Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.

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1 Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval

2 Introduction: variabilité climatique passée Source: IPCC-TAR (2001). Intergovernemental Panel for Climate Change-Third Assessment Report Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC) Tendance des précipitations sur le globe au cours du XX e siècle

3 Introduction: variabilité des débits Anomalies relatives (%) de précipitations et de débits pour le bassin du Niger (700 000km 2 )

4 Introduction: changements d'usage des sols Source: Sterling and Ducharne, 2006 Carte de végétation actuelle Carte de végétation « potentielle »

5 Introduction: Objectif de la thèse Quelle sera la tendance future des précipitations liée à l'augmentation des gaz à effet de serre? Quels sont les impacts relatifs des changements d'usage des sols et de pluviometrie au cours des 50 dernières années? Quels sont les processus de surface clés qui expliquent l'amplification du signal des précipitations à l'échelle des grands bassins versants?

6 Introduction: Plan de l'exposé I.Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versant a. Présentation d'ORCHIDEE b. Incertitudes induites par le forçage c. Rôle des eaux de surface III.Variabilité des débits de fleuves Africains a. Interactions entre les échelles b. Usage des sols et changement climatique Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

7 Introduction: Plan de l'exposé I.Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versant a. Présentation d'ORCHIDEE b. Incertitudes induites par le forçage c. Rôle des eaux de surface III.Variabilité des débits de fleuves Africains a. Interactions entre les échelles b. Usage des sols et changement climatique Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

8 Méthode d'analyse de simulations couplées Schéma d'un Modèle de Circulation Générale Couplé (CGCM) Discrétisation à une échelle entre 1,5 ° et 5 °

9 Simulations couplées: - CMIP2 (18 mod.) - IPCC-AR4 (23 mod) SimulationsNiveau de Gaz à Effet de Serre - 20c3m: XX e siècle - sresA2: Forte augmentation - sresA1B:Augmentation - sresB1: Faible augmentation - picntrl: Pré-industriels - 1pctto2x:CO 2 augmente 1%/an Nécessité d'établir une mesure simple et robuste Méthode d'analyse de simulations couplées Simulations couplées utilisées pour les analyses du changement climatique

10 Méthode d'analyse de simulations couplées Diagrammes Hovmöller (latitude/temps) de précipitations entre 5W et 5E pour 1979-2000

11 Diagnostics: Précipitation en JAS 1979-1984 (CMAP) LAT LON G Caractérisation des pluies Latitude du barycentre Longitude du barycentre Largeur de la bande Intensité moyenne Méthode d'analyse de simulations couplées

12 Climatologie de la latitude du barycentre (20C et CMAP) Méthode d'analyse de simulations couplées

13 Impact du changement climatique sur la latitude du barycentre Signal et incertitudes

14 Consensus: - Bande de précipitations moins large - Pluies plus intenses dans cette bande - Retrait tardif de la mousson Conclusion Signal et incertitudes

15 Incertitudes: - Nouveaux constrastes de températures de mer (SST) en début de saison - Opposition entre réchauffement moyen des océans et réchauffement des continents en milieu de saison - Pas de lien entre qualité des simulations de contrôle et accord sur le changement climatique Conclusion Signal et incertitudes

16 Introduction: Plan de l'exposé I.Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versant a. Présentation d'ORCHIDEE b. Incertitudes induites par le forçage c. Rôle des eaux de surface III.Variabilité des débits de fleuves Africains a. Interactions entre les échelles b. Usage des sols et changement climatique Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

17 LSM P R I D T EsEs HLHL HSHS HGHG R out R LW +R SW Schéma de fonctionnement d'un Modèle de Surface (LSM) Présentation d'ORCHIDEE Une maille de 1 °x1°

18 Module hydrologique de de Rosnay (1999) CWRR - Discrétisation de l'équation de Fokker-Planck (diffusion) sur 11 couches - Profil racinaire à décroissance exponentielle à partir de la surface - Plusieurs bilans hydrologiques sous-maille pour différents types de sol Présentation d'ORCHIDEE Le module hydrologique de Choisnel (Ducoudré et al., 1993) est encore utilisé par défaut dans ORCHIDEE

19 ekek 2 Evaporation Infiltration 4 K R max 3 p max 5 zszs z lim - Intégration temporelle sous-pas de temps de l'infiltration et de l'évaporation: 1 - Prise en compte du sol sous végétation dans l'évaporation du sol nu:2 - Variabilité sous-maille de l'infiltration en fonction:de la pente 3 des racines4 de la profondeur du sol:5 Principales améliorations d'ORCHIDEE Présentation d'ORCHIDEE 1 1

20 Principales améliorations d'ORCHIDEE Présentation d'ORCHIDEE Représentation plus fine des processus sous-pas de temps (d'infiltration et d'évaporation) Introduction de la variabilité sous-maille de plusieurs paramètres La nouvelle version de référence est appelée CWRR5

21 Ancien module de routage SOL P R I BB D B (S B ) B R D Q in Q 1 out Q 2 out Q 3 out Q out = Q in E Routage Hydrologie V1V1 V2V2 V3V3 Schéma de routage des fleuves d'ORCHIDEE Présentation d'ORCHIDEE

22 Nouveau module de routage (fp et mares) P B Q in Q 1 out Q out = Q in Routage Hydrologie V1V1 Q fp in S fp, V fp Q fp out E pot V2V2 V3V3 S fp, V fp Plaines d'inondations Présentation d'ORCHIDEE Q 2 out Q 3 out

23 Carte des surfaces interceptées par 8 stations de débits de fleuves Africains (d'après ORCHIDEE) Présentation d'ORCHIDEE Malanville Bamboi Koulikoro Edea Kinshasa Dongola Chiromo Luug

24 Estimation des incertitudes avec ORCHIDEE Incertitudes induites par le forçage - Forçage atmosphérique NCC * (1949-2002) - Utilisation d'un schéma de routage des fleuves (pas de temps de 1 jour) - Validation directe des débits simulés + Comparaison à des observations de débits + Choix de 2 couples d'années resp. humides (54-55) et sèches (71-72) Objectifs: Tester la sensibilité à la végétation et aux données de précip. utilisées Comparer à l'erreur moyenne entre débits observés et simulés Impact d'un changement de carte de végétation actuelle et d'un changement des données pluviométriques du forçage (CRU-IRD) sur les débits simulés? *NCC: NCEP Corrected by CRU, Ngo-Duc et al. 2005.

25 Erreurs et Incertitudes liées au forçage dans les simulations d'ORCHIDEE Incertitudes induites par le forçage Koulikoro Niger Malanville Niger Kinshasa Congo Dongola Nil Bamboi Volta Edea Sanaga Luug Jubba Chiromo Shire

26 Carte mondiale des eaux de surface Rôle des eaux de surface

27 Nouveau module de routage (fp et mares) P B Q in Q 1 out Q out = Q in Routage Hydrologie V1V1 Q fp in S fp, V fp Q fp out E pot V2V2 V3V3 S fp, V fp Plaines d'inondations et mares R R VpVp Sp,Sp, VpVp Sp,Sp, P E pot I Rôle des eaux de surface I

28 Incertitudes liées aux eaux de surface dans les simulations d'ORCHIDEE Rôle des eaux de surface Koulikoro Niger Malanville Niger Kinshasa Congo Dongola Nil Bamboi Volta Edea Sanaga Luug Jubba Chiromo Shire

29 Incertitudes majeures: 1. Les observations de précipitations utilisées 2. La carte de végétation uniquement sur quelques bassins 3. La représentation des eaux de surface: Pour les grands bassins: Les plaines d'inondations Pour les bassins arides: Les petites mares Conclusion Représentation des bassins versants Améliorations d'ORCHIDEE: - Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère. - Introduction de paramétristations pour différents types d'eaux de surface.

30 Introduction: Plan de l'exposé I.Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versant a. Présentation d'ORCHIDEE b. Incertitudes induites par le forçage c. Rôle des eaux de surface III.Variabilité des débits de fleuves Africains a. Interactions entre les échelles b. Usage des sols et changement climatique Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest

31 Variabilité des débits de fleuves Africains Koulikoro-Niger D=1407 m 3 /s S=120 000 km 2 Aniassue-Comoe D=106 m 3 /s S=67 000 km 2 Illustration sur deux bassins guinéens de taille moyenne ActuellePotentielle Végétation ActuellePotentielle Végétation

32 Interactions entre les échelles Répartition de la précipitation sur 50 ans

33 Interactions entre les échelles - Forte corrélation entre précipitation et débit sur l'ensemble des bassins - Lien entre précipitation et évaporation plus complexe à représenter - Quelles autres caractéristiques que la précipitation moyenne interviennent?

34 Interactions entre les échelles Caractérisation des précipitations par événements (par jour et par maille): Nombre, Intensité des événements, Durée de la saison

35 Interactions entre les échelles Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle (corrélations et régression multi-linéaire) Nombre d'événements Précipitation totale Evaporation totale Durée de la saisonIntensité des événements + + +-

36 Interactions entre les échelles Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle Conclusions La variabilité interannuellle de E sur les grands bassins versants est liée aux caractéristiques petite échelle de la pluie Ce lien implique l'importance: - de la variabilité haute fréquence des précipitations du forçage - des processus de petite échelle inclus dans le modèle: à petite échelle temporelle (intégration sous-pas de temps de I et E) à petite échelle spatiale (différentes variabilités sous-maille) - des efforts futurs à porter sur la représentation des hétérogénéités P = E + R P = E R ?

37 Usage des sols et changement climatique L'impact du partage à petite échelle de la pluie sur E et R pose 2 questions: Quel est l'impact d'un changement d'usage des sols sur E et R ? Est-il plus important que l'impact du changement de pluviométrie ( P) ?

38 Usage des sols et changement climatique Représentation des anomalies de débits par ORCHIDEE

39 Usage des sols et changement climatique Les changements de pluviométrie permettent d'expliquer la majeure partie de la variabilité des débits de grands fleuves au cours des 50 dernières années Ce résultat s'oppose à des études effectuées à petite échelle au Sahel(Séguis et al. 2004) ORCHIDEE représente les deux périodes de manière similaire même si aucune évolution du changement d'usage des sols n'est prise en compte Différence de représentation entre 1951-70 et 1971-90 Différences non significatives Rapports entre débits simulés et observés

40 Impact relatif des changements de pluviométrie et d'usage des sols sur 50 ans: Les résultats impliquent un impact non significatif du changement d'usage des sols par rapport au changement de pluviométrie Conclusion Lien entre échelles dans ORCHIDEE: - Importance des caractéristiques des événements pluvieux pour l'évaporation de grande échelle et donc pour la simulation des débits sur le long terme - Nécessité d'un modèle qui prend en compte les phénomènes petite échelle Variabilité des débits de fleuves Africains

41 Conclusions - Changement climatique - accord encore très faible sur: U ne mousson moins large, plus intense et retardée en fin de saison - Les fleuves Africains - cycle de l'eau fortement dépendant de: Précipitations reçues sur le bassin (moyennes ET variabilité haute fréquence) Rôle des inondations dans les grands bassins et des mares dans les bassins arides - Variabilité des débits de fleuves, pluviométrie et usage des sols: Importance des paramétrisations de phénomènes de petite échelle Impact non significatif de l'usage des sols par rapport à la pluviométrie

42 Perspectives - Changement climatique Quelles seront les mécanismes d'interconnections dans un climat futur? - Processus de surface et impacts Collaboration entre petite et grande échelle (paramétrisation adaptées) Effort pour orienter les travaux dans cette direction ALMIP (AMMA Land-surface Model Intercomparison Project) Construction d'un forçage de 50 ans à partir d'ERA40 GSWP3 pour comparer les réponses de modèles sur 50 ans? - ORCHIDEE Validation globale d'ORCHIDEE Impact des plaines d'inondations sur le cycle hydrologique du bassin du Parana Rétroactions entre processus hydrologiques et végétation (couplage avec STOMATE) Rétroaction des plaines d'inondations sur l'atmosphère (couplage avec LMDZ) Meilleure représentation des variabilités sous-maille, comme celle de la pluie

43 Merci de votre attention

44

45 Source: Vörösmarty et al., 2005 DIA/Q = relative water use Stress: Personnes en situation de stress hydrique dans les périodes de sécheresse Introduction: sécheresse et vulnérabilité

46 Signal et incertitudes AGCM Forçage: atmosphérique + océanique Signal de Changement Climatique LSM Sensibilité aux changements de: - SST moyenne globale - contrastes de SST - gaz à effet de serre (impact continental) - Modèle atmosphérique (AGCM) - Modèle de surface (LSM) Impact sur la pluviométrie simulée?

47 Altitude (m)Type de sol Fin Moyen Grossier Végétation potentielleVégétation actuelle Modélisation de la surface à grande échelle

48 Altitude (m)Type de sol Fin Moyen Grossier Végétation potentielleVégétation actuelle Modélisation de la surface à grande échelle Equatoriale

49 Altitude (m)Type de sol Fin Moyen Grossier Végétation potentielleVégétation actuelle Modélisation de la surface à grande échelle Guinéenne

50 Altitude (m)Type de sol Fin Moyen Grossier Végétation potentielleVégétation actuelle Modélisation de la surface à grande échelle Sahélienne

51 Altitude (m)Type de sol Fin Moyen Grossier Végétation potentielleVégétation actuelle Modélisation de la surface à grande échelle Saharienne

52 Répartition de la précipitation par latitude Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2* * Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM Modélisation de la surface à grande échelle Legende

53 Répartition de la précipitation par latitude Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2* * Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM Modélisation de la surface à grande échelle Equatoriale

54 Répartition de la précipitation par latitude Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2* * Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM Modélisation de la surface à grande échelle Guinéenne

55 Répartition de la précipitation par latitude Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2* * Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM Modélisation de la surface à grande échelle Sahélienne

56 Répartition de la précipitation par latitude Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2* * Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM Modélisation de la surface à grande échelle Saharienne

57 Impact des modifications par région CWRR1: Modification du calcul de l'Infiltration et de l'Evaporation CWRR2: + Evaporation du sol nu sous végétation CWRR3: + Réinfiltration en cas de faibles pentes CWRR4: + Impact des racines sur l'infiltration CWRR5: + Impact de la profondeur du sol sur le type de sol et l'infiltration CWRR5b: Test sur la résistance de structure de la canopée (bilan énergétique / feuille) CWRR2 CWRR3 CWRR4 CWRR5 CWRR5b Evaporation Infiltration Processus introduits dans ORCHIDEE

58 Processus clés: Région équatoriale: bilan d'énergie au niveau de la feuille Région guinéenne: infiltration avec la profondeur et les racines Région sahélienne: bilan d'énergie sous végétation, réinfiltration Conclusion Processus de surface Amélioration d'ORCHIDEE: Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère.

59 Incertitudes dans les simulations GSWP2 Incertitudes induites par les forçages Modification du Forçage: atmosphérique + surface Modification relative de Ruissellement + Drainage intégrés par bassin LSM Test de sensibilité validé sur 8 bassins versants Sensibilité relative de R+D au changement de forçage

60 Incertitudes dans les simulations GSWP2 Incertitudes induites par les forçages Modification du Forçage: atmosphérique + surface Modification relative de Ruissellement + Drainage intégrés par bassin LSM Test de sensibilité validé sur 8 bassins versants Sensibilité relative de R+D au changement de forçage Changement de carte de végétation (IGBP/UMD)

61 Incertitudes dans les simulations GSWP2 Incertitudes induites par les forçages Modification du Forçage: atmosphérique + surface Modification relative de Ruissellement + Drainage intégrés par bassin LSM Test de sensibilité validé sur 8 bassins versants Sensibilité relative de R+D au changement de forçage Changement de rayonnements (NCEP/SRB)

62 Incertitudes dans les simulations GSWP2 Incertitudes induites par les forçages Modification du Forçage: atmosphérique + surface Modification relative de Ruissellement + Drainage intégrés par bassin LSM Test de sensibilité validé sur 8 bassins versants Sensibilité relative de R+D au changement de forçage Changement de forçages atm. (ECMWF/GSWP) sauf P

63 Incertitudes dans les simulations GSWP2 Incertitudes induites par les forçages Modification du Forçage: atmosphérique + surface Modification relative de Ruissellement + Drainage intégrés par bassin LSM Test de sensibilité validé sur 8 bassins versants Sensibilité relative de R+D au changement de forçage Hybridation (ECMWF/GSWP) et correction des obs de P

64 Usage des sols et changement climatique Difficulté d'évaluer directement l'impact du changement de végétation Forçage atmosphérique VEG. 1 VEG. 2 Forçage atmosphérique (vent, humidité, temp.) LSM Forçage atmosphérique LSM Débits de fleuves LAI Type de Sol Recharge de réservoirs de «stockage»

65 Usage des sols et changement climatique Difficulte d'évaluer directement l'impact du changement de végétation Il est nécessaire de: - travailler avec des modèles couplés avec la végétation et l'atmosphère - d'effectuer de nouveaux développements du LSM Cette évaluation reste insatisfaisante à l'heure actuelle: Les incertitudes dépassent largement l'amplitude de la réponse en terme de débit