Mise à l'échelle des processus hydrologiques pour les modèles de surface continentale, de la modélisation 3D intégrée au modèle de réservoir : Application au bassin du Little Washita

Upscaling approach of the hydrological processes for Land Surface Models, from integrated 3D model to reservoir model : Application to the Little Washita basin

• Auteur / Autrice : Fanny Picourlat
• Direction : Emmanuel Mouche, Claude Mügler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Ottlé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : René Therrien, Bertrand Decharme, Jan Polcher, Philippe Ackerer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : René Therrien, Bertrand Decharme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climat

Modélisation tridimensionnelle

Échelle (ordre de grandeur)

Hydrologie

Mots clés libres

Hydrologie

Mise à l'échelle

Modélisation

Surface continentale

Hydrology

Upscaling

Modeling

Land surface

Résumé

Le cycle de l'eau étant un élément moteur du climat, modéliser avec exactitude les différents flux hydrologiques continentaux constitue un enjeu majeur de la modélisation climatique. Ces flux sont modélisés au sein des modèles de surface continentale (nommés LSM) dont la résolution horizontale est de l'ordre de la centaine de kilomètres. À cette échelle, la représentation de l'hydrologie continentale est simplifiée : les écoulements latéraux sont conceptualisés au travers de réservoirs, et leur influence sur la distribution spatiale de la teneur en eau des sols est négligée. De telles simplifications introduisent des biais sur le calcul du flux évapotranspiratoire, ainsi que du débit en rivière. Un consensus est par conséquent observé au sein de la communauté scientifique sur le besoin d'améliorer la représentation de l'hydrologie dans les LSM. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une démarche de mise à l'échelle des processus hydrologiques pour les LSM, allant de la modélisation 3D intégrée au modèle de réservoirs. Appliquée au bassin du Little Washita (Oklahoma, USA), cette démarche s'articule en trois étapes de réduction de dimensionnalité. En premier lieu, une simulation 3D de référence est conduite sur vingt années à l'aide d'un code intégré à base physique. Le modèle 3D est ensuite réduit à un modèle 2D de versant équivalent. Une troisième étape consiste en la réduction, au moyen d'hypothèses simplificatrices, du modèle 2D à un modèle conceptuel de réservoirs. Enfin, une simulation de colonne 1D est conduite à l'aide d'un LSM. Une comparaison avec le résultat du modèle conceptuel issu de la démarche de mise à l'échelle permet de dégager différentes pistes de développement de l'hydrologie des LSM.

As the water cycle is a driving force of climate, accurate modeling of the various continental hydrological fluxes is a major challenge in climate modeling. These flows are modeled within Land Surface Models (LSM) with a horizontal resolution of about 100 km. At this scale, the representation of continental hydrology is simplified: lateral flows are conceptualized through reservoirs, and their influence on the spatial distribution of soil water content is neglected. Such simplifications introduce biases on the calculation of evapotranspiratory flux and river flow. A consensus is therefore observed within the scientific community on the need to improve the representation of hydrology in LSM. In this context, the objective of this thesis is to develop an upscaling approach of the hydrological processes for LSM, ranging from integrated 3D model to reservoir model. Applied to the Little Washita basin (Oklahoma, USA), this approach is articulated in three steps of dimensionality reduction. First, a 3D simulation is conducted over 20 years using a physically-based integrated code. The 3D model of the basin is then reduced to a 2D equivalent hillslope model. A third step consists in reducing the 2D model to a conceptual reservoir model using simplifying assumptions. Finally, a 1D column simulation is performed using a LSM. A comparison with the conceptual model resulting from the upscaling approach allows us to identify different avenues for the development of LSM hydrology.