Orchidée

3.2.1 Présentation générale

« Orchidée »1 (http://labex.ipsl.fr/orchidee/) est un modèle de surface continentale (Land

Sur-face Model, LSM) développé par l’Institut Pierre Simon Laplace (IPSL). Il s’agit d’un modèle dynamique,

développé à l’échelle globale et qui simule les processus continentaux, dans le continuum sol-végétation-atmosphère. Ses résultats sont intégrés comme condition à la limite basse du modèle général de circulation atmosphérique du Laboratoire de Météorologie Dynamique (modèle LMDZ). Il permet ainsi de modéliser les interactions entre les surfaces continentales et l’atmosphère. Il peut également être utilisé en mode forcé, c’est-à-dire avec un forçage météorologique imposé pour l’ensemble de la période simulée, sans possibilité de rétroaction des processus de surface sur celui-ci.

Orchidée simule en particulier les flux d’énergie, d’eau et de carbone entre les surfaces continentales et l’atmosphère. Il est composé de trois modules qui représentent des processus différents et agissant à des échelles de temps différentes : SECHIBA2qui représente les flux d’eau et d’énergie dans le sol et à sa surface, STOMATE3, qui modélise principalement la phénologie végétale (les phases de développement saisonnier des plantes liées au cycle climatique annuel, comme la feuillaison ou la coloration des plantes) et les échanges de carbone dans la biosphère, et LPJ4qui simule l’évolution dynamique de la végétation. Ces trois modules peuvent être activés ou désactivés, au choix de l’utilisateur. Dans le cadre de ce travail, seul le module Sechiba a été utilisé.

3.2.2 Sechiba

Le module Sechiba a initialement été développé par Ducoudre et al. [1993] pour paramétrer les échanges d’énergie et d’eau entre le sol et l’atmosphère, via la végétation, ainsi que les variations de stockage d’eau souterraine. Ont ainsi été introduits les processus suivants : évaporation, transpiration des plantes, pertes par interception et stockage de l’eau dans le sol. La résolution de ces processus se fait uniquement verticalement,

1. ORganizing Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems Environment

2. Schématisation des Échanges Hydriques à l’Interface entre la Biosphère et Atmosphère 3. Saclay Toulouse Orsay Model for Analysis of Terrestrial Ecosystems

4. Lund-Postdam-Jena

Deuxième partie : Le modèle de colonne H2SC les surfaces continentales étant représentées comme un ensemble de colonnes de sol voisines mais indépen-dantes les unes des autres. Les processus importants pour cette thèse sont représentés sur une colonne de sol sur la figure 2.15. Évaporation Transpiration Drainage libre Écoulement 1D Précipitations Ruissellement ≈ 2 m

Fig. 2.15 – Colonne Orchidée et principaux processus modélisés.

Différentes améliorations et modifications d’Orchidée ont ensuite été réalisées au cours du temps. L’uti-lisateur est généralement libre de choisir quelle version il souhaite utiliser. On peut citer en particulier la modification du bilan hydrologique à deux couches (modèle de Bucket) par la résolution de l’équation de Richards le long d’un maillage vertical de 11 couches [de Rosnay, 1999], puis de 20 couches [Campoy et al., 2013]. Un profil racinaire a alors pu être introduit pour représenter la variation de la prise d’eau racinaire en fonction de la profondeur [de Rosnay et Polcher, 1998]. Ensuite, d’Orgeval [2006] a, par exemple, modifié les calculs d’évaporation en introduisant la fraction de sol nu à travers le feuillage.

Résolution spatiale et temporelle

La résolution spatiale du modèle Sechiba est celle du modèle atmosphérique LMDZ lorsque ces deux modèles sont utilisés en mode couplé. Sinon, elle doit correspondre à la résolution du forçage atmosphérique utilisé. De manière générale, la résolution spatiale est de 1° (∼ 100 km) pour des simulations à l’échelle globale. On observe cependant une tendance à la diminution de la taille des mailles, grâce à l’augmentation de la puissance des calculateurs.

Le pas de temps classiquement utilisé dans Sechiba est de 30 minutes.

Équation de Richards

L’équation de Richards qui est résolue dans Sechiba est formulée en fonction de la teneur en eau :

∂θ

∂t −^−→∇ ·^Dc(θ)^−→∇θ^−^−→∇K ·^−→∇z= q (2.72) avec Dc(θ) = ^K(θ)

C(θ) ^{la diffusivité capillaire.}

Elle est résolue selon l’axe vertical uniquement. La perméabilité K et la diffusivité D_c sont calculées à partir des relations de Van Genuchten (cf. section 1.1.4, page 41), puis linéarisées par morceaux pour réduire le coût numérique des calculs [d’Orgeval, 2006]. La résolution de l’équation (2.72) est basée sur la méthode

Chapitre 3 : L’environnement de modélisation

des différences finies associée à un schéma semi-implicite [de Rosnay, 1999]. Le maillage à 11 couches, celui utilisé ici, représente une couche de sol de 2 m de profondeur. Sa progression est géométrique de raison 2. L’épaisseur de la première couche située juste sous la surface du sol est égale à 1 mm, tandis que celle de la couche la plus profonde vaut 1 m.

Drainage en fond de colonne

En fond de colonne, une condition à la limite de drainage libre est imposée. Ceci signifie que le flux au fond de la colonne est égal à la conductivité hydraulique [d’Orgeval, 2006]. Cette condition à la limite est valable pour des nappes profondes, mais sa validité diminue à mesure que la nappe est proche du fond de la colonne, et donc de la surface. L’impact de cette condition à la limite de drainage libre sur le profil de teneur en eau simulé et sur les possibles rétroactions sur le climat a été étudié par Campoy et al. [2013]. Différentes conditions à la limite ont été testées : drainage réduit en le multipliant par un facteur donné (0,1 et 0,01), drainage nul (fond imperméable), et saturation imposée à différentes profondeurs. Les résultats montrent un impact significatif sur les flux d’évapotranspiration pendant la période estivale ainsi que sur différentes variables atmosphériques, comme les précipitations et la température de l’air.

Type de sol

Les trois types de sol utilisés par défaut dans Orchidée sont de texture fine, moyenne et grossière. Ils sont définis par les valeurs présentées dans le tableau 2.1 (page 41) et sont caractérisés par les relations de Van Genuchten (cf. section 1.1.4, page 41). Ils correspondent respectivement à un limon argileux, un limon sablo-argileux et un sable limoneux.

Type de végétation

Les paramètres de végétation sont définis pour 12 catégories de végétation, auxquelles s’ajoute le sol nu (tableau 2.3). Ces différentes catégories correspondent à des types fonctionnels de plantes (Plant

Func-tional Types, PFT). Ce découpage est réalisé selon des critères de similarité fonctionnelle, englobant ainsi

de nombreuses espèces, l’objectif n’étant pas de représenter l’ensemble des espèces végétales. On distingue alors 8 PFTs représentant des arbres, 2 PFTs de plantes herbacés et 2 PFTs de type agricole. Cette clas-sification permet de paramétrer les principales caractéristiques des végétaux, comme le coefficient racinaire pour la fonction racinaire exponentielle (crac, cf. section 1.2.2, page 44), la résistance architecturale (r0, cf. section 1.2.2), le coefficient d’extinction pour le calcul de la fraction de sol nu au travers de la végétation (ce, cf. équation (2.14), page 44), ou encore les LAI minimaux et maximaux.

Forçage climatique

Les données climatiques nécessaires pour utiliser Sechiba en mode forcé (ou off-line) sont les suivantes [Guimberteau, 2010] :

— les précipitations (en kg × m−2_{× s}−1) (sous forme de pluie ou de neige le cas échéant) ; — le rayonnement incident (solaire et infrarouge) (en W × m−2) ;

— la vitesse du vent à 10 m (en m × s−1) ; — la pression à la surface (en P a) ; — la température de l’air à 2 m (en K) ; — humidité de l’air à 2 m (en kg × kg−1).

Deuxième partie : Le modèle de colonne H2SC N˚ Type Feuillage/Aiguille Climat crac(m-1) r0 (s × m-1) ce LAImin LAImax

1 Sol nu / / 0 0 0,5 0 0

2 Feuillus Persistant Tropical 0,8 25 0,5 8,0 8,0

3 Feuillus Caduque Tropical 0,8 25 0,5 0,0 8,0

4 Résineux Persistant Tempéré 1,0 25 0,5 4,0 4,0 5 Feuillus Persistant Tempéré 0,8 25 0,5 4,5 4,5

6 Feuillus Caduque Tempéré 0,8 25 0,5 0,0 4,5

7 Résineux Persistant Boréal 1,0 25 0,5 4,0 4,0

8 Feuillus Caduque Boréal 1,0 25 0,5 0,0 4,5

9 Résineux Caduque Boréal 0,8 25 0,5 0,0 4,0

10 Prairies C3 4,0 2,5 0,5 0,0 2,0

11 Prairies C4 4,0 2,0 0,5 0,0 2,0

12 Cultures C3 4,0 2,0 0,5 0,0 2,0

13 Cultures C4 4,0 2,0 0,5 0,0 2,0

Tab. 2.3 – Caractéristiques principales des différents types de végétation proposés dans Orchidée (appelés PFT : Plant Functional Type).