Analyse numérique à haute résolution de l’intéraction surface-rivière-plaine d’inondation-atmosphère dans le bassin de La Plata Basin

High-resolution numerical analysis of land-river-floodplains-atmosphere interaction in La Plata Basin

• Auteur / Autrice : Anthony Schrapffer
• Direction : Jan Polcher, Anna Sörensson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/04/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Universidad de Buenos Aires
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Le Treut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Polcher, Anna Sörensson, Angel Nicolás Menéndez, Isabelle Braud, Moira Doyle, Simon J. Dadson, Lluis Fita borrell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Angel Nicolás Menéndez, Isabelle Braud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction sol-atmosphère

Hydrologie

La Plata (Argentine)

Climatologie

Mots clés libres

Modèlisation

Plaines D'inondation

Pantanal

Hydrologie

Interaction sol-Atmosphère

Modelling

Floodplains

Pantanal

Hydrology

Land atmosphere interaction

Résumé

Les plaines d’inondation tropicales sont des régions inondées temporairement ou en permanence dû au débordement des rivières sur des zones de faible relief. Les plaines d’inondation peuvent avoir un régime annuel d’inondation prévisible ce qui en fait d’importants écosystèmes avec une riche biodiversité qui fournissent de nombreux services écologiques. Le Pantanal, l’une des plus grandes plaine d’inondation au monde, est la région d’étude de cette thèse. L’objectif est de développer un schéma de plaines d’inondation pour le modèle de surface ORCHIDEE compatible avec des modèles atmosphériques à haute résolution pour les raisons suivantes : (1) pour améliorer la représentation de l’impact des plains d’inondation sur les cycles de l’eau et de l’énergie dans ORCHIDEE, (2) étudier la dynamique des plaines d’inondation du Pantanal et (3) évaluer l’impact des plaines d’inondation sur les interactions sol-atmosphère sur cette région.Dans un premier temps, la version originale à basse résolution des plaines d’inondation dans ORCHIDEE a été utilisée pour montrer l’importance d'inclure les plaines d’inondation dans les modèles de surface parce que cela améliore la représentation du cycle de l’eau et permet de représenter des flux plus réalistes entre la surface et l’atmosphère.Le schéma de plaines d’inondation à haute résolution développé dans cette thèse est basé sur la construction d’un graphe de routage des rivières sur une grille atmosphérique utilisant des modèles numérique de terrain conditionnés hydrologiquement à haute résolution via le concept d’Unité de Transfert Hydrologique (HTUs). Un outil de pré-traitement flexible et parallélisé a été développé pour faciliter et améliorer la construction du graphe de routage des rivières sur différents types de grilles atmosphériques ce qui facilite l’intégration de données additionnelles qui sont requises pour la représentation des plaines d’inondation. Ce schéma doit faire face à de nouvelles problématiques liées à la résolution tel que la possibilité pour un HTU d’inonder ses voisins. Ce schéma a été validé en comparaison avec des observations et avec la version précédente dans ORCHIDEE.La comparaison des simulations avec et sans plaines d’inondation forcé par des forçages atmosphériques à différentes rñesolution a permis d’évaluer : (1) l’impact des plaines d’inondation sur les variables en surface et (2) comment la résolution affecte la simulation de la dynamique des plaines d’inondation.Le schéma des plaines d’inondation à haute résolution a été utilisé dans une simulation du modèle RegIPSL (modèle couplé entre ORCHIDEE et WRF) pour étudier comment celui-ci modifie les interactions surface atmosphère sur la région du Pantanal et comment il impacte localement ou à distance sur le climat d’Amérique du Sud.

Tropical floodplains are regions which are temporarily or permanently flooded due to the overflow of rivers over a lowland area. Floodplains over large rivers may have a predictable annual flood regime which is why they are important ecological places with a rich biodiversity providing important ecological services. The Pantanal which is one of the world’s largest tropical floodplains is the region of study for this thesis. The aim is to develop a floodplains scheme for the ORCHIDEE Land Surface Model (LSM) compatible with high resolution atmospheric models for the following reasons : (1) improve the representation of the impact of floodplains on the water and energy cycle in ORCHIDEE, (2) study the dynamic of the Pantanal floodplains and (3) evaluate the impact of floodplains on the land-atmosphere interactions over this region.Initially, the original low resolution version of the floodplains in ORCHIDEE has been used to show the importance of including floodplains in a Land Surface Models as it improves the representation of the water cycle and allows to represent more realistic land-atmosphere fluxes.The high resolution floodplains scheme developed here is based on the construction of the river routing graph on an atmospheric grid using high resolution Hydrologically-conditioned DEM via the Hydrological Transfer Units (HTUs) concept. A parallelized flexible pre-processing tool has been developed in order to facilitate and improve the construction of the river routing graph on different types of atmospheric grids which facilitates the integration of additional hydrological data required for the representation of floodplains. This scheme had to handle new issues related to the resolution such as the possibility of an HTU to flood its neighbours. This scheme has been validated in comparison to observations and to its previous version in ORCHIDEE.The comparison of simulations with and without floodplains forced by atmospheric forcings with different resolutions allowed us to evaluate : (1) the impact of floodplains on land surface variables and (2) how the resolution affects the simulation of the floodplain dynamics.The high resolution floodplains scheme has been used in a simulation of the RegIPSL model (coupled ORCHIDEE-WRF model) to study how it modifies land-atmosphere interactions over the Pantanal region and the local and remote impact on the climate of South America.