Sensibilité des simulations hydrologiques aux forçages atmo- atmo-sphériquesatmo-sphériques

4.4.5.1 Simulations

Nous avons réalisé trois simulations avec le modèle CLSM pour évaluer les forçages atmosphériques via les différences de réponses du modèle. Ces trois simulations sont :

— SAF : simulation utilisant l’ensemble des données SAFRAN — DuO : simulation utilisant l’ensemble des données DuO

— SAF-Pmaj : simulation utilisant les précipitations de DuO et les autres va-riables issues de SAFRAN

Aucun calage n’a été effectué. Tous les paramètres sont prescrits a priori à partir des bases de données présentées dans la section 4.2 et le jeu de paramètres utilisé ici est noté θ0 (cf. tableau 3.2). Une période d’initialisation de trois ans précèdent les trois simulations qui sont analysées de 1980 à 2009. Les simulations dépendent ainsi uniquement du type de forçage atmosphérique utilisé.

Les résultats de simulations sont confrontées aux observations de débits (cf. section 4.3) ramenées à des lames d’eau écoulées et moyennées sur 10 jours (temps supé-rieur au temps de transfert du bassin) afin d’évaluer la capacité du modèle à repro-duire les observations. Deux critères statistiques sont utilisés pour quantifier les per-formances du modèle : le critère de Nash-Sutcliffe et le biais relatif (cf. équations 4.1 et 4.2).

l’équivalent en eau du manteau neigeux et l’évapotranspiration. Nous avons choisi de présenter les résultats sur un bassin montagneux car nous avons vu précédem-ment que l’intérêt d’utiliser SPAZM concernait principaleprécédem-ment les précipitations dans les zones en altitude.

Répartition pluie/neige Par construction, les précipitations totales en entrée de la simulation DuO sont égales à celles de la simulation SAF-Pmaj comme le montre la figure 4.16a. Cependant, la répartition pluie/neige est différente car la tempéra-ture utilisée n’est pas la même. La quantité de neige moyenne annuelle en entrée de la simulation DuO est de 545 mm/an contre 552 mm/an en entrée de SAF-Pmaj, i.e. 1% de moins que SAF-Pmaj (tableau 4.8). La simulation SAF, quant à elle reçoit beaucoup moins de neige que les deux autres avec 457 mm/an (tableau 4.8). Ces dif-férences de précipitations ont des conséquences importantes sur les simulations de débits et de stock de neige en particulier entre la simulation SAF et les deux autres (figure 4.16b et c respectivement).

Evapotranspiration D’après la figure 4.16d, le taux d’évapotranspiration simulé est plus élevé selon DuO que selon SAF car les précipitations plus importantes de DuO permettent de réduire le stress hydrique. Les taux d’évapotranspiration simulés par DuO et SAF-Pmaj sont proches. Notons, cependant, que pendant les mois de mai et juin, l’évapotranspiration de SAF-Pmaj est plus faible que celle de DuO, ce qui coïn-cide avec des écoulements simulés par SAF-Pmaj plus importants que ceux de DuO. L’énergie disponible semble être alors utilisée pour la fonte plutôt que pour l’éva-potranspiration. De manière générale, les différences entre les simulations d’évapo-transpiration ne sont pas très importantes (figure 4.16d). A partir du bilan d’eau, on peut donc dire que les différences observées sur les écoulements simulés entre SAF et les deux autres simulations proviennent essentiellement des différences de préci-pitation.

Stock de neige et écoulement Etant donné que la simulation SAF reçoit moins de pluie et moins de neige, les écoulements et les stocks de neige simulés sont beaucoup plus faibles que ceux issus des deux autres simulations. Cependant, bien que les dif-férences de précipitations solides entre DuO et SAF-Pmaj soient faibles, on constate un stock de neige simulé par SAF-Pmaj légèrement plus abondant que celui simulé par DuO, en moyenne 5 % de plus sur le maximum annuel d’équivalent en eau du manteau neigeux (figure 4.16c et tableau 4.8). Ceci est dû à :

1. la plus grande quantité de précipitations neigeuses dans cette simulation, 2. la plus faible température de SAF-Pmaj comparée à celle de DuO retardant

Ces différences de stock de neige ont un impact direct sur la lame d’eau écoulée. En effet, les pics de crue simulés dus à la fonte de la neige diffèrent entre la simulation DuO et la simulation SAF-Pmaj. Celui de SAF-Pmaj est plus fort et légèrement retardé par rapport à celui simulé par DuO (figure 4.16b). Ce retard de l’onde de fonte a un impact direct sur l’évapotranspiration comme mentionnée ci-dessus car le début de la fonte détermine le début de la croissance des plantes et donc de l’évapotrans-piration (Keller et al., 2005). Par conséquent, la quantité d’eau écoulée à l’échelle annuelle, selon SAF-Pmaj est légèrement plus importante que selon DuO, i.e. 1 % (tableau 4.8). Autrement dit, la quantité d’eau écoulée est plus importante lorsqu’il y a plus de neige stockée sur le bassin.

0 1 2 3 4 5 6 [mm/ j] J F M A M J J A S O N D 0 1 2 3 4 5 6 [mm/ j] J F M A M J J A S O N D OBS SAF DuO SAF−Pmaj 0 50 100 150 200 [mm] J F M A M J J A S O N D 0 1 2 3 4 5 6 [mm/ j] J F M A M J J A S O N D

a) Précipitations b) Lame d'eau écoulée

c) Equivalent en eau du manteau neigeux d) Evapotranspiration

FIGURE 4.16 – Comparaison des cycles saisonniers selon les forçages atmosphé-riques utilisés pour quatre variables : les précipitations totales, la lame d’eau écoulée, le stock de neige et l’évapotranspiration. Ces cycles saisonniers sont calculés sur le bassin versant à l’amont de Serre-Ponçon (BVE 1 à 8) et moyennés sur la période 1980-2009.

SAF-Pmaj 1299 552 3.35 731 567 305

Tableau 4.8 – Comparaison entre les simulations SAF, DuO et SAF-Pmaj des moyennes annuelles de précipitation totale, P, précipitations solides, Ps, tempéra-tures de l’air, T_a, lames d’eau écoulées, R, évapotranspiration E et maximum annuel de stock de neige sur le bassin de la Durance à Serre-Ponçon. Ces moyennes sont calculées entre 1980 et 2009.

Comparaison à des observations de débits Les simulations reproduisent mal la dynamique saisonnière des débits et en particulier le pic de crue printanier due à la fonte de la neige et l’amélioration dans CLSM de la représentation des processus nivaux fait l’objet du prochain chapitre. Pour l’instant, nous avons considéré les si-mulations brutes de CLSM, sans aucun calage, les scores de Nash-Sutcliffe (équation 4.1) habituellement utilisés pour évaluer les performances d’un modèle sont négatifs pour les trois simulations et ont donc peu d’intérêt pour apprécier les simulations. L’utilisation du biais est plus pertinente pour évaluer la qualité des forçages. Sur le bassin versant dont l’exutoire est Serre-Ponçon, SAF produit 27 % de moins d’écoule-ment que ce qui est observé. DuO simule au contraire plus d’eau écoulée par rapport aux observations (+7.9%) et SAF-Pmaj aussi (+ 9.1 %).

Le biais a aussi été calculé pour 16 stations représentées sur les cartes 4.17. La sta-tion la plus en aval, au pont de Mallemort, ne possède pas une chronique observée assez longue pour pouvoir évaluer correctement les simulations (cf. tableau 4.3). Les lames d’eau écoulées sont sous-estimées avec la simulation SAF sur l’ensemble du bassin de la Durance et en particulier à l’amont du bassin où la composante nivale est importante. Les cartes 4.17b et c, pour DuO et SAF-Pmaj respectivement se res-semblent. Elles présentent de bien meilleurs résultats sur l’amont du bassin mais ont tendance à surestimer les écoulements à l’aval du bassin. Finalement, c’est la simu-lation DuO qui affiche les meilleurs résultats : 10 stations sur 16 présentent des biais inférieurs à 10%.

Les biais des simulations DuO et SAF-Pmaj sont importants pour la station de l’Asse à la Clue de Chabrière, à l’exutoire du BVE 16 (cf. carte 4.1), avec 25% et 26.9% de biais respectivement. Toutefois compte-tenu des résultats sur les autres stations, il semble légitime de remettre en question les observations de débits à cette station.

4.4.6 Conclusion

Cette section présente une hybridation de deux réanalyses atmosphériques complé-mentaires sur le bassin de la Durance. Le produit de cette hybridation, appelé DuO, fournit l’ensemble des variables atmosphériques nécessaires aux modèles de surface au pas de temps horaire et à la résolution de 1 km2.

FIGURE4.17 – Cartes présentant les biais des lames d’eau écoulées simulées par rap-port à celles observées à l’amont de différentes stations du bassin. Les trois cartes présentent les biais calculés pour les simulation a) SAF, b) DuO et c) SAF-Pmaj.

Nous avons d’abord montré que l’utilisation de DuO grâce à la réanalyse SPAZM per-met de prendre en compte des précipitations en altitude qui n’avaient pas été mesu-rées dans SAFRAN. Les différences de température entre DuO et SAFRAN semblent directement liées aux différences de précipitations via l’utilisation d’un gradient al-timétrique différent selon les saisons. L’utilisation de gradients alal-timétriques diffé-rents selon les saisons a été vivement recommandée dans la littérature notamment

parMinder et al.(2010). Enfin les différences de tendance constatées sur les

tempéra-tures sont expliquées par l’utilisation de la moyenne arithmétique des températempéra-tures minimales et maximales journalières pour approximer la température moyenne jour-nalière de SPAZM. Les modèles conceptuels du projet R²D²-2050 utilisent les don-nées SPAZM au pas de temps journalier, nous nous sommes aussi assurés que l’uti-lisation de valeurs mensuelles et non journalières pour corriger le signal horaire de SAFRAN ne déformait pas la distribution infra-mensuelle de SPAZM.

Un test de sensibilité des simulations aux forçages atmosphériques a enfin été ef-fectué à l’aide du modèle CLSM et a montré l’impact fort des précipitations sur les simulations de lame d’eau écoulée. Les différences de simulations induites par des différences de température arrivent au second plan et restent limitées. Les biais cal-culés entre les écoulements simulés et observés sont en moyenne plus faibles sur l’ensemble du bassin pour le nouveau produit atmosphérique DuO.

Le produit DuO permet ainsi de bénéficier d’une description plus fine des variables atmosphériques et plus réaliste des volumes d’eau apportés au bassin. Nous sommes conscients de ne pas avoir éliminer toutes les incertitudes associées aux forçages mais nous nous sommes efforcés de les réduire au maximum afin de limiter la réper-cussion de ces incertitudes dans les réponses des modèles hydrologiques.

rance. Un important travail de la thèse deLafaysse(2011b) a consisté à analyser et évaluer ces projections climatiques, nous nous bornerons ici à décrire leurs princi-pales caractéristiques et à décrire la manière dont elles ont été construites sur l’en-semble du bassin de la Durance. Pour plus de détails sur les projections climatiques, le lecteur pourra se référer à la thèse mentionnée ci-dessus.