Aurélien CAMPOY Soutenance de Thèse, 21 Juin 2013 Directeurs: Agnès DUCHARNE (Sisyphe)

1. Influence de l'hydrologie souterraine sur la modélisation du climat à l'échelle régionale et globale Aurélien CAMPOY Soutenance de Thèse, 21 Juin 2013 Directeurs: Agnès DUCHARNE (Sisyphe) Frédéric HOURDIN (LMD) Frédérique CHERUY (LMD)

2. Modélisation du climat Modèle de Circulation Atmospérique Globale Modèle de Circulation Océanique Globale Modèle de Glace Modèle de Surface Continentale (LSM) • Température de surface de 20 • modèles climatiques (CMIP5) • Suckling E. 2011

3. Les incertitudes de la modélisation climatique Bilan radiatif, d’après Trenberth et al. (2009) • Les scénarios d’émission de gaz à effet de serre • La physique atmosphérique, paramétrisation des nuages, convection • Les conditions limites en surface

4. Les modèles de surface continentale (LSM) d’énergie

5. Biais chaud continental dans les régions tempérées 15 10 5 3 2 1 -1 -2 -3 -5 -10 -15 (°C) Biais moyens de température à 2m (K) des simulations CMIP5 forcées par les SST AMIP par rapport aux observations CRU. Moyenne sur Juin-Juillet-Aout.

6. Biais chaud corrigé en augmentant l’évaporation β=1/15 β=1/3 Coindreau et al. 2007 Observations (Trappe) ORCHIDEE : Bucket: P E β=Evap/Epot Evaporation Flux de chaleur latente (W/m²) Température (°C)

7. Modélisation des nappes phréatiques Modèle de surface Estimation du niveau des nappes (m) (Macho et al. 2013)

8. Questions • Est-il possible de corriger le biais chaud d’un modèle climatique via un meilleure représentation de l’hydrologie souterraine? • Comment tenir compte des spécificités hydrologiques locales dans un modèle climatique? • Comment exploiter les mesures d’un site d’observation pour les confronter à un modèle climatique? • La réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre (GES) est-elle conditionnée par l’hydrologie souteraine?

9. Plan • Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique. • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre

10. Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique. • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre

11. Simulations « zoomé guidé » (LMDZ-ORCHIDEE) Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA) Variables atmosphériques Composantes du bilan radiatif en surface Humidité du sol Maillage de surface zoomé • Guidage des vents et des températures • de l’atmosphère autour du zoom • Températures de surface des • océans prescrites

12. ORCHIDEE, le LSM de l’IPSL Les deux versions du module hydrologique • Bicouche • Description conceptuelle de l’humidité par 2 couches sur 2m • Ruissellement en surface en cas de saturation • Pas de drainage à la base du sol • Multicouche • Schéma à base physique (Richards), discrétisation verticale du sol sur 2m • Prise en compte de la texture du sol pour l’infiltration et le ruissellement • Drainage libre à la base du sol

13. Comparaison des deux hydrologies dans la maille SIRTA Moyennes mensuelles des Température de l’air à 2m Météo France Cycle saisonier du flux de chaleure latente (W/m²) Bicouche Multicouche Bicouche Multicouche Obs. SIRTA % observation Measur. Uncert. IPSL-CM5A IPSL-CM5B

14. Humidité au SIRTA (%) Sonde ThetaProbe type ML2x SIRTA ORCHIDEE Multicouche Sonde 1 5 cm Sonde 3 20 cm Sonde 5 50 cm

15. Nappe perchée au SIRTA Limon Argiles Sables Argiles Coupe Est-Ouest du basin parisien Nappe 100m Bièvre Yvette 3 km Carte géologique du nord de la France Coupe Nord-Sud du plateau de Saclay

16. Campagne de mesures géophysiques Décamètre Tomographie électrique Cartographie Wenner alpha Sismique réfraction Tarière Magnétisme (G856) Cartographie pôle-pôle Electromagnétisme (EM31)

17. Conclusions partie 1 • La configuration « zoomé guidé » permet de confronter les simulations aux données du SIRTA. • Le module multicouche peut être évalué à l’aide de mesures d’humidité du sol. • Le module multicouche présente un biais négatif d’évaporation au SIRTA. • Le SIRTA est situé au dessus d’une nappe perchée à faible profondeur.

18. Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique. • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre

19. Condition limite au fond du module multicouche • Echanges sol-végétation-atmosphère • Flux entre couches selon Richards: 0 1 2 • Condition d’origine: • 0-Drainage libre • Nouvelles conditions: • 1-Drainage réduit/nul • ; • 2-Saturation imposée θ : Humidité du sol K: Conductivité hydraulique D: Diffusivité hydraulique N: Nombre de couche

20. Nouvelle discrétisation du sol 11 couches 20 couches Profondeur (m) Points de calcul ( )

21. Les differentes conditions limites testées • F=1 : REF Drainage libre (default) • F=0.1 : F0.10 • F=0.01 : F0.01 • F=0 : F0.00 Fond imperméable • Zsat=2m : S2.0 • Zsat=1,3 : S1.3 Saturation imposée • Zsat=0,5 : S0.5 Drainages intermédiaires

22. Impact sur les profils d’humidité au SIRTA F=1 : REF F=0.1 : F0.10 F=0.01 : F0.01 F=0 : F0.00 Zsat=2m : S2.0 Zsat=1,3 : S1.3 Zsat=0,5 : S0.5 Moyennes des simulations sur 2002-2009 Mesures du SIRTA Moyennes des simulations sur la période de mesure du SIRTA

23. Sensibilité dans la maille SIRTA Biais du flux de chaleur latente au SIRTA (W.m-²) F=1 : REF F=0.1 : F0.10 F=0.01 : F0.01 F=0 : F0.00 Zsat=2m : S2.0 Zsat=1,3 : S1.3 Zsat=0,5 : S0.5 Biais du flux de chaleur sensible au SIRTA (W.m-²) Précipitations au SIRTA (W.m-²)

24. Etendu des modifications de la condition limite Référence: drainage libre Modification locale Modification globale Drainage libre Drainage réduit / fond imperméable / nappe imposée

25. Drainage nul - drainage libre Nappe à 1m30- Drainage libre Changements globaux de la condition limite Variations dans la maille du SIRTA Evaporation (mm/j) Flux latent (W.m-²) Humidité spécifique de l’air à 2m (g/kg) Précipitation (mm/j) Précipitation (mm/j) Température de l’air à 2m (K) P-E(mm/j) Moyennes sur Juillet-Aout

26. Conclusions partie 2 • Tenir compte de l’hydrologie souterraine via la condition limite au fond du module multicouche permet de réduire le biais en évaporation au SIRTA. • Les précipitations ne sont pas sensibles à des modifications locales de la condition limite au fond. • Le climat de l’Europe de l’Ouest est sensible à des changements globaux de la condition limite au fond.

27. Construction d’une configuration régionale à l’aide d’un modèle climatique. • Sensibilité d’un modele de surface continentale à sa condition limite inférieure hydrique • Impact de la configuration d’un modèle de surface sur la réponse du climat à une augmentation des gaz à effet de serre

28. Simulations climatiques de contrôle • Modèle atmosphérique:LMDZ • Composition atmosphérique de 1998 • Modèle de surface ORCHIDEE • 5 configurations testées • Conditions océaniques imposées. • Moyennes des 20 années autour de 1998

29. Les configurations de surface testées Bicouche 4m 2m 11 couches 104 couches 2m Multicouche

30. Impact des configurations de sol sur l’évaporation Changement d’évaporation entre deux modèles

31. Moyennes continentales sur 30 ans Evaporation (mm/j) Précipitation (mm/j) Température (°C)

32. Modélisation de la réponse océanique à une augmentation des gaz à effet de serre (GES) Evolution des concentrations (augmentation de 1% /an) Type de simulation SST imposées: -Control-98 -CC2xC02 Couplé à un océan: -Control-PI -CC1%CO2 SST: Température de surface des océans ∆SST = SSTCC1%CO2 - SSTControl-PI • SSTCC1%CO2 = SSTControl-PI + ∆SST • ∆SST JJA (K)

33. Control 2xCO2 Moyennes continentales sur 30 ans Evaporation (mm/j) Précipitation (mm/j) Température (°C)

34. Patterns des différences de réponses organisés Changement des différences de température entre bicouche et multicouche suite à un doublement de C02 ( -)CC2xCO2 - ( - )Control-98

35. Analyse en composantes principales des climats • Humidité de l’air • Précipitations • Evaporation • Flux sensible • Flux VI descendant • Flux IR rescendant • L’humidité du sol • Moyenne sur • 30 ans • Variance • interannuelle 5 configurations de sol 2060 mailles avec plus de 50% de continents 7 variables climatiques 2 opérations • Echantillon de 10300 individus • Climat décrit par 14valeurs • Projection des 10300 mailles • dans l’espace propre issu de l’ACP de leurs 14 valeurs

36. Classification automatique régions climatiques Projection des 5x1060 mailles dans le plan principal 2 groupes 3 groupes 6 groupes Pas de prise en compte de la configuration de sol. Ni de la position de la maille sur le globe terrestre.

37. Répartition moyenne des régions climatiques Config. de sol en désaccord

38. Régions insensibles à la configuration de surface • Régions équatoriales: changements d’évaporation indépendant de la configuration du sol (-0.17mm/j), pas de changement des précipitations. • Régions mixtes, baisse généralisée des précipitations • Régions arides: Pas de changement sur l’évaporation et les précipitations.

39. Régions sensibles à la configuration de surface • Régions polaires: seules régions où les précipitation augmentent, maximum de variation obtenu avec un fond imperméable • Régions tempérées humides: baisse de l’évaporation limitée avec le multicouche • Régions tempérées sèches: baisse importante de l’humidité du sol avec le bicouche alors qu’elle est augmentée avec le multicouche

40. Conclusions partie 3 • A l’échelle globale, le module multicouche conduit à plus d’évaporation que le module bicouche et entraine climat continental plus froid. • Les changements drainage-libre/imperméable sont moins importants que ceux multicouche/bicouche. • L’influence de la configuration du modèle de surface sur le climat continental est plus importants au niveau des hautes et moyennes latitudes.

41. Conclusions générales • Le module multicouche permet de représenter diverses situations hydrogéologiques • Prise en compte de nappe à faible profondeur est essentielle pour modéliser le climat en Ile de France. • La répartition des climats continentaux est influencée par la configuration de sol utilisée dans les hautes et moyennes latitudes. • La réponse du climat à une augmentation des GES au niveau des régions polaires et tempérées dépend de la configuration de sol. • Une meilleure représentation globale des paramètres hydrauliques du sol, y compris de l’évolution verticale de ces paramètres, est un axe de perfectionnement des modèles climatiques à base physique.