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AccueilNumérosTome XIII n°1De la météorologie au climatDu « modèle de circulation généra...

De la météorologie au climat

Du « modèle de circulation générale du LMD » aux ressources en eau

From the “LMD General Circulation Model” to water resources
Katia Laval et Jan Polcher

Résumés

Ce chapitre décrit l’évolution de nos recherches en modélisation du climat. Elles ont été centrées sur le cycle de l’eau et sa composante sur les Terres émergées. Des efforts continus sur la modélisation de ce cycle ont eu pour objectif de simuler de façon de plus en plus performante les échanges entre les surfaces et l’atmosphère. Cela a permis d’étudier les influences de la végétation sur les échanges d’eau (évapotranspiration et précipitations) et le climat global. Au niveau régional, nous avons déterminé ces effets en forêts tropicales ou sur la mousson Indienne. Nous avons quantifié les transferts d’eau des terres émergées vers les océans ; nous avons calculé l’effet d’El Nino sur le niveau de la mer, et étudié les évolutions des sécheresses au Sahel. Enfin la représentation des inondations de plaines ou l’introduction de barrages permet, grâce au schéma de transfert d’eau profonde dans les sols, d’étudier l’évolution des ressources en eau de la planète.

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Notes de l’auteur

Avec la collaboration de Laurence Picon, Hervé Le Treut, Catherine Ottlé, Agnès Ducharne, Patricia de Rosnay, Thanh Ngo Duc, Anny Cazenave, Yves Fouquart, Alain Perrier.

Texte intégral

1Ces recherches ont débuté très tôt. Katia Laval faisait ses débuts d’enseignement (1968) avec Pierre Morel, Professeur à la Faculté des Sciences. Pierre Morel l’a recrutée au LMD en 1975 pour rejoindre le groupe de modélisation du climat, après sa thèse, dont le sujet portait sur les instabilités de la magnétosphère.

Le premier modèle de circulation générale : « modèle du LMD »

2Un modèle de circulation générale (MCG) a été développé, connu sous le titre de « Modèle du LMD » et a fait l'objet des premières publications confidentielles en 1978 (Laval et Sadourny, 1978). Il a été conçu essentiellement à l'aide de trois personnes, Robert Sadourny (RS), qui a développé le cœur dynamique, Katia Laval (KL), qui a introduit les processus physiques et Le Van Phu, en charge de l'informatique du modèle.

  • 1 Université de Los Angeles, en Californie
  • 2 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton
  • 3 Suki Manabe avait conseillé à KL d'analyser le cycle d'énergie de l'atmosphère (échanges entre les (...)

3Ces travaux ont bénéficié du séjour à UCLA1 de Robert Sadourny, qui s'était familiarisé avec leur modèle climatique lors de sa thèse sous la direction d'Akio Arakawa, et de trois courts séjours au GFDL2 de Katia Laval (KL), qui a mis à profit les conseils de Suki Manabe3 pour améliorer la première version du modèle car le climat représenté était peu réaliste. Richard Whetherald lui a fourni le programme de l'ajustement convectif, pour compléter la représentation de la convection qu’elle avait introduite.

4Le schéma de rayonnement solaire de ce modèle de climat a été développé au Laboratoire d'optique atmosphérique, à Lille, par Yves Fouquart (YF). Il a été adapté au MCG par Phu Le Van et Katia Laval, qui a ajusté les propriétés des nuages climatologiques (données disponibles de l'époque !) pour obtenir un bilan radiatif en accord avec les toutes premières mesures satellitaires de l'expérience ERBE.

Compréhension des interactions physiques et du cycle de l'eau à l'aide du « Modèle du LMD »

  • 4 Cette notion du cycle d'énergie potentielle utilisable et d’énergie cinétique de l'atmosphère est m (...)

5En utilisant cette première version du modèle, KL a dirigé les travaux de thésards sur des sujets qui annonçaient son intérêt sur le cycle de l'eau. Hervé Le Treut (HLT) a démontré l'importance de l'interaction des nuages avec le rayonnement sur le cycle énergétique défini par Edward Lorenz4 ; Catherine Ottlé (CO) a introduit la notion de résistance à la transpiration des couverts végétaux sur les terres émergées, grâce à une collaboration avec Alain Perrier (AP), Professeur à l'INRA ; Vicky Sérafini a étudié le rôle de l'évapotranspiration sur les terres émergées dans l'équilibre climatique ; Laurence Picon (LP) a analysé les causes des sécheresses au Sahel, très sévères, survenues à la fin des années 1970. Ces travaux ont donné lieu à des publications entre 1981 et 1986 (Laval et al., 1981 ; Laval et al., 1984 ; Laval et Picon, 1986). HLT et LP ont été intégrés au LMD en tant que chercheur au CNRS et enseignante-chercheuse à l'université Paris 6, et CO a obtenu un poste de chercheuse au CRPE : ce laboratoire, devenu le LATMOS, fait partie de l'IPSL actuellement.

6Ces études ont mis en évidence le rôle crucial d'une représentation réaliste des échanges d'eau entre les surfaces continentales et l'atmosphère, en particulier sur les pluies continentales. Les résultats de ces thèses ont été présentés lors d'un colloque organisé par d'André Berger et publiés par Elsevier (1984). Ces publications ont été l'occasion d'un papier invité par KL, lors d'une conférence internationale en Californie (1985), sur le rôle de l'albédo des surfaces terrestres sur les sécheresses, ou encore d'un papier invité sur le rôle de la végétation dans les modèles de climat dans une conférence internationale à Erice, Sicile en 1986. Ces thèmes, essentiels dans la compréhension du climat, font encore aujourd'hui l'objet de recherches.

Introduction de la végétation dans le « modèle du LMD »

7Les études précédentes ayant démontré que les précipitations et le climat régional sur les continents dépendaient fortement des transferts d'eau et de chaleur provenant du couvert végétal vers l’atmosphère, il s’est avéré nécessaire de simuler ces interactions dans le modèle.

  • 5 Chercheur à Maryland University

8Nathalie Ducoudré (aujourd'hui Nathalie de Noblet) a eu pour sujet de thèse d'introduire une représentation des échanges entre la végétation et l'atmosphère dans le « modèle du LMD ». Ce projet, de longue haleine, a pu être mené grâce à la collaboration continue de KL avec AP. Ce modèle de végétation, complexe, nommé SECHIBA (voir encadré) a été intégré au « modèle du LMD » et publié en 1993 (Ducoudré et al., 1993). Il a eu un certain succès, au niveau international. Aux États Unis, un modèle de végétation (le modèle SiB, pour « Simple Biosphere ») comportant une cinquantaine de paramètres avait été publié par P. J. Sellers5 dès 1986. Au LMD, comme d'ailleurs à Météo-France, nous avons développé des modèles bien plus simples, comportant moins d'une dizaine de paramètres, mais tout aussi performants comme l'ont montré diverses études de comparaison entre ces modèles (voir plus loin). Les groupes de modélisation américains qui ont testé le modèle américain l'ont simplifié au fur et à mesure des études, au point que quelques années plus tard il devenait SSiB, puis SSSiB, pour SiB simplifié deux fois (SS), en réduisant fortement le nombre de paramètres.

9L'existence d'une représentation de la végétation nous a permis de travailler avec notre modèle de Climat sur tous les aspects de l'interaction des surfaces continentales avec l'atmosphère, car tous les paramètres (albédo, friction, résistance à la transpiration) de la couverture végétale jouent un rôle essentiel sur le climat continental et le cycle de l’eau global.

10Ce fut d'abord l’étude de l’influence sur le climat des déforestations en Amazonie et en Afrique tropicale. Ces travaux ont été accomplis lors de la thèse de Jan Polcher (JP), obtenue en 1994 (Polcher et Laval, 1994). Cela a été aussi le début du tandem composé par KL et JP qui a permis l'existence d'un groupe axé sur l'hydrologie.

  • 6 Michèle Forichon, avait apporté son aide en informatique à ce projet.

11À cette époque, un grand nombre de jeunes sont entrés au laboratoire pour effectuer une thèse. Ce fut l’occasion d’un travail de groupe efficace et sympathique pour améliorer la physique et ajuster le modèle. Le climat simulé par « le modèle du LMD » a été alors plus réaliste, (pour l'époque !), comme le montrait la comparaison avec les données auxquelles nous avions accès. Cela a été l'occasion pour nous de participer à de nombreux projets internationaux. Nous avons contribué à la comparaison internationale des modèles de surfaces continentales (expérience PILPS, que nous décrivons plus loin dans ce texte), qui a abouti à une publication en 1996, ou encore, étudié l'effet de l'évapotranspiration de la végétation sur la circulation atmosphérique. Le laboratoire avait des relations étroites avec l'IIT (Indian Institute of Technology) de New Delhi, grâce à Robert Sadourny en particulier. Nous nous sommes associés au projet international (MONEG) dont l’objectif était l'étude de l'influence d'El Nino sur la mousson indienne. Il s'agissait de comparer la représentation par les différents modèles MCG du contraste entre la mousson de 1987 (El Nino) et celle de 1988 (la Nina). Lors de cette intercomparaison des modèles, les résultats du « modèle du LMD » (publiés en 1995) ont été l'occasion de montrer que le rôle d'une évapotranspiration réaliste de la végétation permettait de mieux rendre compte de l'influence d'El Nino sur la mousson indienne6 (Laval et al., 1996).

12C’est une période où nous avons obtenu des financements du « programme de climat » européen, pour conduire des études avec « le modèle du LMD », en participant à de nombreux projets européens. Aujourd'hui, ces financements sont fréquents, mais le LMD était à l'époque un des rares laboratoires français à bénéficier de ce soutien de la Commission européenne. 

13À la fin de la décennie 1990, une réunion s'est tenue en l'absence de Katia Laval, où une décision a été prise. Une partie des chercheurs et chercheuses du LMD a choisi de développer une nouvelle branche du Modèle qui se différentiait en partie du « modèle du LMD », et qui a été appelé LMDZ. Malheureusement, les informaticiens n'ont pu accompagner les évolutions de deux modèles. Mais KL a continué à conduire ses recherches avec le « modèle du LMD », dont elle connaissait les qualités et les faiblesses.

  • 7 Environmental Systems Science Centre, University of Reading.

14Ainsi, Maeva Sabre, en post doc, a étudié, en collaboration avec Kevin Hodges du ESSC7 à Reading, la représentation des dépressions en Inde lors de la mousson d'été et leur variabilité liée à l'élévation de l'Himalaya. Cette étude a été publiée en 2000.

15Sylvie Vérant, polytechnicienne, a étudié, pendant sa thèse, l'influence du changement climatique sur l'évolution des perturbations cycloniques. Ce travail a été mené en collaboration avec Michel Déqué, chercheur à Météo-France, grâce à des simulations effectuées avec leur modèle de climat.

SECHIBA

À la fin des années 1980, l’importance des processus continentaux pour expliquer certains phénomènes climatologiques a commencé à s'imposer. C’est le résultat des travaux pionniers de Jules Charney sur les sécheresses au Sahel et de l’importance de l’amplification du réchauffement climatique par la disparition du manteau neigeux qui en ont été les motivations principales. Il était donc naturel, pour le groupe au LMD, de s’attaquer à une représentation plus réaliste des processus de surface dans le modèle du laboratoire. L'expertise accumulée lors de travaux de thèses précédents sur le couplage surface atmosphère, et la collaboration continue de KL avec Alain Perrier, expert en bio climatologie, ont permis de représenter le fonctionnement de la végétation dans notre Modèle de façon originale. Ces travaux ont été accomplis lors de la thèse de Nathalie de Noblet. Le modèle de végétation, nommé SECHIBA, introduit dans notre Modèle de Climat, était le premier modèle qui représentait de façon statistique la diversité des biomes et des types de surfaces dans une maille du modèle atmosphérique. Au lieu d’essayer d’estimer des paramètres moyens pour cette mosaïque de végétation et de sols sur les continents, nous avons modélisé les flux pour chaque classe de biomes ; ces flux étaient ensuite regroupés pour déterminer le flux moyen de la surface vers l'atmosphère.

La tradition au laboratoire de chercher des solutions numériques originales a permis de développer un couplage de SECHIBA avec l’atmosphère très robuste. En résolvant les équations de la surface en même temps que celles de la couche limite, des solutions numériquement stables et économiques en temps de calcul étaient obtenues. Beaucoup d’autres équipes ont repris ces méthodes numériques depuis lors.

Ces développements, robustes, faits au LMD pour SECHIBA ont été essentiels quand au cours des années 1990 il a fallu coupler les cycles d’énergie et d’eau avec celui du carbone sur les surfaces continentales. Nicolas Viovy avait en parallèle développé le modèle STOMATE qui représentait le fonctionnement de la végétation et en particulier l’assimilation du carbone par les plantes lors de la photosynthèse. Il était donc tout à fait naturel, lors de la construction de l’IPSL, de coupler ces deux modèles et de faire d’ORCHIDEE un des modèles pionner. Le modèle ORCHIDEE peut représenter ainsi tous les couplages entre les cycles d’énergie, de l’eau et du carbone, couplages qui constituent les clefs pour comprendre l’évolution du climat provoquée par les émissions anthropiques de CO2 en augmentation continue.

Le développement d'un modèle de surface en tant que tel

  • 8 On peut citer l'étude publiée par Philippe Peylin, chercheur au LSCE, lors de son séjour au NCAR, e (...)

16Au début des années 1990 nous avons organisé une intercomparaison des paramétrisations de surfaces existantes en Europe (LMD, UK Met-Office et MPI-Hambourg) ; le but était de déterminer si on produisait les mêmes flux et contenus des réservoirs d’eau du sol pour un forçage donné. Cette idée d’intercomparaison a été reprise plus tard par la communauté internationale lors du projet appelé PILPS, auquel un grand nombre de schémas de surface ont participé8. Ce projet nous a conduit à extraire toutes les paramétrisations liées à la surface du « modèle du LMD » et à développer une interface générique qui permet aussi d’utiliser le code, indépendamment du MCG, et noté "mode off-line". Cet interfaçage a beaucoup été discuté avec les autres centres de modélisation du climat afin de pouvoir rendre compatibles tous les schémas numériques et les choix de variables d’échange (Philippe Peylin au NCAR et Jan-Peter Schultz au MPI-Hambourg). Ce travail a permis de définir une interface standard entre les surfaces continentales et l’atmosphère. Ces développements sont aujourd'hui implémentés dans tous les modèles de climat. Mais l’impact plus fondamental est que ce choix a défini ce qu’on appelle aujourd’hui les « modèles de surface ».

17Nathalie Ducoudré a eu un poste au CEA en tant que chercheuse du LSCE. Ce modèle SECHIBA a alors évolué. Il a été couplé à un modèle incluant tous les échanges de carbone entre la végétation (biomasse morte et vivante) et l'atmosphère. Ce modèle plus complexe a été rebaptisé ORCHIDEE. Cette action fut principalement menée par une équipe du LSCE (Nathalie Ducoudré, Nicolas Viovy, Pierre Friedlingstein, Gerhard Krinner), et a été le début d'une collaboration entre chercheurs et chercheuses du LMD et du LSCE. ORCHIDEE est aujourd'hui le modèle de référence de l'IPSL, et a donné lieu à un grand nombre de développements dans les deux laboratoires.

18Ces modèles de surface ont abouti à la décomposition des modèles du système Terre en trois composantes, que l’on pouvait intégrer de manière indépendante : l'atmosphère, les océans et les surfaces continentales. Cela a permis le développement de modèles de surface découplés de l'atmosphère et donc de faire évoluer leur complexité de façon plus efficace et rapide. Sans cet interfaçage générique des surfaces continentales avec l’atmosphère, les nombreux développements d’ORCHIDEE n’auraient pas été possibles. Nous avons pu, ainsi, comparer facilement les modèles de surface avec les modèles hydrologiques, ou bien de végétation, créés par les spécialistes de ces domaines, indépendamment des modèles de climat. Ces exercices ont eu l’intérêt de connaître plus précisément les qualités et les limitations des modèles que nous utilisions.

19Vers la fin des années 1990, nous avons aussi obtenu un financement pour évaluer la contribution des modèles de surface aux incertitudes sur les prévisions de changement climatique et en particulier sur le cycle hydrologique continental. C’était le premier projet Européen dédié au rôle des surfaces continentales dans le système climatique. Ce projet a aussi examiné ce que les modèles de climat régionaux, grâce à leur plus grande résolution spatiale, pouvaient apporter à la représentation des processus continentaux et à l’évaluation de l’impact du changement climatique.

20Ce travail avec les modèles régionaux nous a encouragé à évaluer l’impact de la résolution horizontale sur les paramétrisations de SECHIBA. Au cours de la thèse de Sylvie Vérant, nous avons constaté que la représentation de l’interception de l’eau par le feuillage était particulièrement sensible à l'échelle spatiale des mailles du modèle (Vérant et al., 2004). Par contre, peu d’observations permettaient de contraindre et raffiner la représentation de ce processus. Aujourd’hui ORCHIDEE est utilisé avec une grande diversité de résolutions horizontales (plusieurs degrés à quelques kilomètres) et nous profitons encore de ce travail pour ajuster les paramètres.

Représentation de l'eau dans le sol et de ses transferts sur les terres émergées

  • 9 L'importance de ce ralentissement de l'évaporation quand la plante puise l'eau des couches profonde (...)

21La première représentation de l'eau du sol dans la version initiale du modèle LMD, analysée par Vicky Sérafini (Laval et al., 1978) était celle développée par Suki Manabe : le "bucket model", qui comportait une couche d'eau qui se remplissait par l'eau de pluie et pouvait déborder, et se vidait par évaporation. Ce modèle simple a été amélioré par KL. Elle a introduit un modèle de l'eau dans le sol, à deux couches, qui prescrivait un ralentissement de la transpiration quand l'eau du sol s'était infiltrée dans la couche profonde située entre 0,3 m et 1m. Au cours d'une discussion, Alain Perrier (encore lui, notre spécialiste de l'INRA) nous avait signalé qu’Emmanuel Choisnel (EC) de Météo-France conseillait, pour calculer l'évaporation et la transpiration d'un couvert végétal, de distinguer les horizons superficiels des horizons profonds. Ce modèle à deux couches, développé par KL, a été appelé, de manière amusante « modèle de Choisnel » au laboratoire, pour l'inspiration que E. Choisnel a apporté à ce modèle9.

22Nous avons ensuite travaillé sur l'influence de l'eau dans le sol, et amélioré sa représentation dans le modèle. Ces travaux furent menés lors de la thèse d'Agnès Ducharne (AD), sous la direction de KL et JP. Ces travaux ont montré l'importance du contenu total en eau du sol sur la transpiration, ou encore l'influence de la variabilité spatiale de l'eau du sol qui peut exister sur une maille d'un modèle de la centaine de kilomètres (Ducharne et al., 1998).

23Pour appréhender l'importance de tout ce travail et de son impact sur les ressources en eau, il fallait analyser comment cette eau du sol transitait vers des nappes et les fleuves. AD s'est attelée à la représentation des transferts de l'eau liquide dans le sol. Grâce à une collaboration avec Ghislain de Marsily, et le laboratoire de l'École des mines, elle a développé une version de leur modèle MODCOU adapté à notre GCM. Ce travail de longue haleine a été un premier pas tangible de la compréhension du rôle des pluies et de l'évaporation des zones continentales vers les ressources en eau de la planète. Agnès a été intégrée au CNRS, dans le laboratoire de Ghislain de Marsily, nommé aujourd'hui METIS qui fait partie de l'IPSL. Ses travaux ont été publiés autour des années 2000.

Un modèle performant de la distribution verticale de l'eau dans le sol

24Les intercomparaisons de modèles de surface organisées au début des années 1990 nous ont montré l’importance pour les flux de surface des processus de diffusion de l’eau dans les sols et l’accès des plantes à cette eau. 

  • 10 Professeur à l’University College, Dublin.

25Cela nous a mis en contact avec Jim Dooge10, et a permis le démarrage d'une collaboration avec son équipe, pour développer un modèle d’eau du sol performant. Au cours de sa thèse sous la direction de KL et JP, Patricia de Rosnay (PdR) a introduit, dans le modèle ORCHIDEE, une représentation multi-couches de l'eau du sol. Cela a permis de mieux simuler les profils racinaires qui, bien évidemment, influencent l'exploitation de cette eau et la transpiration de la végétation (de Rosnay et al., 2002).

26Notre évaluation de la discrétisation verticale nécessaire pour obtenir une solution numériquement correcte de l’équation de Richards sur différents types de sol, nous a guidé vers un nombre minimum de onze couches, quand le standard dans la communauté était alors de quatre couches (de Rosnay et al., 2001). Ce travail s'est intégré assez rapidement avec les études de faisabilité pour le projet de satellite européen SMOS. Nous avons donc contribué à la définition de cette mission et en partie à son exploitation (Polcher et al., 2015). Surtout, cela a ouvert la possibilité à PdR d’être recrutée au CNRS au CESBIO à Toulouse dans l’équipe qui a préparé l’exploitation des mesures d’humidité du sol superficiel de SMOS. Par la suite, PdR a obtenu un poste au CEPMMT. Ses travaux ont été publiés autour des années 2000.

27Tous ces travaux permettent de mieux évaluer l'influence du changement climatique sur les températures régionales, en été, (et les vagues de chaleur) comme le montre une étude conduite par Frédérique Chéruy (Cheruy F. et al., 2014).

L'influence de l'eau continentale sur le niveau de la mer

28Au cours d'une école d'été à Oléron, vers les années 2000, KL a entendu une conférence faite par Anny Cazenave sur l'évolution du niveau de la mer. Immédiatement enthousiaste par les développements possibles sur ce thème en utilisant « le modèle du LMD », nous lui avons proposé une collaboration sur le sujet.

  • 11 Thanh Ngo Duc a un poste de professeur à l'Université de Sciences et Technologie de Hanoi (USTH), é (...)

29Un étudiant polytechnicien, démarrait un travail de thèse avec nous, et son sujet s'est focalisé sur les liens entre le cycle de l'eau terrestre et le niveau de la mer. Ce fut le début d'une collaboration particulièrement fructueuse entre les deux laboratoires, le LMD et le LEGOS. Thanh Ngo Duc (TND) analysait des expériences numériques effectuées avec notre « modèle du LMD », et allait passer de courts séjours au LEGOS ; Anny Cazenave et son équipe apportaient la maîtrise des observations les plus performantes sur le niveau de la mer et les instruments d'analyse pour mener à bien ce projet. Cette thèse11 s'est achevée avec la publication de cinq articles, dont quatre avec Anny Cazenave et le LEGOS. Parmi ces articles, celui de Geophysical Research Letters a été le "highlight" du mois de mai 2005, mentionné en couverture du journal (Ngo-Duc et al., 2005).

30Nous avons intégré notre modèle sous le mode « AMIP », c'est à dire comportant un océan sans évolution dynamique, pour lequel les températures de la mer entre 1979 et 1999 étaient prescrites. Un évènement El Nino modifie fortement les pluies continentales et donc possiblement le stockage de l'eau sur les terres émergées. La conservation de la masse d'eau sur la planète nous a permis, à partir des bilans d'eau sur les terres émergées, de déterminer l'influence sur le niveau de la mer de l'année El Nino 1987 ou la Nina 1988, qui étaient représentées dans ces simulations.

  • 12 Il est regrettable que certains chercheurs attribuent la découverte de cet effet d'El Nino sur le n (...)

31Nous avons mis en évidence, pour la première fois, le rôle d'un El Nino sur le niveau de la mer, ceci en relation avec le changement de stockage de l'eau continentale entre des années El Nino et La Nina (Figure 1). Nous avons calculé le niveau de la mer pour ces deux années et avons montré qu'ils diffèrent de manière significative12. Les résultats de la modélisation nous ont permis d'analyser les causes de ce contraste. Nous avons montré que le stockage de l'eau sur les terres était nettement plus important l'année 1998, année la Nina que l'année El Nino (1997). Ce phénomène est dû au fait que les précipitations continentales sont plus importantes en 1998 qu'en 1997. Les augmentations de ruissellement et d'évaporation, qui atténuent cet effet de la pluie sur le stockage de l’eau, ne sont pas assez importantes pour compenser totalement l'effet des précipitations. L'impact d'El Nino sur le niveau de la mer est bien connu à l'heure actuelle, mais notre publication dans JGR, en 2005 elle aussi, a été la première à mettre en évidence ce résultat simultanément sur les observations et les modèles.

Figure 1a : Évolutions annuelles en 1997 et en 1998 du niveau de la mer

a- Évolutions annuelles en 1997 et en 1998 du niveau de la mer, observées par TOPEX, en noir. Signal résiduel (signal TOPEX moins l’effet stérique estimé à partir de données) en rouge. Le contraste entre ces deux années est important.

© Ngo-Duc T., et al, (2005), J. Geophys. Res.

Figure 1b : Contribution de l’eau continentale

b- Contribution de l’eau continentale (neige et eau du sol) aux variations du niveau de la mer calculées par le modèle de circulation générale (courbes bleues) et évaluées à partir des observations par TOPEX. Le contraste entre ces deux années reste important. Hauteurs en mm.

© Ngo-Duc T., et al, (2005), J. Geophys. Res.

Modéliser les ressources en eau

32Les interactions continents/océans dans le cycle hydrologique nous ont encouragé à introduire le transport horizontal de l’eau par les rivières et fleuves dans ORCHIDEE. Nous avons profité de l’expérience acquise lors de la collaboration avec Ghislain de Marsily mais nous avons aussi pris en compte des spécificités numériques des modèles de surface pour développer une solution originale. Vu que le transport de l’eau a été complètement intégré dans la représentation du cycle hydrologique d’ORCHIDEE, cela nous a ouvert plusieurs opportunités pour paramétrer les plaines d'inondation (thèse de Tristan d’Orgeval) ou l’irrigation (PostDoc de PdR) (Polcher et al., 2023). Ces deux processus sont les interactions les plus emblématiques entre l’écoulement horizontal de l’eau sur les continents et l’humidité du sol, ainsi que son impact sur le fonctionnement de la végétation.

Influence de l'irrigation et des plaines d'inondation sur les bilans d'eau

  • 13 Matthieu Guimberteau, après un post-doc au LSCE, a eu un poste à la société Meteo Protect

33La toute première paramétrisation de l’irrigation, qui prend aussi bien en compte la demande des plantes que la disponibilité de l’eau en surface, a été développée par Patricia de Rosnay. Elle l’a appliqué au sous-continent indien pour montrer son impact sur le bilan d’énergie et d’eau à la surface (Figure 2). Ce travail a ensuite été repris par Matthieu Guimberteau13 lors de sa thèse pour montrer l’impact de cette modification anthropique du cycle hydrologique continental sur la mousson et le climat de la région (Guimberteau et al., 2012). Ces travaux pionniers de l’équipe ont ensuite été repris au niveau international par plusieurs autres groupes et aujourd’hui cette problématique est au cœur de divers programmes scientifiques ainsi que de campagnes de terrain dédiées. Entre-temps, en particulier avec la thèse de Xudong Zhou, la représentation des usages de l’eau par l’homme a été raffinée. La quantité d’eau en surface, calculée par ORCHIDEE, tient compte actuellement de la gestion des barrages ou encore de sa redistribution entre plusieurs usages. Cela fait suite à des collaborations initiées par JP au LMD avec les hydro-économistes du CIRED (Zhou et al., 2021).

Figure 2 : Distribution de l’irrigation sur la péninsule indienne

Figure 2 : Distribution de l’irrigation sur la péninsule indienne

Distribution de l’irrigation, moyennée entre 65°Est et 90°E, sur la péninsule indienne, pour Septembre 1987 (année El Nino) et 1988 (année La Niña). La ligne continue se réfère à la demande en irrigation, estimée par Döll et Siebert (2002), et la courbe en tiret représente la simulation de l’irrigation obtenue par le modèle SECHIBA. Les contrastes estimés, annuel et entre latitudes, sont assez bien représentés par le modèle. En 1987, année El Nino, la faible intensité de la mousson indienne, est associée à de faibles réserves en eau du sol ; par conséquent, l’irrigation que les réserves en eau du modèle (vers 30°N) peuvent satisfaire a été réduite, alors que l’estimation de la demande en irrigation augmente, au contraire. En 1988, année humide, les réserves d'eau simulées par le modèle peuvent satisfaire la demande et la correspondance avec l’estimation est bonne.

© de Rosnay P., et al. (2003). Geophysical Research Letters, 1986

34La représentation des transports latéraux dans ORCHIDEE et la conjonction du programme AMMA (analyse multidisciplinaire de la Mousson africaine, Polcher et al., 2011) nous a permis au début des années 2000 d’explorer le rôle des plaines d'inondation. Tristan d’Orgeval au cours de sa thèse s'est intéressé à la plaine d’inondation du Niger qui se trouve au Sahara et qui évapore de l’eau tombée sur les montagnes du Fouta Djalon acheminé par le majestueux fleuve Niger (d'Orgeval et al., 2008). Une source d’eau importante est introduite dans une région avec de grandes quantités d’énergie disponible. Tristan s'est surtout intéressé à bien reproduire dans le modèle le fonctionnement de cette plaine d'inondation et prédire correctement le débit du Niger tout au long de son cours. Ce travail a été repris à la fin des années 2010 par Anthony Schrapffer lors de sa thèse sur le Pantanal en Amérique du Sud (Schrapffer et al., 2023). Les situations hydrologiques et climatiques de ces deux plaines sont très similaires et cette fois nous avons pu examiner l’impact de cette source importante d’énergie latente sur le climat régional. Anthony a montré que la représentation de ces zones de convergence hydrologiques a un effet fondamental sur le climat régional.

Les jeunes années d’un modèle du climat

Contribution de Laurent Li

Aussitôt que la construction du modèle du climat (ou plus précisément un cycle de développement) s’achève au milieu des années 1980, de nombreux chercheurs se sont engagés pour utiliser cet outil dans les différentes applications. La mousson indienne, par exemple, était un sujet de pointe, avec la thèse de Thierry Braine-Bonnaire avec Robert Sadourny. Est-il nécessaire de rappeler que les inondations dévastatrices en Inde et au Bangladesh défrayaient la chronique de l’époque. La désertification est un autre sujet d’études de prédilection au LMD (thèse de Laurence Picon avec Katia Laval), propulsé au premier plan par les terribles années de sécheresse au Sahel en Afrique. La paléoclimatologie (pilotée par Sylvie Joussaume et Robert Sadourny) était aussi à la portée du modèle. Les périodes étudiées couvrent le mi-holocène, le petit âge glaciaire et le dernier maximum de glace.

Un autre thème pour lequel le tout nouveau modèle climatique du LMD peut exceller était évidemment le réchauffement global anthropique en relation avec l’augmentation atmosphérique des gaz à effet de serre. C’était le début de la prise de conscience, dans la communauté scientifique tout comme chez le grand public, pour les défis que le changement climatique pose à l’ensemble de l’humanité. Comme Pierre Morel l’a très bien décrit dans une interview télévisée de l’époque : le climat est robuste comme un gros camion, un coup de pied ne lui ferait pas dévier de sa trajectoire, sauf que le coup de pied est donné sur son accélérateur. L’effet de serre est bien cet accélérateur du camion pour la terre.

Ce thème était surtout confié à Herve Le Treut qui venait de soutenir sa thèse d’état (avec Katia Laval) et qui cherchait à constituer son groupe de recherche. Pour conduire à bien ce thème de recherche, il a fallu configurer le modèle en mode saisonnier, tandis que les premières versions du modèle ne fonctionnaient qu’en mode perpétuel (c’est-à-dire pour une saison particulière, été boréal dans la plupart des cas). A part cette transition très importante du mode perpétuel en mode saisonnier, Herve Le Treut a poussé ses études sur deux aspects cruciaux, le rôle de l’océan global et l’interaction nuage rayonnement. Deux thèses se sont engagées sur ces sujets : celle de Jean-Yves Simmonot (en collaboration avec Michel Crépon du LOP - Laboratoire d’océanographie physique du Muséum National d’Histoire Naturelle, et du LODYC - Laboratoire d’océanographie dynamique et de climatologie, prédécesseurs du LOCEAN - Laboratoire d’océanographie et du climat expérimentations et approches numériques) et celle de Zhaoxin Laurent Li (avec soutien du CNES – Centre national d’études spatiales). Elles ont donné lieu à de nombreuses publications (dès 1988), souvent en collaboration avec des chercheurs étrangers dans le cadre de projets internationaux.

Il faudrait finalement mentionner que ces activités, avec une plus grande ampleur, se sont ensuite intégrées au centre de modélisation de l’IPSL (Institut Pierre Simon Laplace) après la création de ce dernier avec les talents d’organisation de Gérard Mégie.

Conclusion

35La compréhension du cycle de l’eau et de son rôle sur le climat a été l’objectif tout au long de ces recherches : évaluer les flux d’énergie et d’eau entre les surfaces et l’atmosphère, déterminer les stockages d’eau dans les sols sur les terres émergées, analyser leurs influences sur les pluies continentales. Ces études et les outils développés ont été nécessaires pour prévoir l’influence du changement climatique et des changements anthropiques de l’occupation des sols par les couverts végétaux (effet de serre, barrage, déforestations, agriculture) sur l’évolution des sécheresses, des inondations, et des stocks de l’eau dans le sol. Tous ces travaux sont essentiels pour prévoir le devenir des ressources en eau de la Planète, ce qui est une préoccupation majeure de nos sociétés.

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Notes

1 Université de Los Angeles, en Californie

2 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton

3 Suki Manabe avait conseillé à KL d'analyser le cycle d'énergie de l'atmosphère (échanges entre les énergies cinétiques et énergies potentielles utilisables de l'atmosphère). Edward Lorenz avait calculé ces transferts d'énergie pour l'atmosphère réelle. Les résultats de cette comparaison avaient montré qu'un changement de la dissipation dans notre modèle était nécessaire.

4 Cette notion du cycle d'énergie potentielle utilisable et d’énergie cinétique de l'atmosphère est moins familière aujourd'hui à notre communauté.

5 Chercheur à Maryland University

6 Michèle Forichon, avait apporté son aide en informatique à ce projet.

7 Environmental Systems Science Centre, University of Reading.

8 On peut citer l'étude publiée par Philippe Peylin, chercheur au LSCE, lors de son séjour au NCAR, en 1996 ou encore publication lors de la comparaison internationale PILPS à laquelle nous avons participé.

9 L'importance de ce ralentissement de l'évaporation quand la plante puise l'eau des couches profondes a été analysée, par Hui Ding, dirigé par K. Laval, lors de sa thèse en 1989. Cet étudiant Chinois est reparti en Chine après sa thèse. Il a, depuis, assuré des fonctions ministérielles importantes dans le gouvernement chinois.

10 Professeur à l’University College, Dublin.

11 Thanh Ngo Duc a un poste de professeur à l'Université de Sciences et Technologie de Hanoi (USTH), également appelée Université Vietnam-France.

12 Il est regrettable que certains chercheurs attribuent la découverte de cet effet d'El Nino sur le niveau de la mer à Nerem en 2011, c'est à dire 6 ans après notre publication en 2005.

13 Matthieu Guimberteau, après un post-doc au LSCE, a eu un poste à la société Meteo Protect

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Table des illustrations

Légende a- Évolutions annuelles en 1997 et en 1998 du niveau de la mer, observées par TOPEX, en noir. Signal résiduel (signal TOPEX moins l’effet stérique estimé à partir de données) en rouge. Le contraste entre ces deux années est important.
Crédits © Ngo-Duc T., et al, (2005), J. Geophys. Res.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12125/img-2.png
Fichier image/png, 27k
Légende b- Contribution de l’eau continentale (neige et eau du sol) aux variations du niveau de la mer calculées par le modèle de circulation générale (courbes bleues) et évaluées à partir des observations par TOPEX. Le contraste entre ces deux années reste important. Hauteurs en mm.
Crédits © Ngo-Duc T., et al, (2005), J. Geophys. Res.
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12125/img-4.png
Fichier image/png, 25k
Titre Figure 2 : Distribution de l’irrigation sur la péninsule indienne
Légende Distribution de l’irrigation, moyennée entre 65°Est et 90°E, sur la péninsule indienne, pour Septembre 1987 (année El Nino) et 1988 (année La Niña). La ligne continue se réfère à la demande en irrigation, estimée par Döll et Siebert (2002), et la courbe en tiret représente la simulation de l’irrigation obtenue par le modèle SECHIBA. Les contrastes estimés, annuel et entre latitudes, sont assez bien représentés par le modèle. En 1987, année El Nino, la faible intensité de la mousson indienne, est associée à de faibles réserves en eau du sol ; par conséquent, l’irrigation que les réserves en eau du modèle (vers 30°N) peuvent satisfaire a été réduite, alors que l’estimation de la demande en irrigation augmente, au contraire. En 1988, année humide, les réserves d'eau simulées par le modèle peuvent satisfaire la demande et la correspondance avec l’estimation est bonne.
Crédits © de Rosnay P., et al. (2003). Geophysical Research Letters, 1986
URL http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12125/img-5.png
Fichier image/png, 58k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Katia Laval et Jan Polcher, « Du « modèle de circulation générale du LMD » aux ressources en eau »Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 20 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12125 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh7

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Auteurs

Katia Laval

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne université)

Jan Polcher

Laboratoire de météorologie dynamique - Institut Pierre Simon Laplace - (UMR8539 - CNRS, ENS-PSL, École polytechnique-IP Paris, Sorbonne université)

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