ISBA-A-gs est un modèle générique de surfaces continentales capable de représenter l’évolution de la biomasse et donc du LAI (Calvet et al., 1998 ; Gibelin et al., 2006). Il s’agit de la version « LAI interactif » du modèle ISBA développé au CNRM (Noilhan et Planton, 1989). Cette partie vise à décrire de façon générale ces deux modèles, puis la version multicouche d’ISBA, nommée ISBA-DF, et enfin la plateforme de modélisation SURFEX permettant d’utiliser ces modèles.
1.1. Le modèle ISBA
Le modèle ISBA-standard (Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère) a été créé dans les années 80/90 au CNRM (Noilhan et Planton, 1989 ; Mahfouf et Noilhan, 1996). Il permet de représenter l’évolution quotidienne des variables d’état de surface des sols, à travers des bilans d’eau, d’énergie et de carbone. Ces variables sont ensuite utilisées dans les modèles climatiques et atmosphériques, ainsi que dans les modèles hydrologiques. Le profil de sol est représenté par une couche racinaire unique et les échanges à l’interface sol/atmosphère ont lieu via une couche de surface d’un centimètre d’épaisseur incluse dans la couche racinaire. Le modèle utilise la méthode « force-restore » (Deardorff, 1977, 1978) issue de l’approche « bucket » (Manabe, 1969). Par la suite, on appelle cette version ISBA-FR. Pour fonctionner, le modèle nécessite huit paramètres d’entrée. Trois paramètres constants au cours de l’année sont requis, comme la profondeur de la zone racinaire (notée d2, pouvant varier de quelques
centimètres jusqu’à plus d’un mètre selon la végétation étudiée), la résistance stomatique minimale (notée rsmin) et la contribution de la végétation au coefficient thermique (noté CT). A
cela viennent s’ajouter cinq autres variables évoluant au fil de l’année selon un cycle saisonnier : la proportion de végétation (veg), l’indice foliaire (LAI), la longueur de rugosité (z0), l’albédo (α) et l’émissivité de la surface dans le domaine infrarouge (e). Les
caractéristiques de surface sont également requises, comme par exemple les propriétés hydrologiques du sol ou la texture (en pourcentage d’argile et de sable). ISBA représente les processus de photosynthèse issus de l’approche simple développée par Jarvis (1976), qui tient compte notamment de la « Photosynthetically Active Radiation » (PAR), du stress hydrique, du déficit en vapeur d’eau et de la température de l’air. A partir de cette version originale est venue s’ajouter la version « LAI interactif », donnant lieu au modèle ISBA-A-gs.
54 1.2. Le modèle ISBA-A-gs
Le modèle ISBA-A-gs (Calvet et al., 1998 ; Gibelin et al., 2006) permet de modéliser les phénomènes de photosynthèse à travers la conductance stomatique des feuilles. Cette version permet ainsi d’étudier le système climatique et les rétroactions de la végétation sur le climat (Calvet et al., 2008; Queguiner et al., 2011). La formulation A-gs est basée sur le modèle développé par Jacobs et al. (1996) sous des conditions hydriques favorables. Elle repose sur le taux d’assimilation nette de CO2 par la végétation en fonction de différents facteurs
environnementaux limitants (rayonnement solaire, déficit de saturation de l’air en vapeur d’eau, température de surface, humidité du sol, concentration atmosphérique en CO2, etc...).
La conductance du mésophylle est le paramètre principal pilotant la photosynthèse. Le modèle est également capable de représenter différentes réponses des couverts végétaux à la sécheresse. L’une est appelée « stratégie tolérante » et l’autre « stratégie évitante ». Deux modèles ont été réalisés, l’un représentant le comportement des herbacées (Calvet, 2000), l’autre celui des forêts (Calvet et al., 2004). Ainsi, en présence d’un stress hydrique, les processus de photosynthèse sont limités (Galle et al., 2009).
ISBA-A-gs est doté d’un module de pilotage de la photosynthèse capable de simuler le LAI et la biomasse de la végétation, au pas de temps quotidien. Pour les herbacées, la biomasse aérienne sèche (Bag) est représentée. Elle se compose de la biomasse structurelle et
active. C’est la paramétrisation de la dilution de l’azote qui gouverne l’évolution de la biomasse (Calvet et Soussana, 2001). Pour simuler différents types de végétation, un jeu de paramètres propre à chaque type est nécessaire, comme par exemple les végétations de type C3 ou C4 (Farquhar et al., 1980 ; Collatz et al., 1992). Pour représenter les processus microscopiques (au niveau des stomates de la feuille) à l’échelle du couvert, le modèle fonctionne selon une méthode « big leaf ». Pour cela, un modèle de transfert radiatif est utilisé, permettant de décrire l’atténuation du PAR dans la végétation, à l’origine basé sur une approche « self-shading » (Calvet et al., 1998), puis amélioré par Carrer et al. (2013). Ce nouveau schéma de transfert radiatif est notamment dotée d’un profil de canopée plus affiné (dix couches, au lieu de trois dans la version d’origine) et d’une paramétrisation de la canopée au sommet et à la base de celle-ci. Les effets anthropiques, comme par exemple les pratiques agricoles (semis, récoltes, irrigation), ne sont pas représentés dans le modèle.
Le modèle ISBA-A-gs a été évalué à plusieurs reprises grâce à des données in-situ et issues de produits satellitaires, à l’échelle de la France (Rivalland et al., 2005 ; de Rosnay et al., 2006 ; Sabater et al., 2007 ; Lafont et al., 2012) et du globe (Gibelin et al., 2006).
L’imbrication des différents modèles qui viennent d’être présentés est schématisée par la Figure 11.
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Figure 11: Schéma de la modélisation des surfaces continentales au CNRM-GAME. 1.3. Le modèle ISBA-DF
Le sol peut être discrétisé en plusieurs couches, afin de représenter plus finement la distribution verticale de la température et du contenu en eau du sol. C’est possible grâce à la version ISBA-DF. ISBA-DF est une version multicouches du profil de sol, incluant des processus liés au gel du sol et à la diffusion (Boone et al., 2000 ; Decharme et al., 2011). Cette version permet de résoudre l’équation de Richards. Dans chaque couche, la température et l’humidité sont pronostiquées grâce aux caractéristiques hydrologiques et de texture de chacune des couches. C’est grâce à ce profil multicouche que la profondeur de la couche racinaire pourra être modifiée dans cette étude, en faisant varier le nombre de couches de deux à vingt.
Les différents profils racinaires représentés par les modèles ISBA et ISBA-DF et utilisés dans l’article qui suit sont schématisés par la Figure 12.
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Figure 12: Représentation schématique du profil racinaire (à 8 couches) dans la version ISBA- FR (partie gauche) et dans ISBA-DF (partie droite) en fonction de la profondeur (notée z, indiquée à droite). Les variables pronostiquées dans chaque compartiment sont indiquées sur le schéma : les températures de surface et du sol (notées Ts et Tp ou T, respectivement), les
différents contenus en eau liquide de surface et du sol (notés ws et wp ou wL, respectivement) et
en eau gelée de surface et du sol (notés wsf et wpf ou wI, respectivement). Les flux sont également
indiquées : le flux de chaleur (noté G) et le flux d’eau liquide (F) (Boone et al., 2000). 1.4. La plateforme SURFEX
Le modèle ISBA constitue l’un des quatre modèles de surface disponible dans la plateforme de modélisation SURFEX (SURFace EXternalisée ; Le Moigne, 2009 ; Masson et al., 2013) développée par Météo-France. Les trois autres modèles décrivant les processus physiques de surface sont : FLAKE pour les lacs (Salgado et Le Moigne, 2010), TEB pour les villes (Masson, 2000) et un modèle de mer et d’océan (Gaspar et al., 1990). SURFEX est utilisé aussi bien en recherche que pour des applications opérationnelles. SURFEX peut être utilisé en mode « offline » ou en mode « online ». Le mode « offline » signifie qu’il fonctionne de manière découplée de l’atmosphère et il est alors forcé par des analyses atmosphériques ou des observations météorologiques, comme par exemple ce qui est fait dans cette étude avec les données Safran (Quintana-Seguí et al., 2008). Le mode « online » signifie qu’il est couplé avec un modèle atmosphérique (Sarrat et al., 2009).
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2. Evaluation of root water uptake in the ISBA-A-gs land surface model using