continentales sur 30 ans

Evaporation (mm/j)

Précipitation (mm/j)

Température (°C)

patterns des diff rences de r ponses organis s
Patterns des différences de réponses organisés

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

( -)CC2xCO2 - ( - )Control-98

analyse en composantes principales des climats
Analyse en composantes principales des climats
  • Humidité de l’air
  • Précipitations
  • Evaporation
  • Flux sensible
  • Flux VI descendant
  • Flux IR rescendant
  • L’humidité du sol
  • Moyenne sur
  • 30 ans
  • Variance
  • interannuelle

5 configurations de sol

2060 mailles avec plus de 50% de continents

7 variables climatiques

2 opérations

  • Echantillon de 10300 individus
  • Climat décrit par 14valeurs
  • Projection des 10300 mailles
  • dans l’espace propre issu de l’ACP de leurs 14 valeurs
classification automatique r gions climatiques
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.

r gions insensibles la configuration de surface
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.
r gions sensibles la configuration de surface
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
conclusions partie 3
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.
conclusions g n rales
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.