Le modèle de circulation générale LMDZ

 Le modèle de circulation générale LMDZ

Pour prévoir le changement climatique, l’utilisation des MCG est devenue incontournable. Ces MCG sont validés pour le climat actuel et parviennent à représenter les grandes caractéristiques géographiques et temporelles du système climatique ainsi que sa variabilité dans le temps et dans l’espace (Bony et al., 1992).

Le LMD développe et utilise depuis les années 1970 un MCG atmosphérique (Sadourny and Laval, 1984) qui décrit l’évolution de l’atmosphère par un état de l’océan prescrit. Ce modèle s’appelle aujourd’hui LMDZ (Z signifie Zoom). Les équations sont discrétisées spatialement sur une grille horizontale rectangulaire dans le plan longitude-latitude. Une particularité importante de LMDZ est de proposer l’utilisation d’une grille à résolution horizontale variable, permettant de faire un zoom sur une région d’intérêt. Les configurations climatiques classiques de LMDZ sont basées sur une grille horizontale régulière de 96×72 points en longitude latitude avec 19 niveaux verticaux. Le modèle peut être utilisé seul avec un modèle simplifié des surfaces continentales (Bucket) ou avec ORCHIDEE (un modèle de surface de l’Institut Pièrre-Simon Laplace, voir section suivante), avec des SST (Sea Surface Temperature) prescrites ou couplé au modèle d’océan global.

La dynamique

La partie dynamique du modèle traite les équations de conservation dans l’atmosphère à l’échelle macroscopique (Holton, 1992). L’évolution au cours du temps de l’ensemble des variables atmosphériques est calculée à partir du système d’équation primitive formé par les équations régissant le mouvement d’un fluide en rotation :
– l’équation de conservation de la masse du fluide,
– l’équation de conservation de l’humidité,
– l’équation de conservation de l’énergie
– l’équation d’état de l’air,
– les équations du mouvement. Ces équations sont dérivées de la loi fondamentale de la dynamique pour un fluide visqueux dans un repère tournant avec la Terre.

Ce système d’équation est simplifié par un ensemble d’approximations, dû aux spécificités de l’atmosphère terrestre. L’équation d’état est représentée par la loi des gaz parfait. L’approximation hydrostatique est appliquée en raison du faible rapport entre les vitesses verticales et horizontales. L’épaisseur de l’atmosphère considérée (∼ 10 km) est faible devant le rayon de la Terre (∼ 6370 km) : l’approximation de la couche mince peut être appliquée, ce qui élimine la dépendance de certains paramètres à la dimension verticale.

La physique 

La distinction entre la composante « physique » d’un MCG et sa composante « dynamique » qui exprime évidemment des lois physiques est basée sur des considérations historiques (Peixoto and Oort, 1992). Les premiers MCG ont été en effet dérivés de modèles numériques de prévision qui résolvaient principalement la « dynamique ». Les études du climat avec les MCG ont montré la nécessité de prendre en compte de nombreux autres processus physiques, qui ne sont pas résolus dansla dynamique. Ils constituent lestermessources des équations de conservation, les processus radiatifs, les processus liés au cycle de l’eau, les processus de transfert turbulent et les processus de dissipation. En général, leurs échelles spatiales sont bien inférieures à l’échelle résolue explicitement par le MCG, celle-ci étant limitée par la puissance des calculateurs qui réalisent les intégrations numériques. Ces processus ne sont pas résolus explicitement mais paramétrés. LMDZ inclue aujourd’hui un jeu de paramétrisations physiques qui a connu des évolutions successives au cours du temps :

– le transfert radiatif. Il implique les rayonnements solaire et terrestre, tenant compte de la diffusion et l’absorption de l’air. Sont inclus : l’influence de l’albédo du sol, des nuages, de la vapeur d’eau, du CO2, de l’ozone,
– les processus de surface et de couche limite. Ils décrivent les interactions entre le sol et l’atmosphère tels que la couverture végétale du sol, sa rugosité, son humidité qui influencent les échanges de chaleur sensible et latente ainsi que les échanges de quantité de mouvement entre le sol et l’atmosphère,
– la convection. Ce phénomène de faible dimension horizontale ne peut pas être résolu par la dynamique. La convection est soit sèche, soit humide. Dans le deuxième cas, elle peut former des nuages de type cumulus, cumulonimbus et générer des précipitations,
– la condensation à grande échelle qui correspond à la formation des nuages de type stratus et à la génération des précipitations non convectives.

Le modèle de surface ORCHIDEE

Au cours de ma thèse, j’ai utilisé le modèle ORCHIDEE pour étudier les bilans hydriques, souvent en mode forcé, c’est à dire découplé du MCG.

Alors que les rôles de l’atmosphère et de l’océan sur le climat ont depuis longtemps été reconnus et introduits dans les modèles, la modélisation de la surface n’est apparue qu’à partir des années 1970. Les premiers modèles de paramétrisation de la surface terrestre étaient basés sur des formulations simples des transferts entre la surface et l’atmosphère. Les paramètres surfaciques comme albédo, rugosité, disponibilité en eau étaient prescrits sur les continents (Manabe, 1969 ; Manabe and Holloway, 1975 ; Schneider and Dickinson, 1974). Au début des années 1980s, une seconde génération des modèles a pris en compte de manière explicite les effets de la végétation dans le calcul du bilan énergétique de la surface (Sellers et al., 1986). Dans ces années là, des données sur les propriétés de la surface terrestre ont commencé à être collectées sur l’ensemble du globe. Elles servent à l’établissement de premières comparaisons modèles/données et à développer des théories empiriques concernant le comportement de la surface. Ainsi, la dernière génération de modèles combine une description plus réaliste des échanges d’énergie, d’eau, de carbone, de la photosynthèse, etc. (Ducoudré et al., 1993 ; Sellers et al., 1996 ; Bonan, 1995 ; Dickinson et al., 1998, Krinner et al., 2005). Certains commencent à incorporer des traitements dynamiques de la végétation qui vont permettre de tester la réponse de la surface à des perturbations du climat.

ORCHIDEE est le modèle de surface de l’Institut Pièrre-Simon Laplace (IPSL) (Verant, 2004 ; Krinner et al., 2005). ORCHIDEE décrit les cycles de l’eau et du carbone à l’interface entre le sol, les plantes et l’atmosphère, ainsi que l’évolution de la végétation.

ORCHIDEE est le résultat du couplage de trois modèles préexistants :
– SECHIBA (Schématisation des EChanges Hydriques à l’Interface Biosphère – Atmosphère), le modèle du LMD (Ducoudré et al. 1993 ; de Rosnay and Polcher 1998 ; Ducharne et al. 1998 ; Ducharne and Laval 2000) qui simule les différents processus physiques à l’interface entre le sol, la végétation et l’atmosphère, et les flux d’eau dans le sol,
– modèle STOMATE (Saclay Toulouse Orsay Model for the Analysis of Terrestrial Ecosystems) du Laboratoire des Sciences du Climat de l’Environnement, qui simule les processus biochimiques à la surface (Viovy 1996),
– modèle LPJ (Lund-Potsdam-Jena), qui simule l’évolution dynamique de la végétation et du budget de carbone (Sitch et al. 2000)

Dans tous les travaux au cours de ma thèse, nous nous sommes limités à l’utilisation d’une seule de ces 3 composantes, celle issue de SECHIBA car notre objectif était de représenter et de valider les bilans hydrologiques des bassins continentaux.

ORCHIDEE a été développé pour des études globales, soit couplé à un MCG, soit en mode forcé (« off-line » ou « stand-alone »). Il utilise des résolutions temporelles variables en fonction du phénomène décrit : elles sont de 30 minutes pour la photosynthèse et les processus physiques de surface, d’un jour pour le cycle du carbone dans le sol et d’un an pour la compétition entre les types de végétation. La résolution spatiale est déterminée par celle des forçages atmosphériques.

Les forçages nécessaires pour calculer les bilans hydrologiques à l’aide d’ORCHIDEE sont :
– les précipitations totales (pluie et neige),
– les rayonnements solaire et infrarouge incidents,
– la température de l’air près de la surface,
– l’humidité spécifique de l’air,
– la pression à la surface,
– le vent.

ORCHIDEE (ou plus précisément, dans notre cas, SECHIBA) détermine pour chaque maille :
– les échanges énergétiques et hydrologiques entre la biosphère et l’atmosphère,
– les mouvements de l’eau dans le sol.

Durant ma thèse, nous nous sommes intéressés à l’hydrologie des sols. Nous avons donc principalement étudié la branche continentale du cycle de l’eau, en couplage avec celle de l’atmosphère. Les sections suivantes ont pour but de décrire cette branche du cycle de l’eau et la modélisation de l’hydrologie des sols dans ORCHIDEE. Noter que les formules fournies peuvent être simples sur le plan théorique mais importantes par leur signification.

L’eau 

L’eau est très abondante sur notre planète. Grâce aux conditions particulières de température et de pression qui règnent sur la Terre, l’eau y est présente dans ses trois états : sous forme de vapeur d’eau dans l’atmosphère qui enveloppe la planète, sous forme liquide dans les océans et les réservoirs continentaux mais aussi au sein de tous les organismes vivants(elle représente 70% de la masse de l’Homme, et jusqu’à 97% de celle de certains organismes marins), ou encore sous forme de la glace aux pôles ou aux sommets des hautes montagnes.

Dans l’atmosphère, la vapeur d’eau joue le rôle de gaz à effet de serre principal. Elle influence considérablement le bilan énergétique de la planète et permet de conserver une température élevée la nuit. Sans l’eau et les autres gaz à effet de serre, la température moyenne sur Terre serait -18◦C au lieu de 15◦C actuellement.

Sous forme liquide, l’eau est l’un des meilleurs solvants disponibles. L’eau joue un rôle majeur dans la mise en solution, le transport et la redistribution des minéraux à la surface de la Terre. La disponibilité en eau à la surface du globe conditionne fortement la distribution géographique des communautés vivantes. L’importance de l’eau à tous les niveaux de la vie explique qu’elle soit un facteur clé vis-à-vis de l’extension de ces communautés.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Introduction générale
1.2 Organisation de la thèse
2 Les bases théoriques et les outils informatiques
2.1 Le modèle de circulation générale LMDZ
2.1.1 La dynamique
2.1.2 La physique
2.2 Le modèle de surface ORCHIDEE
2.3 L’eau
2.3.1 Le cycle de l’eau
2.3.2 L’eau dans les sols
2.3.3 Equation de bilan
2.4 Modélisation de l’hydrologie des sols
2.4.1 Evolution de la modélisation de l’hydrologie des sols
2.4.2 Hydrologie des sols représentée par SECHIBA (ORCHIDEE)
2.4.3 Hydrologie horizontale : schéma de routage
2.4.4 Plaines d’inondation et irrigation
3 L’eau continentale vue par l’altimétrie spatiale et par ORCHIDEE
3.1 Altimétrie spatiale et Topex-Poséidon
3.2 Variations du niveau de la mer et leurs causes
3.2.1 Changement du volume de l’océan : l’effet stérique
3.2.2 Changement de la masse d’eau
3.3 ORCHIDEE forcé par ISLSCP-I
3.3.1 Expérience numérique
3.3.2 Comparaison avec Topex-Poséidon
3.3.3 Comparaison avec les modèles ISBA et LaD
3.4 Article publié dans J. Geophys. Res. : L’eau continentale durant l’événement d’ENSO 1997-1998
3.4.1 Résumé de l’article
3.4.2 Introduction
3.4.3 Description of the numerical experiment
3.4.4 Water mass change inside the oceans
3.4.5 Contribution of water vapor in the atmosphere to sea level variation
3.4.6 Contribution of continental water to sea level variation
3.4.6.1 Comparing the GCM simulation with observations
3.4.6.2 Processes that explain the interannual variability of sea level
3.4.6.3 Influence of the river routing scheme
3.4.6.4 Internal variability of the water cycle component
3.4.7 Conclusions
3.5 Conclusions et perspectives du chapitre
4 Vers les simulations longues avec les modèles de surface : NCC, 53 ans de forçage atmosphérique
4.1 Contextes et motivations du travail
4.1.1 Problèmes de l’humidité du sol
4.1.2 Problèmes de débits de fleuves
4.1.3 Contribution de l’eau continentale aux variations du niveau de la mer : les limites actuelles
4.2 Le forçage atmosphérique NCC : construction et validation
4.2.1 Les 50 ans de réanalyses du centre NCEP/NCAR
4.2.2 Les données de CRU
4.2.3 Les données SRB des rayonnements
4.2.4 Construction de NCC : résumé
4.2.5 Validation de NCC : résumé
4.3 Article publié dans J. Geophys. Res. : construction et validation de NCC
4.3.1 Introduction
4.3.2 NCC data construction
4.3.2.1 Interpolation of the NCEP/NCAR Reanalysis data
4.3.2.2 Correction of the 53-year NCEP/NCAR data
4.3.3 Model description and experimental design
4.3.3.1 Brief description of ORCHIDEE LSM and the runoff routing scheme
4.3.3.2 Experimental design
4.3.4 Validation of NCC and ORCHIDEE LSM
4.3.5 The Amazon basin, a test case
4.3.5.1 The 10 largest rivers
4.3.6 Comparison between NCC and GSWP2
4.3.7 Conclusions
5 Conclusion

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