Données synthétiques

III.2.1. Le modèle SIM

La suite de modèle SIM (SAFRAN-ISBA-MODCOU) est utilisée, elle sert de base de données d’humidité des sols sur la France continentale. Deux périodes sont considérées dans deux études de ce travail de thèse : 1er août 2002 au 31 août 2004, 1er juillet 2008 au 30 juin 2009.

56 SAFRAN est l’acronyme de Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige (Durand et al., 1993). C’est un système d’analyse atmosphérique à moyenne échelle pour les variables de surfaces. Il a été initialement développé pour fournir une analyse du forçage atmosphérique dans les zones montagneuses pour la prévision de l’épaisseur du manteau neigeux et des avalanches. L’analyse SAFRAN fournit les principaux paramètres de forçage atmosphérique (précipitation, température et humidité de l’air, vitesse du vent et rayonnement solaire incident) en utilisant des informations en provenance de plus de 400 stations météorologiques automatiques et plus de 3500 relevés pluiomètriques quotidiens en France. Une méthode d’interpolation optimale est utilisée pour attribuer une valeur à chaque variable analysée. Dans une étude menée au CNRM, Quintana-Segui et al., 2008 ont montré qu’il y avait une bonne corrélation entre la base de données SAFRAN et des observations in situ.

J’ai déjà évoqué dans le premier chapitre le modèle ISBA. C’est lui qui est utilisé pour fournir les informations sur l’hydrologie à la suite de modèle SIM en se basant sur les équations de ‘force-restore’ (Noilhan et Planton, 1989, Noilhan et Mahfouf, 1996). Dans le cas de la chaîne SIM, la dynamique de l’eau dans le sol est modélisée avec 3 couches (Boone et al., 1999), les paramètres de sol et de végétation proviennent d’une base de données de sols et d’écosystème (ECOCLIMAP, Masson et al., 2003). Avec pour objectif de simuler les processus de surface, les paramètres d’ISBA fournis par ECOCLIMAP à 1km de résolution spatiale sont agrégés à la résolution spatiale de SIM : 8km. Les simulations avec ISBA sont aussi réalisées à cette résolution. Enfin MODCOU est un modèle pour l’hydrogéologie mais qui n’est pas utilisé dans cette étude. En 2002, la chaîne d’analyses SIM a été étendue à l’ensemble du territoire français métropolitain pour suivre en temps réel les ressources en eau à l’échelle nationale (Habets et al., 2008). Au total, SIM consiste en une base de données de 9892 pixels. Pour chaque pixel, des informations comme l’humidité de surface, de la zone racinaire, l’épaisseur du sol, les fractions d’argile et de sable mais également le LAI et les forçages atmosphériques sont disponibles. Ce dernier point est important car si jusqu’alors des forçages atmosphériques observés in situ ont été utilisés pour la modélisation (Chapitre II, modélisation sur SMOSREX), ceux de l’analyse SAFRAN seront également utilisés dans le chapitre suivant pour représenter un cas d’étude plus proche de la réalité opérationnelle.

Pour des raisons hydrologiques, la base de données SAFRAN dépasse les frontières administratives de la France (Allemagne et Suisse en particulier). La qualité des données dans ces zones est moins bonne car aucune observation n’est utilisée.

III.2.2. Analyses opérationnelles de l’humidité du sol dans les

modèles de prévisions numériques du temps

De nombreux systèmes d’analyses opérationnels d’humidité du sol dans les modèles de la prévision numérique du temps sont basés sur l’analyse de variables observées à deux mètres (les températures et l’humidité relative de l’air) pour corriger la température et l’humidité du sol. Pour cela, la technique la plus couramment employée et l’interpolation optimale (OI, Mahfouf, 1991). Ce type d’algorithme est utilisé à Météo-France (Giard and Bazile, 2000), au Centre Européen (Douville et al., 2000) et au centre météorologique du Canada (Bélair et al., 2003).

Un reproche à l’utilisation de ces deux types d’observation (température et humidité relative à deux mètres, T2m et RH2m) pour corriger les variables pronostiques du sol est quelles sont plus

57 liées aux flux turbulents de surfaces qu’aux variables du sol, en particulier au contenu en eau. Une récente étude (Drusch and Viterbo, 2007) a en effet démontré que ces observations améliorent la représentation des flux turbulents de surface et donc la prévision du temps sur de larges domaines géographiques mais n’a pas d’impact positif sur l’humidité du sol. Des résultats similaires sont observés par van den Hurk et al., 2008. De plus, la qualité des résultats va dépendre de la densité du réseau d’observation de surface utilisé pour l’analyse.

Le développement des techniques de télédétection spatiale pour estimer l’humidité superficielle du sol à l’échelle globale incite à l’utilisation de cette information. Elle est plus directement reliée au contenu en eau du sol que les températures et l’humidité du sol à 2 mètres. La méthode d’assimilation de données par interpolation optimale n’étant pas assez flexible pour intégrer de nouveaux types d’observation (Mahfouf et al., 2009), les services météorologiques doivent s’orienter vers l’élaboration de nouvelles méthodes pour pouvoir intégrer ces informations. Ils s’orientent vers l’utilisation de méthodes comme le filtre de Kalman étendu (EKF pour Extended Kalman Filter) aussi bien au Centre Européen (Drusch et al., 2009) qu’à Météo-France (Mahfouf et al., 2009, Draper et al., 2009).

C’est dans ce contexte que 3 jeux de données d’humidité des sols fournis par des services météorologiques opérationnels sont évalués à l’aide des mesures in situ du réseau SMOSMANIA :

(i) le système d’analyse opérationnel d’humidité du sol de Météo-France (modèle ALADIN, OI, T2m + RH2m),

(ii) le système d’analyse opérationnel d’humidité du sol du Centre Européen (système IFS, OI, T2m + RH2m),

(iii) un nouveau système d’analyse d’humidité du sol du Centre Européen (EKF, T2m +

RH2m + ASCAT).

III.2.2.1. Produit eau du sol opérationnel du Centre Européen

Le système d’analyse opérationnel d’humidité du sol du Centre Européen (IFS pour Integrated Forecast System, cy33r1) utilise une version du schéma de surface TESSEL (Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchange over Land, van den Hurk et al., 2000) nommé H- TESSEL (Hydrology-TESSEL, Balsamo et al., 2009) pour modéliser les processus de surface. Le schéma de surface TESSEL inclut six types de couvert sur les surfaces terrestres (deux types de végétation, haute et basse, du sol nu, de la neige au sol et perchée ainsi qu’un réservoir d’interception). Les bilans en eau et en énergie sont calculés séparément. Le modèle considère quatre couches de sol (0-7, 7-28, 28-100, 100-289cm). Dans chaque maille, il peut y avoir deux types de végétation, haute ou basse. Une base de données climatique extérieure au modèle est utilisée pour définir les caractéristiques de la végétation : Global Land Cover Characteristics (GLCC, Loveland et al., 2000, http://edcsns17.cr.usgs.gov/glcc/).

Les propriétés texturales des sols sont supposées uniformes et aucun ruissellement de surface n’est considéré. Dans la version H-TESSEL, les principales modifications concernent ces deux derniers points. Les types de sols varient avec la localisation (la formulation des propriétés hydrauliques des sols est donc également modifiée). Il est donc possible de générer un ruissellement de surface basé sur la topographie locale et le type de sol.

Le premier jeu de données d’humidité du sol provenant du Centre Européen est le produit opérationnel. Il prend en compte l’assimilation d’observations à deux mètres (température et humidité relative) à l’aide de la méthode d’interpolation optimale. Le second, en plus des

58 observations à deux mètres, assimile également les estimations d’humidité des sols ASCAT à l’aide d’un filtre de Kalman étendu (Drush et al., 2009). C’est le futur développement de l’analyse opérationnelle du Centre Européen. Les deux produits seront comparés aux mesures in situ des stations du réseau SMOSMANIA : la première couche de sol (0-7cm) aux observations à 5cm et la seconde (7-28cm) aux observations à 20cm. Cette étude permettra d’évaluer l’apport de l’assimilation des produits ASCAT et de la nouvelle méthode d’analyse. La résolution spatiale de ces produits est de 23km.

III.2.2.2. Produit eau du sol opérationnel de Météo France

Dans les modèles de prévision numérique du temps utilisés à Météo France, c’est le schéma de surface ISBA qui est utilisé, que ce soit à l’échelle globale, avec le modèle ARPEGE (Action de Recherche Petite Echelle Grande Echelle) ou sur la zone Europe avec le modèle ALADIN (Air Limitée Adaptation Dynamique et développement International) (Giard and Bazile, 2000). Les observations T2m et RH2m sont utilisées pour corriger les variables

pronostiques que sont la température et l’humidité du sol à l’aide de l’interpolation optimale, comme pour le produit du Centre Européen. ALADIN est imbriqué dans le modèle ARPEGE, sa résolution spatiale est de 9.5km. C’est à partir de février 2009 que l’on parle d’analyses ALADIN. Avant cette date, il s’agissait d’analyses ARPEGE interpolées sur la grille ALADIN. Tout comme les produits du Centre Européen, les sorties d’humidité superficielle du modèle (wg) ALADIN seront comparées aux mesures in situ à 5cm.