Modélisation des processus hydrologiques dans le schéma de surface ISBA : Inclusion d'un réservoir hydrologique, du gel et modélisation de la neige.
Boone, Aaron
La thèse concerne l'amélioration des processus hydrologiques du schéma de surface ISBA (Interactions entre le Sol, la Biosphère et l'Atmosphère) utilisés dans les divers modèles atmosphériques de Météo-France mais aussi en modélisation hydrologique. La première modification concerne l'inclusion d'un troisième réservoir d'eau pour le sol profond qui permet d'isoler le réservoir racinaire du réservoir total (Boone et al. 1999). Cette version permet de définir beaucoup plus clairement le stock d'eau disponible pour la transpiration des plantes, réserve pouvant être alimentée par les remontées capillaires en provenance du troisième réservoir profond. Les échanges d'eau entre les deux réservoirs sont modélisés à partir de la généralisation de la méthode 'force restore', méthode utilisée dans la version initiale du schéma. Les coefficients de diffusion entre les deux réservoirs racinaire et profond ont été étalonnés à l'aide d'un modèle multi-couches de référence avec résolution explicite des transferts de masse dans le sol. Cette nouvelle version a été testée avec succès sur les données collectées sur des cultures de soja et de maïs. La seconde modification concerne l'introduction du traitement du gel du sol dans ISBA (Boone et al., 2000). L'équivalent en eau volumique de la glace est modélisé à partir de deux réservoirs: un faible réservoir de surface influençant directement le bilan énergétique et un réservoir profond. Les analogies entre gel/assèchement du sol et dégel/humidification du sol sont utilisées pour modifier les coefficients hydrauliques et thermiques du schéma. L'impact de cette nouvelle paramétrisation à l'échelle locale est testé à l'aide d'un jeu de données concernant un épisode de fort refroidissement continental en Illinois. L'étude montre l'importance des changements de phase de l'eau du sol sur le bilan énergétique de surface. Le modèle simplifié reproduit les observations de flux et de température de surface de façon tout à fait acceptable par rapport aux simulations réalisées avec le modèle de diffusion explicite à résolution verticale élevée. Par ailleurs, l'amélioration des simulations par rapport à la version initiale d'ISBA sans représentation de la glace est remarquable en période nocturne. La troisième amélioration concerne le développement d'un nouveau schéma de neige à trois variables (densité, équivalent en eau et contenu thermique) et trois couches d'épaisseur variable, représentant un compromis entre la version simplifiée actuelle à une couche (Douville et al. 1995a) et le modèle CROCUS très détaillé (Boone et Etchevers 2000). Les trois schémas sont d'abord comparés sur 5 cycles annuels et deux sites de montagne, puis dans le modèle hydrologique distribué ISBA-MODCOU appliqué au bassin du Rhône sur 14 ans. Ce nouveau schéma de neige s'est avéré supérieur au modèle à une couche pour deux des trois bassins montagneux examinés en détail et comparable aux résultats de CROCUS pour le bassin d'altitude le plus enneigé. Le mécanisme de fonte et regel nocturne est apparu très important pour la simulation du manteau neigeux en altitude. D'autres processus sont examinés en détail tels que la modélisation de l'albedo de la neige ainsi que la représentation des échanges turbulents en présence de forte stabilité thermique.
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