Modélisation des couplages surface-atmosphère dans les plaines semi arides Marocaines dans un contexte de changement climatique

Modeling the surface-atmosphere coupling in the Moroccan semi-arid plains in the context of climate change

• Auteur / Autrice : Khadija Arjdal
• Direction : Philippe Drobinski, Abdelghani Chehbouni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Université Mohammed VI Polytechnique (Benguérir, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....) - Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539)
• Jury : Président / Présidente : Abdel Wahid Mellouki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Abdelghani Chehbouni, Fabienne Louhou, Marina Baldi, Hamdi Rafik, Romain Roehrig
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Louhou, Marina Baldi, Hamdi Rafik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maroc

Irrigation

Interaction sol-atmosphère

Changements climatiques

Mots clés libres

Modèle de circulation générale

Intéractions surfac-Atmosphère

Maroc

Changement climatique

Irrigation

Données in situ

General Circulation Model

Land-Atmosphere interactions

Morocco

Climate change

Irrigation

In situ data

Résumé

Les plaines Marocaines jouent un rôle majeur dans la production agricole du pays, représentant ainsi un tiers des terres agricoles et deux tiers des zones irriguées du pays. Cependant, la fréquence croissante des sécheresses constitue un défi majeur pour la gestion durable des ressources en eau, en particulier, dans ces régions vulnérables. Correctement représenter le climat de surface au Maroc dans les modèles de climat est fondamental pour prédire les effets du changements climatique sur les ressources en eau dans cette région.L'objectif de cette thèse consiste en deux volets: i) évaluer et améliorer la représentation des processus physiques qui gouvernent le climat de surface et le bilan d'eau et d'énergie dans la plaine du Haouz, située à la région de Marrakech. ii) Mettre en place des projections futures fiables dans l'Afrique du Nord et plus particulièrement dans les plaines Marocaines. Ainsi, nous utilisons la composante LMDZ-ORCHIDEE du Modèle Couplé de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL-CM), dont le modèle atmosphérique LMDZ est couplé au modèle de surface continentale ORCHIDEE. Une configuration originale a été mise en place, en bénéficiant de la “capacité du zoom” du LMDZ, avec une grille globale raffinée autour de la plaine du Haouz, et la dynamique à grande échelle forcée à suivre les réanalyses à l'extérieur de la zone zoomée.La première partie de ce travail est consacrée à la mise en place d'une évaluation approfondie du modèle LMDZ-ORCHIDEE dans la représentation des interactions surface-atmosphère en utilisant des mesures sur site collectées dans la plaine du Haouz. Des expériences de sensibilité sont menées avec un couvert végétal adapté afin de permettre une comparaison modèle-observation plus robuste et concluante. Les résultats montrent que le modèle -avec sa physique standard du CMIP6- représente raisonnablement bien le climat de la surface dans la plaine. Cependant, un biais chaud de température nocturne, associé à une sous-estimation de la chaleur sensible et de la vitesse du vent a été identifié et partiellement corrigé en prescrivant des hauteurs de rugosité plus réalistes. Une sous-estimation de l'évapotranspiration et de l'humidité du sol, accompagnée des biais chauds de la température diurne ont été également identifiés dans nos simulations. Ainsi, une paramétrisation du premier ordre, visant à imiter l'irrigation dans la plaine, est développée en ORCHIDEE. Les résultats montrent une réduction des biais de l'évapotranspiration et de la température diurne. Par conséquent, cette étude de sensibilité souligne le rôle majeur qu'occupe l'irrigation dans la régulation du climat local dans les champs agricoles.Dans la deuxième partie, nous avons étudié la réponse de l'hydrologie de surface au changement climatique dans le bassin Méditerranéen et l'Afrique du nord. Une analyse approfondie des modèles CMIP6 montre un assèchement intense à la Méditerranée et une augmentation des précipitations au Sahara, cependant, celles-ci sont compensées par l'augmentation de l'évapotranspiration. Une étude de comparaison à CMIP5 montre des résultats qualitativement similaires avec des changements moins intenses qu'en CMIP6, en particulier pendant l'hiver. Pour raffiner les projections sur les plaines agricoles Marocaines, nous avons mis en place une configuration LMDZ-ORCHIDEE zoomée sur la plaine du Haouz, dont les champs de vent et de température sont guidés à l'extérieur du Maroc vers une simulation globale CMIP6 bien choisie suivant un scénario SSP5-8.5. Les projections montrent un réchauffement de 4K sur la plaine, ainsi qu'une diminution de l'humidité du sol et du flux latent suite à une diminution des précipitations par 30%. L'irrigation atténue le réchauffement induit par le changement climatique et réduit le rapport de Bowen suite à l'augmentation de l'humidité du sol, soulignant ainsi l'importance de la prise en compte de l'irrigation dans les simulations climatiques sur les zones agricoles Marocaines.

Moroccan plains play a major role in the agricultural production of the country, accounting for a third of utilized agricultural land and two thirds of the irrigated areas of the country. However, the increasing droughts and water shortage risks raise a real challenge for sustainable water management in such vulnerable regions. An accurate modeling of the near surface climate is critical to understand and anticipate the climate change in the plains and their potential impacts on the region's water cycle and resources.The aim of this thesis is two fold: i) to evaluate and improve the modeling of the physical processes governing the surface climate and the water and energy budgets over the Moroccan agricultural plains, and ii) to conduct a critical assessment of future climate projections over the North African region and more particularly over the Moroccan plains. To this purpose, we use the LMDZ-ORCHIDEE model, the atmosphere-land surface component of IPSL-CM (The Institut de Pierre Simon Laplace Coupled Model). An original configuration has been set-up - leveraging the ‘zooming capability' of LMDZ - with a global grid locally refined over the Haouz plain in Marrakech region and with the large-scale dynamics nudged to follow reanalysis outside of the zoomed area.The first part of this work consists of performing a thorough evaluation of LMDZ-ORCHIDEE in representing the surface-atmosphere interactions using in situ measurements collected over the Haouz plain. Sensitivity experiments are performed with adapted land cover to make more robust model-observation comparison. Results show that LMDZ-ORCHIDEE - with the CMIP6 version of its physics - reasonably represents the plain's near surface climate. However, a nocturnal warm bias associated with underestimated sensible heating and wind speed has been identified and partly corrected by prescribing more realistic roughness heights. An underestimation of the evapotranspiration and soil moisture along with overly warm diurnal temperatures remain in our simulations. A first-order irrigation parameterisation has then been implemented in ORCHIDEE to mimic the drip irrigation process extensively used in the plain. Comparison with observations show that the evapotranspiration flux and the daytime temperature biases are reduced, suggesting that irrigation plays a significant role in determining the local climate in the agricultural fields.In the second part, we assessed the response of the different terms of the surface water budget to climate change over the Mediterranean basin and North-Africa. An in-depth analysis using selected CMIP6 models is carried out, and suggests a statistically robust amplification of the drying over the Mediterranean and an increasing precipitation pattern over Sahara, counterbalanced by increasing evaporative flux. Compared to the CMIP5 exercise, CMIP6 models show qualitatively similar patterns but generally predict more intense changes over the Mediterranean basin and South-Eastern Sahara, especially during winter. To refine the projections over the Moroccan agricultural plains, we then run our a new simulation with our LMDZ-ORCHIDEE configuration - with a “zoom” over the Haouz plain - in which wind and temperature fields outside Morocco are nudged towards a CMIP6 SSP5-8.5 scenario. This simulation shows a warming of 4K over the plain with the high-end scenario, as well as a decrease in soil moisture and latent heat flux following the decrease in precipitation by 30%. Sensitivity studies suggest that irrigation can potentially mitigate by 1K the climate change-induced warming and reduce the Bowen ratio as a result of enhanced soil moisture, emphasizing the importance of accounting for the irrigation in climate projections over the Moroccan agricultural areas.