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Modélisation du cycle de l’eau continental
La modélisation du cycle de l’eau permet tout d’abord la compréhension des processus mis en jeu entre les différentes composantes ainsi que l’Étude de leur représentation spatiotemporelle. Les rétroactions entre les composantes y sont représentées a n d’Évaluer leurs impacts dans le cycle. En n, d’un point de vue plus large, la modélisation est vraisemblablement un outil indispensable pour adopter une stratégie d’optimisation des ressources en eau face aux besoins croissants de la population en estimant la demande réelle en eau.
Le début de la modélisation de la surface date environ des annÉes 70 oé les paramŁtres comme la disponibilitÉ en eau sont introduits. Manabe (1969) reprÉsente les Échanges ÉnergÉtiques et hydriques l’interface via un modŁle d’humiditÉ de sol Bucket, un modŁle uni-couche pensÉ par Budyko (1956). Similaire un seau, le rÉservoir se remplit s’il y a convergence d’humiditÉ et un Écoulement se dÉclenche lorsque ce rÉservoir est plein. La prise en compte des e ets de la vÉgÉtation appara t 10 ans plus tard dans SiB (Simple Biosphere, Sellers et al., 1986) et un e ort de rÉalisme des Échanges entre l’interface sol-vÉgÉtation-atmosphŁre a ÉtÉ rÉcemment apportÉ gr ce des modŁles tels que SECHIBA (SchÉmatisation des EChanges Hydriques l’Interface BiosphŁre-AtmosphŁre, DucoudrÉ et al., 1993). Ce dernier modŁle, qui est aujourd’hui un module d’ORCHIDEE (ORganising Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms, http ://orchidee.ipsl.jussieu.fr/), sera utilisÉ tout le long de mon travail.
Synthèse et objectifs poursuivis
Les milieux sont en perpÉtuelle interaction avec l’anthroposphŁre et la technosphŁre caractÉrisant la perturbation du milieu par l’homme par le biais d’une force technique grandissante et d’une demande sociale exigeante. La modÉlisation o re un outil prÉcieux a n de reprÉsenter les processus majeurs ÉnergÉtiques et hydriques au sein de la biosphŁre. La prise en compte des rÉtroactions entre les composantes du systŁme sol-vÉgÉtation-atmosphŁre est la condition nÉcessaire pour Évaluer l’impact d’actions anthropiques tels que le changement d’utilisation des terres, l’Émission des gaz e ets de serre ou encore l’irrigation des cultures.
Ce dernier point reprÉsente le l conducteur de mon travail de modÉlisation mais requiŁre au prÉalable un travail approfondi sur plusieurs aspects du modŁle utilisÉ. En e et, l’irrigation reprÉsentant un prÉlŁvement d’eau substantiel dans les euves (principalement) pour l’ajouter au sol des cultures, il est par consÉquent important de s’assurer de la bonne reprÉsentation des processus liÉs l’humiditÉ des sols et des dÉbits des riviŁres dans le modŁle. Cependant, dans un premier temps, il n’est pas raisonnable de regarder avec prÉcision l’Échelle mondiale la capacitÉ d’un modŁle simuler un processus. En e et, l’hÉtÉrogÉnÉitÉ spatiale des fonctionnements hydriques et ÉnergÉtiques la surface continentale du globe nous impose dans un premier temps de cibler notre lieu d’Étude gÉographique. De plus, le temps de calcul pour des Études de sensibilitÉ du modŁle est un des facteurs limitant. C’est pourquoi, le bassin versant (dÉ ni dans l’encadrÉ ci-dessous) du Mississippi parait Œtre un domaine convenable d’Étude puisqu’il est un des bassins versants mondiaux les plus irriguÉs. De plus, les nombreuses donnÉes d’observations aussi bien en humiditÉ du sol qu’en dÉbit des riviŁres nous permettent d’Évaluer les performances de notre modŁle. En n, la rÉsolution ne des donnÉes climatiques disponibles sur les tats-Unis pour forcer notre modŁle est un ÉlÉment important.
Le modŁle de surface SECHIBA
CrÉÉ et dÉveloppÉ au Laboratoire de MÉtÉorologie Dynamique (LMD, http ://www.lmd.jussieu.fr/), de l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL, http ://www.ipsl.fr/), le modŁle SECHIBA est un modŁle de surface (Land Surface Model, LSM) reprÉsentant les processus physiques s’exer ant l’interface sol-vÉgÉtation-atmosphŁre.
DucoudrÉ et al. (1993) a dÉveloppÉ au LMD le modŁle reprÉsentant les ux Évaporatifs travers l’interface (SECHIBA) qui fait aujourd’hui partie d’ORCHIDEE. Plusieurs ÉlÉments furent apportÉs ensuite au modŁle dans le but d’intÉgrer la reprÉsentation hydrologique l’interface sol-vÉgÉtation atmosphŁre. En e et, l’introduction d’un pro l racinaire dans le sol a permis une meilleure reprÉsentation du stress hydrique de la vÉgÉtation dans le modŁle (De Rosnay and Polcher, 1998). Rapidement, l’idÉe de crÉer une interface entre le modŁle de surface et le modŁle de circulation gÉnÉrale a ÉtÉ appliquÉe (Polcher et al., 1998). La volontÉ d’une meilleure reprÉsentation du contr le de l’Évapotranspiration par le systŁme sol-vÉgÉtation a conduit au dÉveloppement d’une nouvelle hydrologie du sol dans le modŁle (De Rosnay, 1999; De Rosnay et al., 2000). L’Écoulement horizontal de l’eau provenant du ruissellement de surface et du drainage est reprÉsentÉ suite au travaux de Polcher (2003). Si les principaux ÉlÉments du cycle de l’eau Étaient prÉsents dans le modŁle, la prise en compte d’une des perturbations anthropiques majeures de ce cycle qu’est l’irrigation y Était absente. C’est pourquoi sa paramÉtrisation fut introduite par De Rosnay et al. (2003). La reprÉsentation des cultures types C3 et C4 a contribuÉ la meilleure prise en compte de la diversitÉ vÉgÉtale (Gervois et al., 2004). En n, le fait de prendre en compte des processus de rÉ-in ltration de l’eau dans les sols gr ce au travail de D’Orgeval et al. (2008) apporte une amÉlioration non nÉgligeable quant la reprÉsentation de l’humiditÉ de surface dans certaines rÉgions comme l’Afrique de l’Ouest.
En parallŁle, un module nommÉ STOMATE (Saclay Toulouse Orsay Model for the Analysis of Terrestrial Ecosystems, Viovy, 1996) simulant les processus biochimiques la surface a été élaboré au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE). De plus, LPJ (Lund-Postdam-Jena, Sitch et al., 2003) est un autre module qui simule l’Évolution dynamique de la vÉgÉtation. Dans ce travail, nous avons jugÉ raisonnable de ne pas activer ces deux modules. En e et, notre Étude se concentre sur les processus hydrologiques verticaux et horizontaux dans SECHIBA et nous avons choisi de suivre des hypothèses simples concernant la modélisation du couvert végétal, dÉclinÉes tout le long de ce chapitre. Certes STOMATE et LPJ conféreraient l’étude une précision consÉquente pour modéliser la végétation mais apporteraient en contre parti un degrÉ de complexitÉ non nÉgligeable dans les interactions des processus du continuum sol-vÉgÉtation-atmosphŁre et de ses rétroactions.
Les données d’entrées atmosphériques
SECHIBA utilise un pas de temps de 30 minutes pour reprÉsenter les processus physiques de surface. Ce pas de temps est le mŒme que celui que l’on utilise dans la physique du modŁle de climat. La rÉsolution spatiale est, quant elle, dÉterminÉe par celle du for age atmosphÉrique utilisÉ. Pour simuler les ux de surface et les mouvements de l’eau dans le sol, SECHIBA doit recevoir un certain nombre de donnÉes d’entrÉe concernant l’atmosphŁre. Elles proviennent soit de donnÉes d’observations en un point ou d’une rÉgion donnÉe soit d’un modŁle de circulation gÉnÉrale (MCG ou GCM en anglais). Le premier cas est appelÉ for age et le second couplage. Le relief de la surface du sol n’est pas reproduit dans le modŁle mais est pris en compte implicitement dans la variabilitÉ des for ages atmosphÉriques ou dans le GCM. Ainsi, seule la vÉgÉtation a un impact sur la turbulence proche de la surface.
Forage
Les informations atmosphÉriques peuvent provenir uniquement de donnÉes mÉtÉorologiques qui sont souvent une combinaison d’observations et de rÉsultats de modŁles. L’ensemble des donnÉes est appelÉ un for age atmosphÉrique et le mode de simulation appelÉ forcÉ ou o ine : le for age est imposÉ au modŁle qui en retour simule les ux de surface. Cependant aucune rÉtroaction de la surface vers l’atmosphŁre n’est possible. Les variables du for age re ues par SECHIBA sont rÉsumÉes dans le tableau 2.1.
GCM
Le deuxiŁme mode d’utilisation de SECHIBA est son couplage avec un modŁle de circulation gÉnÉrale dont celui du LMD appelÉ LMDZ (Laboratoire de MÉtÉorologique Dynamique Zoom, Hourdin et al., 2006, http ://lmdz.lmd.jussieu.fr/) qui sera utilisÉ dans le chapitre 7. On se trouve alors en mode couplÉ ou encore online . Dans ce cas, le MCG fournit SECHIBA les variables atmosphÉriques. On note qu’un couplage beaucoup plus complet aurait pu s’e ectuer entre SECHIBA, LMDZ, le modŁle d’ocÉan OPA (OcÉan PArallÉlisÉ, Madec et al., 1999) et le modŁle de glace de mer LIM (Louvain-la-neuve sea-Ice Model, Fichefet and Maqueda, 1997). Le coupleur OASIS (Ocean Atmosphere Sea Ice Soil, Terray and Thual, 1995) aurait gÉrÉ le couplage entre le modŁle atmosphÉrique et ocÉanique. Notre Étude Étant ciblÉe sur les processus de surface et leurs e ets sur le climat, nous n’avons pas utilisÉ cette con guration.
L’interface sol-vÉgÉtation
Le modŁle de surface SECHIBA a pour vocation de reprÉsenter les Échanges hydriques et ÉnergÉtiques la surface continentale. Or, pour un État hydrique donnÉ, ceux-ci sont trŁs dÉpendants du type de sol et de couvert vÉgÉtal. Ainsi, pour prendre en compte l’hÉtÉrogÉnÉitÉ des surfaces vÉgÉtales sur les continents, une carte mondiale de couverture vÉgÉtale de rÉsolution 5kmx5km, donnant la fraction de type de vÉgÉtation sur chaque maille, est lue par le modŁle. Cette carte est issue de la carte IGBP (International Geosphere-Biosphere Programme, Belward et al., 1999), de rÉsolution plus ne (1kmx1km) et reposant sur la classi cation d’Olson (Olson et al., 1983). 94 types de vÉgÉtation y sont prÉsents mais la rÉsolution encore grossiŁre des modŁles de surface ne permet pas l’utilisation de tous ces types. De plus, on ne conna t pas l’ensemble des paramŁtres associÉs chaque type de vÉgÉtation. Par consÉquent, les types de vÉgÉtation ont ÉtÉ rÉduits par la mÉthode du type vÉgÉtal dominant a n d’obtenir 13 PFTs (Plant Functional Types), le premier Étant du sol nu. Ils peuvent Œtre tous simultanÉment reprÉsentÉs sur une mŒme maille. Un PFT n’a pas la vocation de reprÉsenter une espŁce vÉgÉtale en particulier mais plut t d’en regrouper plusieurs d’aprŁs leur similaritÉ fonctionnelle. Ce choix permet de paramÉtrer les principales caractÉristiques fonctionnelles comme leur hauteur, leur LAI (Leaf Area Index, dÉ ni dans l’encadrÉ), etc… et ainsi de reprÉsenter simplement la diversitÉ vÉgÉtale du globe. Le tableau 2.2 rÉcapitule les 13 PFTs actuellement reprÉsentÉs dans SECHIBA avec leurs paramŁtres propres. Nous a ecterons l’indice v une variable qui dÉpend du type de vÉgÉtation; cet indice pourra prendre comme valeur de 1 (sol nu) jusqu’ 13 (cultures C4).
Pour chaque maille est dÉ nie une fraction de chaque PFT, fv (Équations 2.1 et 2.2). La somme des fractions des couverts sur le pixel est Égale 1 (en l’absence de glace). Chaque fraction de couvert sur chaque pixel est donnÉe par la carte de vÉgÉtation ( ), indÉpendante du temps. A n de rendre compte du dÉveloppement du couvert vÉgÉtal en fonction des saisons, cette fraction est modulÉe par l’indice foliaire (LAIv). Avec ORCHIDEE, quand STOMATE n’est pas activÉ, la fonction de croissance du LAI peut Œtre obtenue de deux maniŁres di Érentes : le LAI est prescrit par une carte issue d’observations du NDVI (Normalized Di erence Vegetation Index, un indice de vÉgÉtation) (Belward et al., 1999). On note qu’aucune variation interannuelle du dÉveloppement de la vÉgÉtation est modÉlisÉe mais uniquement une saisonnalitÉ moyenne du dÉveloppement foliaire identique chaque année.
pour reprÉsenter la saisonnalitÉ de la croissance foliaire du PFT, on fait varier celle-ci en fonction de la variation de la tempÉrature du sol 50cm de profondeur (Polcher, 1994). Cette profondeur nous permet d’obtenir ainsi une variation lissÉe de la croissance foliaire. On borne l’Évolution du LAI d’un PFT selon une valeur minimale et maximale qui lui sont attribuÉ (voir tableau 2.2). Ces valeurs sont atteintes selon l’Évolution de la tempÉrature du sol bornÉe elle aussi par des valeurs limites, di Érentes selon la vÉgÉtation considÉrÉe (Guimberteau, 2006) et rÉpertoriÉes dans le tableau 2.2. Les formules seront exposÉes en dÉtails dans la section 4.2.
Le bilan d’énergie la surface
Le bilan d’énergie est un équilibre énergétique instantané de l’interface. Il est connu depuis longtemps et de nombreuses Évaluations des valeurs des ux ont ÉtÉ donnÉes. Nous donnerons ici une estimation rÉcente de ces valeurs tirÉe de Trenberth et al. (2009) ( gure 2.1).
On estime la quantité d’Énergie solaire arrivant au sommet de l’atmosphŁre RSW = 341W.m−2 dont environ un quart est absorbÉe au niveau de l’atmosphŁre (23%) par les aÉrosols, l’ozone et la vapeur d’eau, et un autre quart rÉ Échi par les nuages vers l’espace (23%). Pratiquement la moitiÉ restante de l’Énergie solaire est absorbÉe par la surface (RnetSW = 161W.m−2 soit 47%, Équation 2.4) puisqu’une fraction de cette Énergie αSW .RSW (αSW est dÉ ni dans l’encadrÉ ci-dessous) est rÉ Échie par la surface (12,5%).
La surface terrestre absorbant du rayonnement s’Échau e et, mesure que sa tempÉrature TS augmente, elle perd de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge RsurfLW = 396W.m−2 (avec une ÉmissivitÉ ε, la puissance quatriŁme de sa tempÉrature de surface (loi de StefanBoltzman pour un corps noir), Équation 2.6). Selon le pro l de tempÉrature et de la composition de l’atmosphŁre, une partie de ce rayonnement peut Œtre capturÉe par les gaz atmosphÉriques crÉant l’e et de serre naturel. Le rayonnement net infrarouge RnetLW est donc la di Érence entre le rayonnement Émis par la surface et celui qui est renvoyÉ par l’atmosphŁre vers la surface (Équation 2.5). Le rayonnement net global re u la surface Rnet est donnÉ par l’Équation 2.3.
Le rÉchau ement de la surface crÉÉ Également un gradient thermique entre le sol et l’atmosphŁre qui induit un ux de chaleur turbulent non radiatif dit sensible, HS (dÉ ni dans l’encadrÉ ci-dessous), soit vers l’atmosphŁre, soit vers le sol. Si la surface irradiÉe est humide, un ux de masse d’eau (ou ux de chaleur latente, dÉ ni dans l’encadrÉ ci-dessous), HL, va se produire au niveau de cette surface vers l’atmosphŁre ou vers le sol. Une fraction de la chaleur disponible au niveau de la surface (surplus ou dÉ cit) s’Échange avec les couches du sol par l’intermÉdiaire du ux HG. Le rayonnement net s’Équilibre au sol avec les processus de surface qui ont lieu et la tempÉrature de surface est le rÉsultat de cet Équilibre. On obtient l’Équation gÉnÉrale de bilan radiatif au niveau d’une surface : Équation 2.12.
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Table des matières
1 Introduction générale : cycle de l’eau et enjeux
1.1 L’eau : quelques généralités et son cycle
1.2 La ressource en eau, un dé pour le XXIème siècle
1.3 Modélisation du cycle de l’eau continental
1.4 Synthèse et objectifs poursuivis
2 Le modèle de surface SECHIBA
2.1 Les données d’entrées atmosphériques
2.1.1 Forçage
2.1.2 GCM
2.2 L’interface sol-végétation
2.3 Le bilan d’énergie à la surface
2.4 Le bilan hydrique de surface
2.4.1 Évaporations
2.4.2 Modèles hydrologiques
2.4.3 Schéma de routage horizontal de l’eau
2.4.4 Modélisation de l’irrigation
2.5 Synthèse du chapitre
3 Le bassin versant du Mississippi : un modèle d’étude
3.1 Un bassin divisé en deux parties
3.2 Éléments de travail disponibles
3.2.1 Forçage NLDAS à haute résolution
3.2.2 Observations in-situ d’humidité des sols
3.2.3 Mesures des débits des rivières
3.3 Irrigation aux États-Unis et sur le bassin du Mississippi
3.4 Synthèse du chapitre
4 Simulation de l’humidité du sol à haute résolution
4.1 Introduction du chapitre
4.2 Article
4.2.1 Introduction
4.2.2 Measurements of soil moisture across Illinois. The Soil Wetness Index
4.2.3 Brief description of the forcing and the LSM used
4.2.4 Results and discussion
4.2.5 Conclusion
4.3 Conclusion du chapitre
5 Impact de la résolution sur la modélisation du débit du Mississippi
5.1 Introduction du chapitre
5.2 Article
5.2.1 Introduction
5.2.2 Routing scheme
5.2.3 Approach
5.2.4 Results and discussion
5.2.5 Conclusion
5.3 Conclusion du chapitre
6 Evaluation de la nouvelle représentation de la demande en irrigation
6.1 Résultat sur le bassin versant du Mississippi
6.2 Résultats sur les bassins versants asiatiques
6.3 Synthèse du chapitre
7 Simulation globale de l’irrigation : impact sur le cycle de l’eau
7.1 Méthodes d’étude
7.1.1 Protocole des simulations
7.1.2 Outils statistiques
7.2 Bassins versants mondiaux irrigués
7.3 Impact global de l’irrigation
7.3.1 Irrigation simulée
7.3.2 Modification des composantes du bilan d’eau
7.3.3 Modification de la température du sol
7.4 Impact sur le bilan d’eau en Inde
7.4.1 Irrigation simulée
7.4.2 Irrigation et mousson
7.4.3 Débit du Gange-Brahmapoutre
7.4.4 Résumé
7.5 Bassin du Mississippi : impact de l’irrigation et tendances
7.5.1 Irrigation simulée
7.5.2 Différences moyennes sur 30 ans
7.5.3 Tendances sur 30 ans
7.5.4 Résumé
7.6 Impact sur les débits des grands fleuves
7.7 Synthèse du chapitre
8 Conclusion & perspectives
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