Apport de paramétrisations avancées des processus liés à la végétation dans les modèles de surface pour la simulation des flux atmosphériques et hydrologiques

par Adrien Antoine Napoly

Thèse de doctorat en Océan, Atmosphère, Climat

Sous la direction de Aaron Boone et de Eric Martin.

Le président du jury était Gilles Boulet.

Le jury était composé de Aaron Boone, Eric Martin, Isabelle Braud, Florence Habets, Philippe Peylin, Jérôme Demarty.

Les rapporteurs étaient Isabelle Braud, Florence Habets, Philippe Peylin.


  • Résumé

    La version actuelle du modèle de surface continentale ISBA représente la couche de sol superficiel et la végétation comme un composite dont les propriétés physiques résultent de pondérations entre les propriétés du sol et de la végétation (albédo, rugosité par exemple). Une nouvelle version, ISBA-MEB (Multi-Energy-Balance), représente le sol et la végétation au travers de deux bilans séparés. Ce développement permet notamment une approche plus réaliste de la modélisation des flux au-dessus, dans et sous de la canopée avec un traitement propre à chacune des couches et la prise en compte de nouveaux processus (effet d'ombrage de la canopée sur le sol, transfert radiatif à travers la végétation, interception de la neige par la canopée). Le sol superficiel est lui désormais caractérisé, pour les surfaces forestières, par une couche de litière agissant sur le cycle énergétique comme sur le cycle hydrologique. Pour évaluer l'impact de ces nouveaux développements sur les forêts, quatre sites Français instrumentés sont dans un premier temps utilisés. Le large panel de données disponible permet une évaluation précise permettant de mettre en évidence certaines améliorations apportées par les développements, En particulier sur le bilan d'énergie en réduisant l'amplitude du flux de chaleur par conduction dans le sol et en réinjectant tout ou partie de cette énergie dans le flux sensible, mais aussi sur le bilan d'eau en améliorant le partitionnement de l'évapotranspiration en ses différentes composantes. Ensuite, leréseau Fluxnet, standard international, se révèle être outil idéal confirmer ces améliorations. Celui ci contient en effet des données relatives à des sites instrumentés correspondant à un large panel de climats et de types de végétation indispensable à la validation d'un modèle destiné à des simulations à échelle globale. 42 sites forestiers sont retenus pour procéder à l'évaluation des nouveaux développements sur la base d'un critère de fermeture du bilan énergétique. Lesrésultats de cette étude permettent non seulement de confirmer à grande échelle les résultats de la partie précédente mais aussi de caractériser des améliorations plus marquées sur les forêts de conifères ainsi que les sites enneigés. Enfin, l'impact sur le bilan hydrologique d'ISBA-MEB est évalué par l'utilisation de la chaîne opérationnelle hydrométéorologique SIM (SAFRAN-ISBAMODCOU).Cette chaîne permet de modéliser le débit des rivières françaises sur une longue période (jusqu'à un demi siècle) et par extension d'obtenir une estimation de la climatologie spatiallement distribuée de l'évapotranspiration. L'impact des développements, et nottament laprise en compte de la litière dans le modèle, modifient l'amplitude annuelle moyenne de l'évaporation du sol et impacte ainsi la modélisation des débits des rvières simulée. D'autre part, une augmentation significative de la sublimation de la neige est à l'origine dans les bassins de montagne d'une réduction du ruisselement total mais ceux-ci ne représente qu'une faible fraction du domaine d'étude.

  • Titre traduit

    Modeling improvement of process linked to vegetation into surfaces models for the simulation of atmospheric and hydrologic flows


  • Résumé

    The current version of ISBA land surface model represents the superficial layer of soil and vegetation as a composite with physical properties modeled as a weighted combination between soil and vegetation properties (e.g. albedo, roughness). A new version, ISBA-MEB (Multi-Energy-Balance), represents the soil and vegetation energy budgets separately. This development consists in a more realistic modeling of the flux exchanges above, within and below the canopy with an explicit treatment of each energy budget and the associated processes (canopy shading of the forest floor, canopy radiative transfer, canopy snow interception and loading, etc.). In addition, the superficial soil layer can be characterized as being comprised of forest litter thereby modulating both thermal and hydrological processes. In order to assess the impact of these developments, first, data from four French well-instrumented sites were used. The wide range of available data permitted a thorough assessment of the impact of the improvements. In particular, the reduced amplitude of the surface ground conduction flux has a profound impact on the energy budget by transferring the resulting residual energy into the sensible heat flux. The water balance was also mainly impacted by improving the partitioning of evapotranspiration into its various components and making it depend more directly on the temporal evolution of the vegetation properties. Next, the Fluxnet network database, which is an international standard for model evaluation, proved to be ideal for confirming these improvements since it is comprised of data from instrumented sites for a wide range of climates and vegetation types. A sub-set of 42 forest sites were selected for assessing the new developments using classical energy balance closure-based criteria. The results of this study not only confirmed the results from the first part of this study for the three French sites, but it also helped characterize the biggest improvements which occurred for moderately open canopies, the pine forest class, and sites with significant snow cover. Finally, the impact of MEB on the hydrological cycle is evaluated by using the SIM operational hydrometeorological chain (SAFRAN-ISBA-MODCOU). This system is used to model and evaluate river discharge over all of France over long periods of time (up to half a century), and by extension, obtain spatially distributed climatological evapotranspiration estimates. The impact of the new developments, especially the combination of the canopy and the explicit forest litter treatment, modified the temporal evolution of bare soil evaporation which had a notable impact on river flow. Finally, significantly increased snow sublimation reduced both total runoff and evapotranspiration in mountain catchments (which comprised a relatively small part of the studied domain).


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