Mise à l'échelle du cycle hydrologique continental pour les modèles de climat

par Fanny Picourlat

Projet de thèse en Météorologie, océanographie, physique de l'environnement

Sous la direction de Emmanuel Mouche et de Claude Mugler.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les mers et les océans, les eaux continentales superficielles et souterraines, l'atmosphère et la biosphère constituent les quatre réservoirs d'eau de la planète. Les flux hydrologiques entre ces réservoirs sont des éléments moteurs du climat et de son évolution. Pour modéliser le climat actuel et faire des projections réalistes dans le futur, il importe de pouvoir modéliser ces flux avec la plus grande précision possible. Celle-ci dépend des modèles décrivant les transferts d'eau dans chacun de ces réservoirs et du degré de discrétisation des simulations numériques, ces deux aspects étant généralement liés. Plus le maillage utilisé dans les simulations de climat est raffiné, meilleure est la précision. Compte tenu des capacités informatiques actuelles, l'extension d'une maille de surface continentale est de l'ordre de la centaine de kilomètres. À cette échelle, l'hydrologie continentale est décrite de façon schématique et certains processus observés et modélisés à l'échelle du bassin versant ne sont pas pris en compte. Il est reconnu que ce problème de sous discrétisation conduit à une mauvaise estimation des flux hydrologiques échangés avec l'atmosphère et des flux d'eau douce exportés vers les mers et les océans via le réseau hydrographique. Pour pallier ce problème, nous proposons dans cette thèse de développer et valider une approche de mise à l'échelle du cycle hydrologique continental, à l'instar de ce qui est fait pour la modélisation des réservoirs pétroliers. Cette méthode consiste, en partant du modèle hydrologique local 3D d'un bassin versant, à construire un modèle équivalent de complexité et dimensionnalité réduites. Les flux échangés avec l'extérieur sont ensuite déduits d'une moyenne du modèle équivalent sur tout le bassin. Cette façon d'exporter la physique sous maille vers des échelles supérieures permet de garder la trace d'un processus local dans une remontée en échelle. Comme l'exige la méthodologie de changement d'échelle dans les réservoirs géologiques, cette nouvelle approche sera validée sur des simulations à haute résolution dites de référence. Celles-ci seront effectuées avec le code hydrologique intégré HydroGeoSphere développé à l'Université Laval de Québec (Canada). Les résultats de référence seront comparés à ceux de la mise à l'échelle et aussi à ceux obtenus avec le code de surface continentale de l'IPSL, ORCHIDEE. Cette mise à l'échelle sera testée sur trois bassins soumis à différents types de climat et caractérisés par différentes topographies et couvertures végétales. Cette thèse sera menée en collaboration avec l'Université Laval à Québec, l'Ecole des Mines de Boulder aux USA et le laboratoire METIS de l'Université Pierre et Marie Curie à Paris.

  • Titre traduit

    Upscaling the continental hydrological cycle for climate models


  • Résumé

    The seas and oceans, the subsurface and deep aquifers, the atmosphere and the biosphere are the four water reservoirs on earth. The hydrological fluxes between these reservoirs are the driving forces of the climate and its evolution. In order to model the present climate and perform reliable projections in the future, the fluxes must be modeled with the highest precision. This precision depends on the models which describe water transfers in each of these compartments and on the degree of discretization of the climate simulations, both being generally linked. The more refined is the grid used in the simulations, the better is the simulation. The current computing capabilities allow a mesh size of the order of one hundred kilometers. At this scale, the continental hydrology is described schematically and some processes are missing. It is acknowledged that this problem leads to poor estimations of the hydrological fluxes with the atmosphere and water fluxes exported to the seas and oceans via the hydrographic network. To overcome this problem we propose in this thesis to develop and validate a novel upscaling method for the hydrological continental cycle similar to what is currently done in petroleum reservoir simulation. The two basic steps of the method are i) reduce the complexity and dimensionality of the initial 3D watershed problem by building an equivalent and simpler watershed model, and ii) solve the equivalent problem and perform a spatial averaging of the results to obtain the fluxes at the watershed boundaries. This methodology allows to keep the trace of the local hydrology in the upscaling process. As required in upscaling of petroleum reservoirs, a comparison with a high precision simulation must be done to validate the upscaling results. This will be performed with HydroGeoSphere, an integrated hydrologic code developed at the university Laval of Québec in Canada. Both upscaled and reference results will be compared to ORCHIDEE the Land Surface Model developed at the IPSL. This upscaling methodology will be tested on three watersheds, each with a type of climate forcing, geomorphology and land cover. This thesis will be conducted in collaboration with the university Laval in Québec (Canada), the Colorado School of Mines in USA and the Laboratory METIS of the University Pierre and Marie Curie of Paris.