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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.

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1 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)

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

3 Les incertitudes de la modélisation climatique Les scénarios démission de gaz à effet de serre La physique atmosphérique, paramétrisation des nuages, convection Les conditions limites en surface Bilan radiatif, daprès Trenberth et al. (2009) 3

4 Les modèles de surface continentale (LSM) 4 dénergie

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 (°C)

6 Biais chaud corrigé en augmentant lévaporation Observations (Trappe) ORCHIDEE : Bucket: Evaporation Flux de chaleur latente (W/m²) 6 Coindreau et al β = Evap/Epot Température (°C) P E β = 1/15 β = 1/3

7 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 dun modèle climatique via un meilleure représentation de lhydrologie souterraine? Comment tenir compte des spécificités hydrologiques locales dans un modèle climatique? Comment exploiter les mesures dun site dobservation 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 lhydrologie souteraine? 8

9 Plan 1.Construction dune configuration régionale à laide dun modèle climatique. 2.Sensibilité dun modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique 3.Impact de la configuration dun modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre 9

10 1.Construction dune configuration régionale à laide dun modèle climatique. 2.Sensibilité dun modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique 3.Impact de la configuration dun modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre 10

11 Maillage de surface zoomé Simulations « zoomé guidé » (LMDZ-ORCHIDEE) Guidage des vents et des températures de latmosphère autour du zoom Températures de surface des océans prescrites Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA) 11 Variables atmosphériques Composantes du bilan radiatif en surface Humidité du sol

12 ORCHIDEE, le LSM de lIPSL Bicouche Description conceptuelle de lhumidité 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 linfiltration et le ruissellement Drainage libre à la base du sol Les deux versions du module hydrologique 12

13 Comparaison des deux hydrologies dans la maille SIRTA 13 Bicouche Multicouche Bicouche Multicouche Obs. SIRTA % observation Cycle saisonier du flux de chaleure latente (W/m²) IPSL-CM5A IPSL-CM5B Météo France Measur. Uncert. Moyennes mensuelles des Température de lair à 2m

14 Humidité au SIRTA (%) SIRTAORCHIDEE Multicouche Sonde 1 5 cm Sonde 3 20 cm Sonde 5 50 cm Sonde ThetaProbe type ML2x 14

15 Nappe perchée au SIRTA Limon Argiles Sables Argiles Bièvre Yvette 100m 3 km Nappe Coupe Nord-Sud du plateau de Saclay Coupe Est-Ouest du basin parisien Carte géologique du nord de la France 15

16 Campagne de mesures géophysiques DécamètreTomographie électrique Cartographie Wenner alphaSismique réfraction TarièreMagnétisme (G856)Cartographie pôle-pôleElectromagnétisme (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 laide de mesures dhumidité du sol. Le module multicouche présente un biais négatif dévaporation au SIRTA. Le SIRTA est situé au dessus dune nappe perchée à faible profondeur. 17

18 1.Construction dune configuration régionale à laide dun modèle climatique. 2.Sensibilité dun modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique 3.Impact de la configuration dun modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre 18

19 Condition limite au fond du module multicouche 19 θ : Humidité du sol K: Conductivité hydraulique D: Diffusivité hydraulique N: Nombre de couche Echanges sol-végétation-atmosphère Flux entre couches selon Richards: Condition dorigine: 0-Drainage libre Nouvelles conditions: 1-Drainage réduit/nul ; 2-Saturation imposée 120

20 Nouvelle discrétisation du sol 11 couches 20 couches Profondeur (m) 20 Points de calcul ( )

21 Les differentes conditions limites testées F=1 : REFDrainage libre (default) F=0.1: F0.10 F=0.01: F0.01 F=0: F0.00Fond imperméable Zsat=2m: S2.0 Zsat=1,3: S1.3Saturation imposée Zsat=0,5: S0.5 Drainages intermédiaires 21

22 Impact sur les profils dhumidité au SIRTA Moyennes des simulations sur Mesures du SIRTA Moyennes des simulations sur la période de mesure du 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 22

23 Sensibilité dans la maille 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 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) 23

24 Etendu des modifications de la condition limite Drainage libre Drainage réduit / fond imperméable / nappe imposée 24 Référence: drainage libre Modification locale Modification globale

25 Changements globaux de la condition limite Variations dans la maille du SIRTA Précipitation (mm/j) Température de lair à 2m (K) Humidité spécifique de lair à 2m (g/kg) Flux latent (W.m-²) P-E(mm/j) Drainage nul - drainage libre Nappe à 1m30- Drainage libre Evaporation (mm/j) Moyennes sur Juillet-Aout 25

26 Conclusions partie 2 Tenir compte de lhydrologie 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 lEurope de lOuest est sensible à des changements globaux de la condition limite au fond. 26

27 1.Construction dune configuration régionale à laide dun modèle climatique. 2.Sensibilité dun modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique 3.Impact de la configuration dun modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre 27

28 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

29 Les configurations de surface testées Bicouche Multicouche 2m 4m 11 couches 104 couches 2m 29

30 Impact des configurations de sol sur lévaporation Changement dévaporation entre deux modèles 30

31 Moyennes continentales sur 30 ans Evaporation (mm/j)Précipitation (mm/j)Température (°C) 31

32 Modélisation de la réponse océanique à une augmentation des gaz à effet de serre (GES) SST imposées: -Control-98 -CC2xC02 Couplé 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 = SST CC1%CO2 - SST Control-PI SST CC1%CO2 = SST Control-PI + SST 32

33 Moyennes continentales sur 30 ans Evaporation (mm/j)Précipitation (mm/j)Température (°C) Control 2xCO2 33

34 Patterns des différences de réponses organisés 34 ( - )CC2xCO2 - ( - )Control-98 Changement des différences de température entre bicouche et multicouche suite à un doublement de C02

35 Analyse en composantes principales des climats 5 configurations de sol Humidité de lair Précipitations Evaporation Flux sensible Flux VI descendant Flux IR rescendant Lhumidité du sol Moyenne sur 30 ans Variance interannuelle 2060 mailles avec plus de 50% de continents 7 variables climatiques 2 opérations Echantillon de individusClimat décrit par 14 valeurs Projection des mailles dans lespace propre issu de lACP de leurs 14 valeurs 35

36 Classification automatique régions climatiques Projection des 5x1060 mailles dans le plan principal 2 groupes3 groupes6 groupes 36 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 37

38 Régions insensibles à la configuration de surface Régions équatoriales: changements dévaporation 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 lévaporation et les précipitations. 38

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 lévaporation limitée avec le multicouche Régions tempérées sèches: baisse importante de lhumidité du sol avec le bicouche alors quelle est augmentée avec le multicouche 39

40 Conclusions partie 3 A léchelle globale, le module multicouche conduit à plus dévaporation que le module bicouche et entraine climat continental plus froid. Les changements drainage-libre/imperméable sont moins importants que ceux multicouche/bicouche. Linfluence de la configuration du modèle de surface sur le climat continental est plus importants au niveau des hautes et moyennes latitudes. 40

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 lévolution verticale de ces paramètres, est un axe de perfectionnement des modèles climatiques à base physique. 41


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