Soutenance de Thèse, 21 Juin 2013 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 Atmospérique Globale Océanique Globale Modèle de Glace Modèle de Surface Continentale (LSM) Température de surface de 20 modèles climatiques (CMIP5) Modèle climatique = réunion de plusieurs modèles numériques Il existe un vingtaine de modèle climatiques au GIEC Enjeux=modélisation du climat futur Les GES sont ils dangereux pour notre environnement? Suckling E. 2011

Les incertitudes de la modélisation climatique Bilan radiatif, d’après Trenberth et al. (2009) Scénario Pour un même scénario, plusieurs modèles diffèrent =>nuage: bilan radiatif au sein de l’atmosphère (peut changer les températures) =>sol : bilan radiatif en surface, partitionnement flux de chaleurs latent/sensible Les scénarios d’émission de gaz à effet de serre La physique atmosphérique, paramétrisation des nuages, convection Les conditions limites en surface

Les modèles de surface continentale (LSM) d’énergie Epaisseur finie de sol Traite le bilan radiatif et hydrique Disponibilité en eau va impacter l’évaporation Cas extrêmes (sec/humide), région tempérée

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.

Flux de chaleur latente (W/m²) Biais chaud corrigé en augmentant l’évaporation β = 1/15 β = 1/3 Coindreau et al. 2007 Observations (Trappe) ORCHIDEE : Bucket: β = Evap/Epot P E Evaporation Flux de chaleur latente (W/m²) Température (°C)

Modélisation des nappes phréatiques Modèle de surface Estimation du niveau des nappes (m) (Macho et al. 2013)

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?

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

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 « 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 LMDZ Maillage resserré sur le site du SIRTA, pour comparaison à des obs Pour reproduire la météo autour du zoom, et contraindre les limites du domaine d’étude => guidage SST imposé

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 Bicouche, description simplifié du sol sur 2m Multicouche, description physique Comparaison difficile Effet sur l’atmosphère plus facilement étudiable

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 Obs. SIRTA % observation On reproduit bien la variabilité interannuelle Biais chaud systématique du bicouche en été, vide d’eau l’été Corrigé par le multicouche qui évapore plus, l’eau est conservé et rendu disponible On évapore toujours pas assez Measur. Uncert. IPSL-CM5A IPSL-CM5B

Humidité au SIRTA (%) SIRTA ORCHIDEE Multicouche Sonde ThetaProbe type ML2x SIRTA ORCHIDEE Multicouche Sonde 1 5 cm Sonde 3 20 cm Présenter les sondes Humidité au SIRTA comparable au multicouche mais pas bicouche => on utilise le multicouche La dernière sonde saturée Sonde 5 50 cm

Nappe perchée au SIRTA Coupe Est-Ouest du basin parisien Limon Argiles Sables Bièvre Yvette 100m 3 km Nappe Nappe a faible profondeur sont courante dans le bassin parisien (pile d’assiette, structure stratifié, alternance de niveau perméable et imperméables) La maille du SIRTA recouvre plusieurs type de sol en surface, mais le SIRTA est représentatif d’une bonne partie de la maille. Plateau de Saclay, nappe perchée à faible profondeur. Présent sur l’ensemble de la zone du SIRTA Comment prendre en compte une nappe cette nappe dans ORCHIDEE On peut se permettre de représentrer le SIRTA sur toute la maille Carte géologique du nord de la France Coupe Nord-Sud du plateau de Saclay

Campagne de mesures géophysiques Décamètre Tomographie électrique Cartographie Wenner alpha Sismique réfraction Tarière Magnétisme (G856) Cartographie pôle-pôle Electromagnétisme (EM31)

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.

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 Echanges sol-végétation-atmosphère Flux entre couches selon Richards: 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 discrétisation du sol 11 couches 20 couches Profondeur (m) Multicouche couplée avec LMDZ Flux d’eau entre chaque couche selon Richards A la base du sol drainage libre=humidité constant en profondeur à partir du dernier niveau constante Réduire drainage pour tenir compte d’un changement de faciès, voir niveau imperméable => F Mais gradients deviennent irréaliste => besoin d’affiner la discrétisation verticale du sol Discrétisation permet également de prescrire simplement une nappe en profondeur Points de calcul ( )

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’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

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) Biais d’évaporation l’été corrigé Baisse associé du flux sensible Pas d’effet sur les précipitation => pas de recyclage locale

Etendu des modifications de la condition limite Référence: drainage libre Modification locale Modification globale Test de sensibilité à plus grande échelle Les précipitations Drainage libre Drainage réduit / fond imperméable / nappe imposée

Changements globaux de la condition limite Drainage nul - drainage libre Nappe à 1m30- Drainage libre 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) Réponse de l’évaporation différentes, le climat dans la maille SIRTA a bien plus changé Humidité plus forte Précipitations augmente l’été Refroidissement plus important qu’avec des modifs local Température de l’air à 2m (K) P-E(mm/j) Moyennes sur Juillet-Aout

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.

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 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 testées 4m Bicouche 2m 11 couches 104 couches Cette fois ci pas d’observations On utilise a nouveau le bicouche comme référence Version 4m utilisé pour exercice CMIP5, permet d’avoir une plus grande réserve d’eau dans le sol et d’assurer l’évaporations dans les forets tropicales. Multicouche, avec drainage Multicouche 104, lors de debugge Multicouche 104 avec fond imperméable 2m Multicouche

Impact des configurations de sol sur l’évaporation Cette fois ci pas d’observations On utilise a nouveau le bicouche comme référence Version 4m utilisé pour exercice CMIP5, permet d’avoir une plus grande réserve d’eau dans le sol et d’assurer l’évaporations dans les forets tropicales. Multicouche, avec drainage Multicouche 104, lors de debugge Multicouche 104 avec fond imperméable Changement d’évaporation entre deux modèles

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

∆SST = SSTCC1%CO2 - SSTControl-PI 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 2 simulations couplée à océan avec même condition initiales 1 CO2 fixe ws CO2 1% On récupère le cycle saisonnier moyen sur 20ans 20 ans car c’était la longueure de la période des moyennes des SST des simus précédentes Identifier des zones ou les réponses du climat au GES sont caractéristiques SST: Température de surface des océans ∆SST = SSTCC1%CO2 - SSTControl-PI SSTCC1%CO2 = SSTControl-PI + ∆SST ∆SST JJA (K)

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

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

Classification automatique régions climatiques Projection des 5x1060 mailles dans le plan principal 2000 mailles de surface qui on plus de 50% de continent 5 simulations =>10 000 climats qu’on identifie par la moyennes et la variance des 7 variables Analyse en composantes principales des 10 000 climats, indépendamment du modèle de sol utilisé et de la position de la maille corr sur le globe Projection dans l’espace propres pour une classification automatiques des 10 000 climats en groupes homogènes 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.

Répartition moyenne des régions climatiques Config. de sol en désaccord Climat dominant parmi les 5 configurations de sol Organisation principalement lié à la latitude Les désaccord entre config de sol sont surtout dans les régions tempérées

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.

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 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 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.