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Les modèles hydrométéorologiques sont construits afin d'étudier les paramètres hydrologiques de surface (bilan d'eau, bilan d'énergie, flux). Ils peuvent être appelés modèle d'impact car ils sont utilisés pour étudier l'impact du changement climatique sur les ressources en eau.
A Météo-France, le modèle hydrométéorologique utilisé est une chaîne opérationnelle appellée (SIM) composée de trois modules: Safran, Isba, Modcou. Ce modèle a été utilisé dans le projet CLIMSEC qui visait a étudier l'impact du changement climatique sur la sécheresse du sol en France. La chaîne SIM est présentée dans cette section.
The Safran-ISBA-Modcou 1958-2008 Reanalysis
La chaîne Safran-Isba-Modcou (SIM) a été développée dans le cadre d’une coopération entre le CNRM-GAME et le Centre de géosciences de Mines ParisTech. Elle simule sur la France les flux d’eau et d’énergie à la surface, ainsi que l’évolution du débit des rivières et des principales nappes. Ce modèle a été porté en 2003 dans l’environnement opérationnel de Météo-France et continue à être utilisé dans de nombreuses actions de recherche. La chaîne hydrométéorologique Safran-Isba-Modcou (SIM) a été validée sur l'ensemble de la France par Habets et al. (2008) par comparaison à des observations quotidiennes de débit, hauteurs de nappes et hauteurs de neige sur la période 1995-2005.
La chaîne est composée de 3 modèles (voir figure ci-dessous) :
SAFRAN/France est un système d’analyse à mésoéchelle de variables atmosphériques près de la surface. Il utilise des observations de surface, combinées à des données d’analyse de modèles météorologiques pour produire les paramètres horaires nécessaires au fonctionnement d’ISBA au pas de temps horaire. Ces paramètres (température, humidité, vent, précipitations solides et liquides, rayonnement solaire et infrarouge incident), sont analysés par pas de 300m d’altitude. Ils sont ensuite interpolés sur une grille de calcul régulière (8 x 8 km).
ISBA (Interaction sol-biosphère-atmosphère) simule les échanges d’eau et d’énergie entre le sol et l’atmosphère. La version utilisée dans la chaîne SIM utilise 3 couches de sol (surface, zone racinaire, zone profonde), et deux températures (température de surface globale du continuum sol-végétation et température profonde). ISBA simule l’ensemble des flux d’eau avec l’atmosphère (interception, évaporation, transpiration) et avec le sol (ruissellement des précipitations et drainage dans le sol). Son pas de temps est de 5 minutes.
MODCOU, est un modèle hydrologique distribué. Il utilise en entrée le ruissellement et drainage d’ISBA pour calculer l’évolution des nappes (actuellement seules les nappes de la Seine et du Rhône sont représentées) et le débit des rivières (900 points simulés actuellement). Sa maille de calcul varie de 64 à 1 km en fonction de la limite des bassins versants et du réseau hydrographique. Son pas de temps est de trois heures.
Diagram of the Safran-Isba-Modcou chain
L’analyse atmosphérique SAFRAN
Safran (Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige) est un système d'analyse permettant de reconstruire des profils verticaux de l'atmosphère sur des zones climatiquement homogènes, à partir d'observations au sol et de produits de modèles de circulation générale à grande échelle. Ces profils sont ensuite projetés spatialement et verticalement sur une grille régulière de 8 km sur la France. La Figure ci-dessous présente le schéma de fonctionnement de Safran pour l’analyse horaire des différents paramètres atmosphériques. Le système Safran, développé à l'origine pour la prévision d'avalanches sur les Alpes (Durand et al., 2009), a été ultérieurement étendu à l'ensemble du territoire français et a fait l'objet d'une validation approfondie (Le Moigne, 2002; Quintana Seguí et al., 2008). Dans le cadre du projet ClimSec, Safran a été exécuté sur la période courant du 1 août 1958 au 31 juillet 2008 à partir de l'ensemble des observations au sol disponibles dans la base de données climatologique de Météo-France et des produits de réanalyse grande échelle du Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme (Uppala et al., 2005; ECMWF, 2008).
Diagramme de fonctionnement de SAFRAN adapté de Quintana Seguí (2008). Les variables météorologiques sont les précipitations quotidiennes (P), les lames d’eau (R), la précipitation neigeuse (S), la température de l’air (T), la vitesse du vent (W), l’humidité relative (RH), l’humidité spécifique (SH), le rayonnement solaire incident (SR), le rayonnement infra rouge incident (IR) et la nébulosité (N).
ISBA (Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère)
ISBA est un modèle permettant de représenter les surfaces continentales dans les modèles atmosphériques et hydrologiques. ISBA est développé par le CNRM en collaboration avec plusieurs laboratoires de recherche.
ISBA est une composante de la plateforme de modélisation SURFEX, qui représente aussi les surfaces urbaines, les lacs et les océans.
ISBA comporte plusieurs modules permettant de simuler les transferts d’eau et de chaleur dans le sol, la végétation, la neige, et l’hydrologie superficielle (drainage et ruissellement).
Schéma simplifié du fonctionnement du modèle de surface Isba, d'après Quintana Seguí (2008). Les flèches montrent les principaux flux d'eau.
MODCOU
Le modèle hydrogéologique MODCOU est un modèle développé par le Centre de géosciences de Mines ParisTech. Le CNRM-GAME collabore avec le Centre de géosciences pour développer une version du modèle sur l’ensemble de la France. Cette version est utilisée dans le cadre de la chaîne Safran-Isba-Modcou.
Le modèle hydrogéologique MODCOU couple les écoulements de surface et les écoulements souterrains afin de simuler les débits des rivières et les niveaux piézométriques des aquifères représentés. L’eau est transporté vers les rivières ou alimente les aquifères. MODCOU simule l’évolution des aquifères et des nappes, ainsi que leurs interactions.
Schéma de principe de MODCOU : l’eau est transférée vers la rivière, puis dans la rivière avec un pas de temps de 3h. L’eau peut également s’infiltrer vers la nappe qui interagit avec la rivière.
Références
- Soubeyroux J.-M., Martin E., Franchistéguy L., Habets F., Noilhan J., Baillon M., Regimbeau F., Vidal J.-Ph., Le Moigne P., Morel S. (2008) L’application Safran - Isba - Modcou (SIM), un outil pour la production opérationnelle et les études hydrométéorologiques, La Météorologie, 8, 63, Novembre 2008, 40-45
- Habets F., A. Boone, J.L Champeaux, P. Etchevers, L. Franchistéguy, E.Leblois, E. Ledoux, P. Le Moigne, E. Martin, S. Morel, J. Noilhan, P.Quintana Segui F. Rousset-Regimbeau, P. Viennot (2008)) : The SAFRAN-ISBA-MODCOU hydrometeorological model applied over France, Journal of Geophysical Research D : Atmospheres 113, D06113 (2008) 18
