Etude de la modélisation du couplage surface - atmosphère dans les zones irriguées avec le modèle de climat de l'IPSL

Modelling and study of the land surface - atmosphere coupling in irrigated regions using the IPSL climate model

• Auteur / Autrice : Pierre Tiengou
• Direction : Agnès Ducharne, Frédérique Cheruy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Hydrologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols

Mots clés

Mots clés libres

Irrigation

Modélisation climatique

Modélisation hydrologique

Couplage surface-atmosphère

Irrigation

Climate modelling

Hydrologic modelling

Land - atmosphere coupling

Résumé

La modélisation du climat s'attache à décrire les mécanismes qui régissent l'évolution de variables météorologiques d'intérêt (température, vent, précipitations), à partir d'observations, et de principes physiques établis (lois de conservation). Les premiers modèles développés dans ce but concernaient essentiellement l'atmosphère. Toutefois, la présence de la surface continentale impose des conditions aux limites de l'atmosphère, et il a rapidement été nécessaire d'en avoir une représentation plus complète. Aujourd'hui, au vu de la complexité croissante des modèles globaux de climat, la description des continents est généralement séparée de celle de l'atmosphère, mais des simulations couplées permettent d'utiliser ces deux composantes ensemble. La description des échanges entre la surface continentale et l'atmosphère est donc une composante essentielle des modèles de climat. Au centre de celle-ci se trouve la formulation des flux de chaleur latente et de chaleur sensible, respectivement liés au changement de phase de l'eau (évapo-transpiration) et aux transferts thermiques entre le sol et l'air. Elle fait intervenir de nombreux processus physiques qui relient les caractéristiques du sol (température, taux d'humidité, présence de végétation) à l'évolution de l'atmosphère (phénomènes de convection, turbulence) et influencent fortement la température et les précipitations. La modélisation de ces processus reste aujourd'hui imparfaite et l'étude de leurs impacts est rendue difficile par les nombreux couplages et boucles de rétroaction entre les deux systèmes. Il a été mis en évidence que les limites de ces descriptions jouent un rôle significatif dans les biais communs aux modèles de climat, ce qui justifie les efforts pour mieux comprendre les processus et améliorer leur modélisation [1] [2]. Dans cette optique, les zones fortement irriguées sont particulièrement intéressantes car elles constituent un cas extrême (puisque l'action humaine garantit l'apport en eau) qui peut permettre de mieux caractériser les sources d'erreur des modèles. Ce travail de thèse se concentre donc sur la modélisation des processus d'interface dans les composantes atmosphérique (LMDZ) et continentale (ORCHIDEE) du modèle de climat de l'IPSL et sur leur évaluation, en particulier dans le contexte de zones fortement irriguées. Un module permettant de représenter l'irrigation a récemment été développé dans ORCHIDEE [3], et je prévois de l'utiliser dans des simulations couplées ORCHIDEE-LMDZ, ce qui n'a pas encore été fait pour le moment. La récente campagne d'observations LIAISE [4], qui concerne une zone en Espagne où la présence d'irrigation est marquée et crée de fortes hétérogénéités spatiales, devrait s'avérer particulièrement pertinente pour comparer les résultats des simulations couplées avec des données issues du terrain. Cela permettra de compléter l'évaluation du module, et d'analyser l'impact de la prise en compte de l'irrigation sur le couplage entre la surface et l'atmosphère dans le modèle. Références bibliographiques [1] Seneviratne, S.I., et al. 2010. Investigating soil moisture–climate interactions in a changing climate: A review. Earth-Science Reviews, 99(3-4), 125-161. [2] Cheruy F., et al. 2013. Combined influence of atmospheric physics and soil hydrology on the simulated meteorology at the SIRTA atmospheric observatory. Climate Dynamics, 40:2251–2269. [3] Arboleda-Obando P.F., 2023. Feedback from groundwater and irrigation on past and future climate. PhD thesis, Sorbonne Université. [4] Boone, A.A., et al., 2019. Land surface Interactions with the Atmosphere over the Iberian Semi-arid Environment (LIAISE). Gewex News.

Climate modeling aims to describe the mechanisms governing the evolution of meteorological variables of interest (temperature, wind, precipitation), based on observations and established physical principles (conservation laws). The first models developed for this purpose essentially concerned the atmosphere. However, the presence of the continental surface imposes boundary conditions on the atmosphere, and it soon became necessary to have a more complete representation. Today, in view of the growing complexity of global climate models, the description of the continents is generally separate from that of the atmosphere, but coupled simulations make it possible to use these two components together. The description of exchanges between the continental surface and the atmosphere is therefore an essential component of climate models. Central to this is the formulation of latent and sensible heat fluxes, linked respectively to water phase change (evapotranspiration) and heat transfer between soil and air. It involves numerous physical processes that link soil characteristics (temperature, moisture content, presence of vegetation) to the evolution of the atmosphere (convection, turbulence) and have a major influence on temperature and precipitation. The modeling of these processes remains imperfect today, and the study of their impacts is made difficult by the numerous couplings and feedback loops between the two systems. It has been shown that the limitations of these descriptions play a significant role in the biases common to climate models, which justifies efforts to better understand the processes and improve their modeling [1] [2]. In this respect, highly irrigated areas are of particular interest, as they represent an extreme case (since human action guarantees the water supply) that can be used to better characterize the sources of model error. This thesis therefore focuses on modeling interface processes in the atmospheric (LMDZ) and continental (ORCHIDEE) components of the IPSL climate model and their evaluation, particularly in the context of highly irrigated areas. A module for representing irrigation has recently been developed in ORCHIDEE [3], and I plan to use it in coupled ORCHIDEE-LMDZ simulations. The recent LIAISE observation campaign [4], which concerns an area in Spain where the presence of irrigation is marked and creates strong spatial heterogeneities, should prove particularly relevant for comparing the results of coupled simulations with field data. This will enable us to complete the evaluation of the module, and to analyze the impact of taking irrigation into account on the coupling between the surface and the atmosphere in the model. References [1] Seneviratne, S.I., et al. 2010. Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate: A review. Earth-Science Reviews, 99(3-4), 125-161. [2] Cheruy F., et al. 2013. Combined influence of atmospheric physics and soil hydrology on the simulated meteorology at the SIRTA atmospheric observatory. Climate Dynamics, 40:2251-2269. [3] Arboleda-Obando P.F., 2023. Feedback from groundwater and irrigation on past and future climate. PhD thesis, Sorbonne University. [4] Boone, A.A., et al., 2019. Land surface Interactions with the Atmosphere over the Iberian Semi-arid Environment (LIAISE). Gewex News.