Cycle de l’eau et cycle énergétique

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Partitionnement de l’énergie en surface

Comme nous l’avons vu en introduction, le bilan radiatif conditionne la température à la surface du sol. Cette température est le résultat d’un équilibre énergétique, synthétisé par une équation de ux à la surface du sol qui répartit à chaque instant le rayonnement reçu : Rnet = HE + HS + HG (2.1) où :
Rnet est la somme des ux radiatifs du domaine visible (VI) et infra-rouge (IR) incidents soustraite à ceux émis ou rééchis par la surface.
HE est le ux de chaleur latente, qui est la somme de l’évapotranspiration E et de la sublimation S pondérées respectivement par les chaleurs latentes d’évaporation LE et de sublimation de l’eau LS (HE = LE:E + LS:S, mais le sujet de thèse ne portant pas sur les processus neigeux, la sublimation sera souvent négligée au cours de ce manuscrit).
HS le ux de chaleur sensible, qui traduit l’échange de chaleur au cours du temps entre la surface et l’atmosphère par diusion et convection dû à la diérence de température entre ces deux milieux.
et HG le ux de chaleur diusif dans le sol.
La gure 1.6 fournit un ordre de grandeur moyen de ces termes : Rnet = 102 W:m􀀀2, HE = 78 W:m􀀀2 et HS = 24 W:m􀀀2. Le terme HG n’est pas représenté car nul sur la gure 1.6 puisqu’on y ache uniquement des moyennes annuelles en considérant que la température à la surface de la Terre est à l’équilibre sur une année, et que le ux géothermique en profondeur (en réalité de quelques mW.m􀀀2) est nul.
Le terme Rnet contient quatre principales composantes : Rnet = R# V I + R# RI 􀀀 R” V I 􀀀 R” IR (2.2)
Les termes incidents R# V I et R# RI correspondent respectivement au rayonnement solaire visible qui traverse l’atmosphère et au rayonnement IR émis par l’atmosphère (incluant donc l’eet de serre). Au cours d’un pas de temps, ces ux sont donc des contraintes pour ORCHIDEE (Figure 2.1).
ORCHIDEE intervient dans le calcul des ux montants R” V I et R” IR. Les caract éristiques de chaque maille déterminent dans quelle mesure les ux descendant sont rééchis. Cette réexion est conditionnée par la végétation occupant la maille, l’humidité du sol en surface ainsi que par la couverture de neige, et par son âge si cette dernière est présente. Toutes ces caractéristiques interviennent dans le calcul des coecients de réexion : l’albédo de surface ou coecient moyen de réexion du rayonnement solaire (en moyenne de l’ordre de 30% pour la surface terrestre) ; et émissivité de la surface ou coecient moyen d’absorption du rayonnement infrarouge (de l’ordre de 98%, donc une réexion de 2%). ORCHIDEE détermine aussi la quantité de rayonnement infrarouge émis par les surface continentales vers l’atmosphère. Le ux correspondant est déterminé en appliquant la loi de Stefan-Boltzmann (en T4) et est intégré au terme général R” IR.
Une fois les caractéristiques de la surface connues, déterminer Rnet n’a pas un coût numérique élevé pour ORCHIDEE. La qualité des cartes de description de surface utilisées par ORCHIDEE peut ainsi avoir un impact important sur l’ensemble des résultats, notamment sur la température de sol. Mais au delà de la valeur moyenne des paramètres contrôlant le rayonnement net, leur évolution dans le temps a tout autant d’importance pour modéliser dèlement les processus énergétiques. L’évolution de ces paramètres d’un pas de temps à l’autre fait parfois intervenir de nombreux processus. Notamment celle de l’humidité du sol (que nous détaillons en section 2.2.4) qui conditionne l’évolution de la végétation et qui intervient également dans le partitionnement du rayonnement net en surface (Equation 2.1) en modiant l’albédo du sol [Gascoin et al. 2009].
L’état hydrique général de chaque maille détermine la partitionnement de l’énergie en surface, notamment le partage du rayonnement en ux de chaleur latente et sensible. Pour connaitre quelle est la part du ux latent, ORCHIDEE se base sur le calcul de l’évaporation potentielle, celle qui aurait lieu au dessus d’une surface d’eau, c’est à dire lorsque l’évaporation n’est pas limité par l’eau en surface. En fonction des conditions hydriques de chaque maille, ORCHIDEE limite cette évaporation potentielle pour fournir l’évaporation réelle. Diérentes formulations permettent de déterminer l’évaporation potentielle notamment celle de [Budyko 1956] : Epot = ra (qsat(TS) 􀀀 qair) (2.3) où , qair est l’humidité spécique de l’air (kg.kg􀀀1), qsat(Ts) est l’humidité spécique de l’air saturé à la température TS de la surface qui évapore (kg.kg􀀀1). ORCHIDEE utilise cette formulation pour déterminer l’évaporation réelle totale.
Cette évaporation réelle est la combinaison de quatre principaux ux évaporatifs :
l’évaporation de l’eau sur la canopée.
la transpiration des végétaux.
l’évaporation des plaines d’inondation et autres eaux de surface.

Les modules hydrologiques de SECHIBA

Deux hydrologies

Schématisation des EChanges Hydriques à l’Interface Biosphère-Atmosphère (SECHIBA), qui fait aujourd’hui partie d’ORCHIDEE, a été développé au LMD par [Ducoudré et al. 1993] pour représenter les ux évaporatifs. Plusieurs éléments furent apportés ensuite au modèle dans le but d’intégrer la représentation hydrologique à l’interface sol-végétation atmosphère.
Son principe initial reposait sur un fonctionnement de type bucket [Manabe 1969], c’est à dire un unique réservoir d’eau en surface qui se remplie par les précipitations et se vide uniquement par évaporation, en cas de saturation du réservoir un écoulement de surface ce produit pour évacuer les précipitations excédantes. La dépendance des AGCM à la disponibilité des eaux en surface (section 1.2.4) a motivé, entre autres, le développement d’ORCHIDEE Le principe bucket a ainsi été couplé à une couche supercielle qui apparait lors de précipitations [Choisnel 1977]. Cette couche supercielle est drainée vers la couche inférieure [Ducharne et al. 1998]. Cette première approche a permis d’obtenir une distribution de l’eau dans le sol selon la profondeur. L’intégration d’un prol vertical racinaire a bénécié de cette distribution pour permettre à la transpiration végétale de puiser sa source distinctement dans les deux couches du modèle (lorsque la couche supercielle est présente) [De Rosnay & Polcher 1998].
Nous nommerons bicouche cette première version de l’hydrologie d’ORCHIDEE dans la suite de ce manuscrit. Intégrée à ORCHIDEE, l’hydrologie bicouche aparticipé à diérentes inter-comparaisons de modèle (PILPS [Pitman 2003], ALMIP [Boone et al. 2009]) et est intégrée au GCM de l’IPSL. L’hydrologie bicouche béné- cie de nombreuses études et est couramment couplée à un modèle atmosphérique. Une seconde approche hydrologique a commencé à se développer il y a une quinzaine d’années. Ce concept, aujourd’hui intégré à ORCHIDEE en tant que module hydrologique optionnel, remplace celui de l’hydrologie bicouche s’il est activé. Cette nouvelle approche consiste à résoudre les phénomènes de diusion d’eau dans les sols en appliquant l’équation de [Richards 1931] à une description plus précise des surfaces continentales. Ce module se distingue du bicouche de part sa discrétisation plus ne du sol selon la verticale grâce à une multitude de couches superposées, nous nommerons ce module multicouche dans la suite du manuscrit.

L’hydrologie bicouche

L’hydrologie bicouche représente les deux premiers mètres de profondeur du sol à l’aide de deux couches superposées. La première couche en surface, dite supercielle est d’épaisseur variable. Elle apparait lors de précipitations. Son contenu est drainé vers la couche plus profonde. La couche supercielle disparait lorsqu’elle ne contient plus d’eau.
Chaque colonne de sol peut contenir un maximum de 300 cm d’eau par m2 de surface. Lorsque le contenu en eau total dans le sol dépasse la capacité au champ, le ruissellement de surface et le drainage se déclenchent et représentent respectivement 5% et 95% de l’écoulement total. Ces proportions ont été introduites en se basant sur celles obtenues par le module multicouche, [Ducharne et al. 1998] ayant montré l’intérêt de paramétrer un drainage à la base du sol de l’hydrologie bicouche.
Aucun développement du module bicouche n’est proposé dans cette thèse, mais il sera utilisé pour évaluer les performances du module multicouche. En eet l’hydrologie bicouche bénécie d’une “maturité numérique” bien plus importante puisqu’elle est utilisée depuis plus longtemps que l’hydrologie multicouche. Elle bénécie de plus à un plus grand nombre d’inter-comparaisons de LSM. Sa participation à de nombreux projets internationaux témoigne du fait que le module bicouche est bien connue et est donc un excellent point de comparaison pour tester l’hydrologie multicouche.
Nous utiliserons également une version du module bicouche qui représente un sol profond de 4 m. Comme nous le verrons dans le chapitre 5, augmenter la profondeur de sol, et donc augmenter la réserve utile en eau, permet de maintenir l’evapotranspiration des régions tropicales, notamment en Amazonie.

Développement de l’hydrologie multicouche

Le premier verrou technique de la thèse fut de rendre opérationnel le module multicouhe. En eet, les engagements du groupe ORCHIDEE vis à vis de diérents programmes en cours ont canalisé l’énergie des ingénieurs de l’IPSL sur le module bicouche au détriment du module multicouche qui n’a été que trop peu compilé et utilisé depuis la thèse de Tristan d’Orgeval (2007).
Plusieurs versions circulaient alors entre chercheurs et thésards conduisant à un ou général sur le contenu du module multicouche. Un grand nettoyage et plusieurs corrections de bugs informatiques furent nécessaires avant de rendre le module multicouche fonctionnel dans les diérentes congurations que nous présenterons en section 2.4. Toutes ces modications sont désormais inclues dans la version principale d’ORCHIDEE distribuée par l’IPSL (http ://dods.ipsl.jussieu.fr/orchidee/DOXYGEN/documentation.pdf).

Résistance du sol à l’évaporation

L’avantage d’employer un schéma de diusion pour traiter l’évolution de l’humidité selon la profondeur est de l’utiliser pour déterminer la résistance à l’évaporation du sol nu. On caractérise en eet le rapport entre l’évaporation potentielle cumulée au cours du pas temps et la quantité maximale d’eau que le sol peut libérer par le haut, compte tenu de sa perméabilité et de sa diusivité.
Au cours d’un pas de temps numérique, le module hydrologique entre en action une fois déterminé le partitionnement de l’énergie entre les diérents ux d’évaporation (Figure 2.1). Le module hydrologique doit donc respecter les ux d’eau prescrits par le bilan d’énergie, y compris donc l’évaporation du sol nu. Cette évaporation du sol est retirée à l’eau rajoutée par le haut en cas d’inltration. L’eau qu’il reste à extraire est ensuite prélevée aux couches de sol les plus supercielles où l’eau est disponible.
Cette extraction d’eau due à l’évaporation du sol nu cumulée sur un pas de temps est la première étape du module hydrologique. La seconde consiste à poursuivre l’inltration d’eau non consommée par l’évaporation. Cette étape d’inltration a été introduite dans ORCHIDEE par [dOrgeval et al. 2008]. Elle représente l’évolution d’un front d’inltration dans le sol. La capacité du sol à inltrer les eaux de surface dépend alors de sa perméabilité, et elle détermine la part d’eau qui ruisselle en surface.
Ce n’est qu’une fois les apports et extractions d’eau par le haut appliqués à la colonne de sol que le schéma de diusion décrit en section 2.2.4 est appelé. C’est au cours de ce schéma que le drainage à la base du sol est déterminé (Equation 2.10) et que la transpiration en fonction du prol racinaire est soustraite au contenu de chaque couche. L’hydrologie du sol est donc bouclée une fois les humidit és du sol mises à jour, l’ensemble des ux hydriques de la gure 1.10 ayant été traité. Historiquement, le module protait de ce schéma pour évaluer l’évaporation du sol nu au pas de temps suivant. Ce test consistait à déterminer le ux maximum que l’on peut imposer au sommet de la colonne sans conduire à des humidités inférieures à l’humidité minimale permise (humidité résiduelle). Mais suite à diérentes modications du code informatique d’ORCHIDEE, ce test, par souci de ne pas perturber le bilan d’eau, semblait entrainer des oscillations numériques fatales pour l’exécution informatique. Nous l’avons donc repensé et déplacé hors du pas de temps tout en conservant son sens physique.

Vers un fonctionnement “bucket”

Une des grandes diérences entre les modules hydrologiques bicouche et multicouche est la paramétrisation de drainage. Dans le module bicouche le drainage est associé à 95% du ruissellement total lorsqu’il existe, le reste étant associé au ruissellement en surface. Le ruissellement total ne se déclenche que lorsque le contenu total en eau dépasse celui de la capacité au champ. Dans le module multicouche, un drainage libre est déni à la base du sol (Equation 2.10). Ces deux modules ont donc des raisonnements opposés, bien que l’on ne puisse pas trancher pour l’une ou l’autre des considérations de drainage à l’échelle globale. Neanmoins celle du module multicouche propose une approche dotée de plus de sens physique que celle du bicouche.
Notons qu’avant les travaux de [Ducharne et al. 1998], aucun drainage à la base du sol n’était paramétré dans SECHIBA. Un drainage nul reviendrait à supposer un fond imperméable à l’eau à la base du sol (donc ici à 2 m). Cette hypothèse n’est bien sûr pas représentative de l’ensemble des surfaces continentales. Mais l’hypothèse du drainage libre appliquée par le module multicouche ne semble pas nécessairement plus représentative de l’échelle globale. Le drainage libre découle de l’équation de ux (Equation 2.11) telle qu’elle se simplie si l’humidité est constante sous le dernier niveau du sol modélisé. Cela revient à considérer que la nappe est placée à l’inni sous toutes les surfaces continentales et qu’elle n’interagit pas avec l’humidité du sol proche de la surface.
Les diérences obtenues en employant alternativement le module bicouche puis multicouche peuvent ainsi non seulement provenir des diérences dues à la discrétisation verticale de ces deux modules, mais aussi du drainage qui n’existe que dans la version multicouche. Or ce ux détermine l’évolution du contenu total en eau dans le sol, donc dans la zone racinaire, indispensable à la transpiration des végétaux.
La version multicouche permet grâce à un facteur F, choisi par l’utilisateur, qui pondère le drainage à la base du sol : QN = F:K(N) (2.12).

Zoomé guidé

La conguration zoomée guidée (ZG) est une conguration LMDZOR particuli ère qui est plus largement décrite dans le chapitre 4. Le maillage horizontal y est resserré autour d’un point pour modéliser plus nement une région en particulier. Un maillage de 48×32 est alors susant puisque seule une région du globe est discrétisée nement, réduisant ainsi considérablement les temps de calcul.
Nous avons utilisé le zoom proposé par [Coindreau et al. 2007] sur l’Europe de l’ouest qui conduit à une résolution de 120 km sur la France, et plusieurs centaines de kilomètres à l’autre bout du globe (gure 2.6). Sur les mailles les plus grosses, LMDZ ne peut avoir les mêmes performances que sur les plus petites mailles. LMDZ y est donc guidé, c’est à dire contraint de suivre en température et en vent les réanalyses ERA-Interim sur les mailles les plus grosses. Plus la maille considérée est grande, plus le forçage atmosphérique y est important. Dans ce typede conguration, LMDZ est quasiment libre de guidage au centre du zoom.

Caractérisation du plateau de Saclay

Cadre géologique

Le plateau de Saclay, sur lequel se situe le SIRTA, culmine à une altitude moyenne de 150 à 165 m. Il est délimité au Nord par la Bièvre qui s’écoule du Avril 2010 suite à l’éruption du volcan islandais Eyjafjoell. Le panache de cendres consécutif à l’éruption est visible le 16 avril à partir de 15h vers 6 km d’altitude puis descend au cours du temps. Un second panache, vraisemblablement d’origine volcanique, est également visible autour de 3 km d’altitude en n de soirée du 18 avril 20102 NO au SE, et au Sud par l’Yvette qui s’écoule d’Est en Ouest. Ces cours d’eau entaillent le plateau sur 50 à 100 m de profondeur. Les cartes géologiques du BRGM concernant la plateau de Palaiseau (feuilles Rambouillet (n218) et Corbeil (n219), synthèse harmonisée sur la gure 3.2 (a)) fournissent des informations sur les aeurements du plateau.
Le plateau est recouvert de limon sur sa partie supérieure. Ces limons sont propices à l’agriculture comme en atteste la forte densité de cultures sur le plateau (gure 3.2 (b)). La présence de sables de Fontainebleau sur une bonne partie des versants du plateau laisse supposer qu’ils constituent une formation épaisse.
Intercalées entre la couche de limon et de sable, des traces d’argile à meulière sont régulièrement présentes en quantité notable sur les aeurements du plateau. Mais la présence fréquente d’éboulis et l’urbanisation de la zone limitent l’observation des transitions entre les diérentes formations.
Le plateau de Palaiseau a été l’objet d’une étude menée par le BRGM en 1999. Cette étude visait à modéliser la contamination en radio-éléments du milieu souterrain par l’activité du Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA) situé sur le plateau. Elle intègre des données de forages et de campagnes sismiques, elle permet de caractériser les formations géologiques présentes au sein du plateau (Figure 3.3).

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Table des matières

1 Introduction 
1.1 L’eau sur Terre
1.1.1 L’eau essentielle à la vie
1.1.2 Énigme du cycle de l’eau
1.1.3 Répartition de l’hydrosphère sur Terre
1.1.4 Thermodynamique de l’eau
1.1.5 Cycle de l’eau et cycle énergétique
1.2 Modélisation du cycle de l’eau
1.2.1 Les modèles numériques
1.2.2 Modélisation du climat
1.2.3 Les modèles de surface
1.2.4 Eau souterraine et modèles de surface
1.3 Problématique de la thèse
2 Le modèle de surface continentale ORCHIDEE 
2.1 Principe général
2.1.1 Découpage en sous-modules
2.1.2 Discrétisation, maillage et PFT
2.1.3 Partitionnement de l’énergie en surface
2.2 Les modules hydrologiques de SECHIBA
2.2.1 Deux hydrologies
2.2.2 Les composantes du bilan d’eau
2.2.3 L’hydrologie bicouche
2.2.4 L’hydrologie multicouche
2.3 Développement de l’hydrologie multicouche
2.3.1 Résistance du sol à l’évaporation
2.3.2 Vers un fonctionnement “bucket”
2.3.3 Imposer une nappe
2.3.4 Changement de la discrétisation verticale
2.4 Les diérentes utilisations possibles d’ORCHIDEE
2.4.1 Forcé
2.4.2 Couplé global
2.4.3 Zoomé guidé
3 Le site d’évaluation du SIRTA 
3.1 Présentation générale
3.2 Caractérisation du plateau de Saclay
3.2.1 Cadre géologique
3.2.2 Mesures géophysiques autour du SIRTA
3.3 Mesures d’humidité au SIRTA
3.3.1 Présentation des mesures
3.3.2 Correction des mesures d’humidité
3.4 Caractérisation du sol
3.4.1 Porosité du sol
3.4.2 Granulométrie
3.4.3 Perméabilité
3.5 Conclusion
4 Modélisations régionales 
4.1 Introduction
4.2 Évaluation de diérentes congurations LMDZOR
4.3 Response of land surface uxes and precipitation to dierent soil bottom hydrological conditions in a general circulation model
4.3.1 Introduction
4.3.2 The land surface model ORCHIDEE
4.3.3 Simulation and evaluation design
4.3.4 Results
4.3.5 Conclusions
4.4 Conclusions
5 Sensibilité du climat à l’hydrologie 
5.1 Modélisations globales
5.1.1 Les projections climatiques
5.1.2 Le changement climatique considéré
5.2 Présentation des simulations
5.2.1 Conguration des expériences
5.2.2 Forçages océaniques
5.2.3 Les congurations de sol testées
5.2.4 Récapitulatif des simulations
5.3 Résultats
5.3.1 A l’échelle globale
5.3.2 Dénition des régions climatiques
5.3.3 Analyse des régions
5.4 Conclusion
6 Conclusions et perspectives 
A Combined inuence of atmospheric physics and soil hydrology on the simulated meteorology at the SIRTA
A.1 Introduction
A.2 SIRTA testbed for climate model evaluation
A.2.1 Instrumented site and observational data set
A.2.2 Variables used in this study
A.3 The LMDZ climate model
A.3.1 Overview
A.3.2 Two turbulence/convection/clouds parametrizations
A.3.3 Two soil hydrology parametrizations
A.3.4 Simulation design with stretched grid and nudging
A.3.5 Numerical experiments
A.4 Results
A.4.1 Interest of NZ conguration for parametrization evaluation .
A.4.2 Seasonal and diurnal cycle of near surface meteorological variables
A.5 Discussion
A.5.1 Summer biases
A.5.2 Winter results
A.6 Conclusion and perspectives
B Liste des notations 
Bibliographie

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