Intercomparison of the ELDAS LSSs using the Rhône Aggregation Experimental Setup Aaron Boone, Florence Habets, Joel Noilhan, Bart Van den Hurk, Martin Lange, Jose Parodi, Bodo Ritter and Ernesto Rodriguez GSWP

Objectives: Projet: GEWEX Rhône: GLASS, GSWP2 International Inter-comparison Project 15 (+ 3 ELDAS) SVATs 3 year simulation (1986-1989) of regional-scale water and energy budgets (ELDAS) Evaluation of snow and discharge simulations (ELDAS) Impact of changing spatial scale on the simulations SAFRAN SVAT MODCOU weather runoff Snow Discharge Evaluation using observations

ELDAS SVATs: ISBA = CNRM Météo-France ECMWF = European Center for Medium Range Weather Forecasts TECMWF = modified ECMWF: KNMI Dutch Weather Service DWD = German Weather Service INM = Spanish NWP Dept.

INM is a composite scheme: showed no skill for mountain basins Results: Snow evaluation using snowdepth at 24 sites over 3 years: daily obs Best simulations by « explicit » snow schemes « Composite » snow schemes underestimated snow depth/SWE: precocious melt SnowDepth and SWE consistent Poor discharge simulations by « explicit » snow schemes for mountainous basins (eg. Durance) INM is a composite scheme: showed no skill for mountain basins SWAP: best simulation (in red) as a reference: ISBA and DWD « explicit », TECMWF (snow tile), INM = « composite »

Soil wetness index averaged over 3 years to left: very little agreement, but spatial pattern *somewhat* similar: dry in south, wettest in mts To right: spatially averaged daily SWI (3 yr avg daily values) …each model mean has been removed all model-AVG plotted in red…so time tendency in SWI (and soil water as nearly all models used same parameters and depth) similar soil wetness HERE (SWI) = (w-wilt)/(wsat-wilt)

Total runoff spatial pattern similar Surface (fast) runoff on left Drainage (slow component) on right Partitioning primarily a fn of sub-grid runoff scheme Partitioning effects daily discharge 3 yr AVG runoff components.

Discharge: Viviers represents 80% of basin surface Best schemes: approximately 20% of total runoff is surface runoff (fast response) Sub-grid runoff more important for smaller basins: eg. INM_r (rerun) Bucket-type schemes showed no skill (ORCHIDEE, CHASM) INM had significant imporvment for Ardeche due to sub-grid runoff…efficiency changed from .48 to .72 DWD has larger Evap than other LSSs, esp baresoil: largest of all but 1 SVAT TECMWF best of 3 ECMWF schemes: MECMWF like ECMWF, but with sub-grid runoff and van G ’ncten…TECMWF uses Cosby et al (Clapp and Horn) with weaker topo effect 3-year average monthly discharge: statistics using daily observations

Discharge: Correlation squared for 100 basins using daily observations. Normalized frequency shown. DWD_r slightly improved (soil model) INM_r (include sub-grid runoff): significant improvement compared to INM TECMWF: best of 3 ECMWF schemes (ECMWF has no sub-grid runoff) ISBA uses a simple VIC-based sub-grid runoff (constant parameter) INM had significant imporvment for Ardeche due to sub-grid runoff…efficiency changed from .48 to .72 DWD has larger Evap than other LSSs, esp baresoil: largest of all but 1 SVAT TECMWF best of 3 ECMWF schemes: MECMWF like ECMWF, but with sub-grid runoff and van G ’ncten…TECMWF uses Cosby et al (Clapp and Horn) with weaker topo effect Histograms of discharge simulation for 100 basins: correlation squared: best simulations skewed to right

Conclusions: ELDAS results generally consistent with Rhone-AGG default schemes SnowDepth only simulated well by « explicit » or « snow tile-devoted » schemes. « Composite » schemes (eg. INM) underestimate SWE Dischage: sub-grid runoff more critical for medium to small sized basins (eg. Ardeche), and « explicit » snow required for mountanous basins Soil Moisture highly variable among schemes: equilibrium a fn of interplay between runoff (esp. Sub-grid), evapotranpiration and soil model: ISBA relatively dry compared to other models (due to field capacity Force-Restore parameter) Soil moisture tendency phase and amplitude in good agreement among most schemes Major improvements: DWD snow scheme, INM runoff (addition of VIC-type scheme), TECMWF (weaker topographic variability response, Clapp and Hornberger parameter model)

The Safran-Isba-Modcou (SIM) model: SIM: real-time ‘off-line’ simulation of the surface energy and water budgets and the daily river flows over France: Safran: OI interpolation of the atmpospheric forcing from surface network at 8 km over France and hourly time step ISBA: surface fluxes, soil moisture, runoff, snow MODCOU: daily riverflows and underground water (Seine basin) SIM: calibrated for the Garonne, Rhone, Seine and Loire river basins on the long term ( 7 to 20 years) Possible use of SIM outputs in Eldas: Comparison of SWI from Eldas assimilation and from SIM over France for year 2000 Comparison of Eldas monthly runoff with riverflows of large basins for 2000

• Le système SAFRAN-ISBA-MODCOU (SIM) ISBA + Modcou Analyse SAFRAN Analyses ARPEGE ou ECMWF Observations de surface entrées Analyse SAFRAN Forçage atmosphérique: Pluie, neige, humidité rayonnements incidents, température,vent… sorties E Schéma de surface Photosynthèse, Végétation interactive H ISBA G + Neige Données physiographiques pour le sol et la végétation Qr Qi Analyse Safran au pas horaire (oper depuis mars 2003) des variables atmosphériques (incluant précip et flux radiatifs incidents) sur une grille régulière de 8 km ISBA: calcul du cycle diurne des bilans d’énergie et hydrique (évap., eau du sol, neige) et des écoulements: ruissellement de surface et drainage à la base du sol. Ces flux de ruissellement sont cumulés sur un jour et transmis au modèle hydrologique distribué MODCOU (CIG/ENSMP) qui calcule le routage de l’eau dans le réseau hydrographique de surface (1km de résolution), le niveau des aquifères (ex. Seine) et estime le débit journalier. Le système SIM sera oper. En déc. 2003. Rétroaction de la nappe sur l’humidité des sols Débits journaliers Modèle hydrologique Modcou • Nappe

Densité d’observation des variables atmosphériques Réseau synoptique (Ta, Qa, Ua,Nébulosité, Ryt global, pression) Une carte montrant la densité d’observations de surface considérées dans SAFRAN. A noter que la densité totale des pluvio. (incluant le RCE) n’est obtenue qu’après un temps de concentration d’environ 45 j. Les grandes études hydrométéorologiques sur Seine, Rhone, Garonne, Loire ont été réalisées avec cette version climatologique. En temps réel, la densité pluvio est environ divisée par 5 (environ 1200 postes). Précipitation journalière

Carte végétation ecoclimap Base végétation Ecoclimap à 1km carte des sols: INRA (en France), FAO (ailleurs) Carte de végétation: en France: Corine + carte de climat + archives données satellites NDVI Un exemple de carte de végétation en entrée d’ISBA. Un effort a été fait sur la France pour distinguer plusieurs types de cultures (non distingués dans le produit Corine actuel) en utilisant l’information satellitaire dans le domaine optique (variation décadaire de l’indice NDVI de VEGETATION). La texture du sol est aussi décrite à partir de la carte des sols de l’INRA à 1 km sur la France. Les classes de culture

Réseau hydrographique Déduit de la topographie 1 km et d’un S.I.G., corrigé à partir des atlas et des données de la banque Hydro 181373 mailles de 1 à 8 km de coté 20603 mailles rivières 900 stations hydrométriques simulées Le réseau hydrographique Français mis en place pour l’application MODCOU, avec l’aide du CEMAGREF de Lyon (E. Leblois). Ce réseau a été critiqué bassin pas bassin à partir atlas banque hydro (en particulier pour la vérification des surfaces drainées) (Guenver et Perrot 2003).

Application de SIM France Paramètres physiograhiques fournis par Ecoclimap Evolution végétation donnée par Vegetation 2000 Quelques commentaires sur application SIM: Safran et ISBA tournent sur la grille 8km et Modcou (en gris) sur une grille variant de 1 à 8 km. Le domaine Safran-Isba taille assez large. Le système a té desté sur de longues durées avec un succès comparable: Adour-Garonne (thèses Habets 98, Morel 2003), Rhône (thèse Etchevers 2000, projet Gewex), Seine (stage IT Rousset 2003, FCPLR en cours) sur 18 ans, Loire (stage Tech. 2003): 8 ans. Resultats: premières climatologies hydro météorologique jamais réalisées sur les grands bassins Français: consistance entre météorologie – flux de surface – ruissellement et débits journaliers, bonne capacité du modèle à simuler les débits journaliers des bassins > 1000 km2 avec résultats mitigés pour petits bassins (imprécision des forcages de pluie à petite échelle), bonne simulation du manteaux neigeux, amélioration récente de la simulation des étiages et prise en compte de l’irrigation sur l’Adour.

Un exemple de climatologie du bilan hydrique sur la France en sortie de SIM pour les années 2000, 2001 et 2002. Actuellement, ces éléments sont établis de 95 à nos jours sur tout le domaine France. Noter la forte variabilité inter annuelle des écoulements, et la forte variabilité spatiale de ces termes. (l’évaporation sur les Alpes est fortement réduite à cause de la neige au profit de l’écoulement)

Evolution de l’indice d’humidité du sol du 8/99 au 8/00 Une sortie importante de SIM: le contenu en eau total du sol (entre 1 et 3m suivant type de végétation). Ici on présente le Soil Wetness Index (SWI) = 1 à la capacité au champ (l’hiver) et 0 au point de flétrissement ). Cette sortie pourra être utilisée pour initialiser modèles atmosphériques de méso-échelle et modèle hydrologique.