Variation des réservoirs terrestres et ruissellement

Variation des réservoirs terrestres et ruissellement

L’hydroclimatologie

L’hydrologie dite classique s’intéresse principalement à la branche terrestre du cycle hydrologique. Pourtant le cycle hydrologique est bien plus vaste. Le manque de données décrivant les mouvements atmosphériques de la vapeur d’eau entraîne une vision éronnée de l’importance de l’atmosphère dans le cycle hydrologique jusque dans les années 1930-1940 (Benton et al.,1950). Convaincus du rôle clé de l’atmosphère dans la circulation de la vapeur d’eau, Benton et al. (1950) s’attaquent à l’idée de la faible mobilité de l’atmosphère.Ils proposent une nouvelle méthodologie basée sur le bilan de masse de l’eau faisant intervenir le transport de vapeur d’eau par l’atmosphère. À partir des données rendues disponibles par la multiplication des stations météorologiques, ils en viennent à la conclusion qu’une majeure partie de la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère continentale provient non pas de l’évaporation continentale mais bien de l’évaporation océanique.

L’amélioration du système d’observation des stations météorologiques permet à une nouvelle génération de chercheurs d’évaluer l’importance du transport de vapeur d’eau par l’atmosphère au tournant des années 1950 et 1960 (parmi eux Benton et al.1950, Benton et Estoque 1954 , Rasmusson 1967, Rasmusson 1968 et Peixoto 1970). Sous l’influence de l’énergie solaire, l’eau s’évapore de l’océan ou de la surface des continents vers l’atmosphère. L’évaporation océanique bénéficie d’une source inépuisable de vapeur d’eau tandis que l’évaporation continentale dépend de la présence de réservoirs de surface et de l’humidité du sol. S’ajoute à cela la transpiration stomatale des végétaux. La somme de l’évaporation et de la transpiration est renommée évapotranspiration. Le refroidissement d’une masse d’air montant en altitude permet d’amener cette masse à pression saturante de vapeur d’eau entraînant la formation de nuages par condensation.

Les premières investigations

Au tournant des années 1950, la multiplication des radiosondes permet à quelques chercheurs d’évaluer la circulation générale de l’atmosphère et l’évaluation du bilan en eau devient rapidement un enjeu de recherche (Benton et Estoque 1954, Starr et al. 1958, Rasmusson 1967,1968 et 1977).Les grandes hypothèses sont alors mises à l’épreuve. Investiguant les flux méridionaux de la vapeur d’eau, Starr et al. (1958) émettent et valident l’hypothèse que la variation de stockage d’eau dans l’atmosphère sera très faible si l’on considère une période de temps suffisamment longue. Les mêmes auteurs évaluent le volume d’eau total contenu dans l’atmosphère qu’ils estiment, à l’époque, à seulement 10 jours de précipitation consécutifs sans apport d’eau externe. Dans une étude sur la divergence du flux de vapeur d’eau d’un pôle à l’autre, Peixoto (1970) met en évidence la variation latitudinale du contenu en vapeur d’eau qui atteint son maximum en région équatoriale et tend à diminuer en s’approchant des pôles. Ne portant bien souvent que sur une ou deux années de données, ces premières études s’attardent principalement à décrire des échelles spatiales planétaire ou hémisphériques.

L’échelle régionale et la variabilité

Au début des années 1990, le projet GEWEX ( Global Energy and Water Exchanges Project) prend place autour de trois domaines de recherche soit la modélisation, l’hydrométéorologie ainsi que l’analyse de la variabilité du cycle global de l’eau et de l’énergie (Lawford et al. 2004,2007). Les projets encouragés sont menés à l’échelle de grands bassins comme le Mississippi ou le Mackenzie. Ils permettent à la fois d’améliorer les connaissances sur le cycle hydrologique et les capacités de modélisation afin de prévoir les changements dans les ressources en eau à l’échelle annuelle ou saisonnière (Lawford et al., 2007).L’une des sources d’incertitude de la prévision hydrologique demeure la mesure des variables hydrologiques elles-mêmes.

Bien qu’elle soit la variable du cycle hydrologique la plus mesurée, la précipitation demeure encore difficilement prévue par les modèles météorologiques (GEWEX, Lawford et al. 2007). L’évaluation de la quantité de précipitation observée est encore affublée d’une importante incertitude. Les stations de mesure ont dans l’ensemble une faible densité spatiale particulièrement en milieu océanique (Roads et al., 1994). L’évaporation est difficilement mesurable. L’évaporation dépend de différents facteurs dont la radiation solaire, la température, la vitesse du vent, l’humidité, la stabilité de l’air et la disponibilité en eau. Elle est très forte au dessus de l’océan, où la disponibilité en eau est grande, particuliè-rement au dessus des courants chauds comme le Gulf Stream (Peixoto et Oort, 1992). Elle est généralement déduite d’équations empiriques établies ou bien estimée de façon résiduelle à partir de bilan de masse selon les données disponibles (Roads et al., 1994).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 L’hydroclimatologie
1.2 Le cycle hydrologique en équations
1.2.1 Bilan hydrique terrestre
1.2.2 Bilan hydrique atmosphérique
1.2.2.1 La vapeur d’eau et son transport
1.2.2.2 La convergence horizontale du flux de vapeur d’eau :
la fermeture du bilan atmosphérique
1.2.3 Équations du cycle hydrologique complet
1.3 Les premières investigations
1.4 L’échelle régionale et la variabilité
1.5 Utilisation du bilan hydrologique complet
1.6 Les modèles de climat : de l’échelle régionale vers l’échelle locale
1.7 Problématique de recherche
1.8 Objectifs de recherche
CHAPITRE 2 CADRE EXPÉRIMENTAL
2.1 Les données
2.2 Les bassins versants
2.3 Analyse du bilan hydrique
2.3.1 Équations du bilan hydrique
2.3.2 Échelles temporelles
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Climatologie
3.1.1 Moyennes climatiques
3.1.1.1 Précipitations et évaporation
3.1.1.2 Variation des réservoirs terrestres et ruissellement
3.1.1.3 Variation du réservoir atmosphérique et convergence
3.1.1.4 Erreur dans le bilan hydrique
3.1.2 Cycle hydrologique annuel moyen
3.1.2.1 Précipitations et évaporation
3.1.2.2 Variation des réservoirs terrestres
3.1.2.3 Ruissellement
3.1.2.4 Variation du réservoir atmosphérique
3.1.2.5 Convergence du flux de vapeur d’eau
3.1.2.6 Anomalie du ruissellement printanier
3.1.2.7 Cycle annuel moyen du terme d’erreur
3.2 Évolution temporelle
3.2.1 Échelle annuelle
3.2.2 Échelle mensuelle
3.2.3 Échelle journalière
CHAPITRE 4 ANALYSE ET DISCUSSION
4.1 Non-fermeture du bilan hydrique à l’échelle climatique
4.2 Origine de l’erreur à l’échelle climatique
4.2.1 Calcul de la convergence du flux de vapeur d’eau
4.2.2 Correction du bilan hydrique dans le MRCC
4.3 Bilan hydrique et échelles temporelles
4.3.1 Échelle annuelle
4.3.2 Échelle mensuelle
4.3.3 Échelle journalière
CONCLUSION
ANNEXE I ANALYSE DE L’ERREUR DE FERMETURE À L’ÉCHELLE
CLIMATIQUE
LISTE DE RÉFÉRENCES