Réunion d`informations sur ORCHIDEE

Réunion d'informations sur ORCHIDEE
Les inputs
M.Guimberteau
Le 26 Janvier 2009
avec J.Ronchail & J-C.Espinoza Villar
Schematic representation of the main fluxes
simulated on a pixel with ORCHIDEE model
Precipitation
E bare soil
ETtot
ET forest
Transpiration
ET crops
Interception
Only 3 land surfaces
is represented here
on this grid-cell but
up to 13 land surface
types can be present
simultaneously
rfa
ce
la
y
er
Choisnel
Total runoff R
Su
SOIL
Root
extraction
potential
Us
Drainage
between
the layers
D
p
ee
OR
Patricia
r
ye
la
Total deep
drainage
3
Les inputs
●
●
Le forçage atmosphérique (mode offline)
Name
Description
Units
Tair
two meters air temperature
K
Qair
two meters specific humidity
kg/kg
Wind_N
ten meters wind speed (u component)
m/s
Wind_E
ten meters wind speed (v component)
m/s
Psurf
surface pressure
Pa
SWdown
surface downward short wave flux
W/m²
LWdown
surface downward long wave flux
W/m²
Rainf
rainfall rate
kg/m²/s
Snowf
snowfall rate
kg/m²/s
Exemples
NCC
NLDAS
Coverage
Global United States
Spatial resolution
1°
(1/8)°
Temporal coverage 1948-2000 1996-2008
Temporal resolution 6 hours
1 hour
Les variables d'états dynamiques (mode online = couplage
ORCHIDEE-LMDZ)
–
température atmosphérique
–
pression au sol
–
vents
–
concentrations des traceurs
Les inputs
●
Les cartes
–
carteveg5km.nc, carte de végétation
–
lai2D.nc, carte de LAI
–
carte de textures de sol
soils_param.nc (et couleurs de sol)
soils_param_fao.nc
soils_param_fao2.nc
soils_param_usda.nc
–
routing.nc, carte de routage
bassins versants
direction de l'écoulement
index topographique
–
cartepente2d_15min.nc, carte de pente de sol
–
floodplains.nc, carte des plaines inondées, des réservoirs et de
l'irrigation
-> Carte de végétation, de LAI et de sols
●
Carte de végétation IGBP à résolution 1km x 1km (Belward &
al., 1999)
–
réduite par une méthode de “type dominant” à résolution spatiale 5 km x
5 km utilisée avec la classification d'Olson (96 types) (Olson & al., 1983)
–
carte prescrit la fraction de chaque type de végétation sur chaque pixel
de 5 km x 5 km
–
pour simplifier: données réduites à 13 types de PFTs (plant functional
types) maximales sur une maille:
●
●
bare soil, tropical broadleaved, evergreen and raingreen trees, temperate
needleand, broad-leaved evergreen and summergreen trees, boreal,
needle- and broad-leaved evergreen trees summergreen, C3 and C4
grasslands, and C3 and C4 cultures.
Carte de LAI (résolution 1kmx1km), Belward & al., 1999
–
LAI prescrit en fonction des données satellites
Carte de couleurs de sol (9 classes). Résolution 1°x1°.
Pour calculer l'albedo du sol nu. Wilson & Henderson Sellers.
Carte de types de sol (5+2 classes). Résolution 1°x1°. Données ISLSCP.
USDA (12 classes) -> FAO (1978)-> 5 types de sol -> Zobler (1986) -> 5 types de sol à la
résolution 1°x1° -> ORCHIDEE -> type de sol dominant sur chaque pixel.
à
e
u
q
i
if
c
é
p
S
r
d
y
'l h
Carte de types de sol des 30 premiers centimètres. Résolution
3 types de sol. Reynolds & al. (1999), projection de la carte de la FAO
sur une grille plus petite que celle de Zobler.
a
i
c
ri
t
a
P
ie
g
o
ol
à
e
u
q
i
if
c
é
p
S
d
y
l'h
Carte de types de sols entre 30 centimètres et 1m. Résolution
3 types de sol. Reynolds & al. (1999), projection de la carte de la FAO
sur une grille plus petite que celle de Zobler.
lo
o
r
a
P
e
i
g
a
i
c
tri
S
c
é
p
à
e
u
q
i
if
Carte de types de sols. Résolution
12 types de sol. Reynolds & al. (1999),
extension de la carte Zobler en types de sol USDA.
a
P
ie
g
lo
o
r
d
y
'l h
a
i
c
tri
-> Pour le module de routage de
l'eau des fleuves vers les océans
(Possibilité de l'activer ou pas)
Carte des bassins versants mondiaux (numéros). Résolution: 0.5°x0,5°.
Combinaison de la carte construite à l'University du New Hampshire par Vorosmarty & al. (2000)
et celle construite par Oki & al. pour le schéma TRIP (Oki et al. 1999).
Carte de directions des écoulements
Carte d'un index topographique des fleuves.
(pente du fleuve)=distance parcourue par fleuve/différence d'altitude
-> En lien avec le module de routage
(Possibilité d'activer ou pas chacune des cartes)
Carte des plaines d'inondation (% du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
Carte d'irrigation (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
CESR (Döll & Siebert, 2002).
Carte des lacs (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
Cartes des réservoirs, barrages (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
Carte des marécages, forêts inondables (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
Cartes des zones salines/saumâtres inondables (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
Carte des petites mares (en % du pixel). Résolution 0.5°x0.5°.
Construite à partir de la carte GLWD (Lehner & Döll, 2004).
à
e
u
q
i
if
c
é
p
S
r
d
y
'l h
a
i
c
ri
t
a
P
e
i
og
l
o
Carte de pente moyenne pour l'infiltration en surface (%).
Résolution 0.25°x0.25°. Altitude d'un point/distance moyenne des autres points.
L'hydrologie
2 choix possibles...
CHOISNEL
R
PATRICIA
L'hydrologie Choisnel
I/ Introduction
II/ Modèle & forçage
III/ Résultats 1 2 3
IV/ Conclusion & perspectives
Modélisation de la couche de sol: hydrologie de Choisnel (Ducoudré & al., 1993)
•Sol de profondeur de 2m, constitué de 2 réservoirs
•Pluies reçues par le sol → évapotranspiration calculée → apports nets obtenus →
calcul du ruissellement total Rtot: 5% de Rtot en ruissellement R et 95% en drainage
(Deep Drainage)
•A chaque pas de temps:
• calcul des flux atmosphériques
• mise à jour des 2 couches de sol:
sol saturé: un seul réservoir (profond)
P<E → réservoir profond se désature et formation d’une couche de sol sec
P>E → formation d’une lame d’eau superficielle
P<E → formation d’une couche de sol sec au-dessus de cette lame d’eau →
réservoir superficiel. Coexistence des 2 réservoirs.
P>E → disparition de la couche de sol sec
P<E → assèchement du réservoir superficiel ET puisée dans le réservoir profond
● calcul du flux d’eau entre les 2 couches de sol
● détermination du potentiel d’extraction racinaire pour chaque type de végétation
L'hydrologie Patricia
Zi, nœud i
Épaisseur de la couche de sol associée à chaque nœud
DPU, profondeur totale du sol
Pour i=1, E1= ΔZ2/2 et pour i=11, E11=ΔZ11/2
N, nombre total de nœuds
Z1= 0,00000 m
Z2= 0,00195 m
Z3= 0,00586 m
Z4= 0,01367 m
Z5= 0,02930 m
Z6= 0,06055 m
Z7= 0,12305 m
Z8= 0,24805 m
Z9= 0,49805 m
Z10= 0,99805 m
Z11= 1,99805 m
E1= 0,00097 m
E2= 0,00293 m
E3= 0,00586 m
E4= 0,01172 m
E5= 0,02344 m
E6= 0,04688 m
E7= 0,09375 m
E8= 0,18750 m
E9= 0,37500 m
E10= 0,75000 m
E11= 0,99902 m
●
●
Résolution de l'équation de Darcy en teneur en eau dans le
cas non saturé
Mouvement de l'eau calculé par une discrétisation de
l'équation de Fokker-Planck sur 11 couches (système
constitué par les équations de Darcy sur la teneur en eau)
Variation de l'humidité
du sol
Diffusivité
Potentiel matriciel
Conductivité
(capacité du sol à
permettre l'écoulement.
Dépend de la porosité et
de la distribution en taille
des pores)
Extraction de l'eau du
sol par les racines
Conductivité et diffusivité
●
●
●
K et D définis entre l'humidité résiduelle du sol et l'humidité du
sol à saturation (données pour chaque type de sol par Carsel
& Parrish, 1998)
K et D calculés à chaque noeud de discrétisation du schéma
(moyenne arithmétique des valeurs aux noeuds n-1 et n)
K approchée par une fonction linéaire par morceaux de θ:
–
K=aθ+b
– a et b sont des constantes
– Θ, la teneur en eau volumique
• D approchée par une fonction constante par morceaux
=> à chaque intervalle, D considéré comme constant et K
comme une fonction linéaire de θ
Condition limite inférieure
• Gradient de teneur en eau entre la couche de fond et la couche
inférieure non modélisée est nul
→ q11 = -D.(əθ/əθ11) + K11 = K11
→ drainage libre au fond de la colonne de sol (hypothèse valable tant que les
nappes phréatiques sont profondes).
• Fc permet de prendre en compte le degré de perméabilité du fond
du sol:
q11=Fc.K11
– Fc, coefficient (0 pour drainage nul et 1 pour drainage libre)
Condition limite supérieure
• Un flux q0 est imposé au sommet de la colonne de sol:
q0 = P – Epot
– pour un sol nu:
– pour un sol couvert de végétation: q0 = P
• 1ère résolution du système
– en partant du profil d’humidité initial
– avec les 2 conditions limites q11 et q0
• Si θ < θres ou θ > θsat sur une des couches => système à nouveau résolu sur
cette couche
– en partant du profil d’humidité initial
– en imposant la valeur limite possible de teneur en eau pour cette couche (θ = θres
ou θ = θsat selon le cas)
→ nouveau profil de teneur en eau obtenu
• Bilan de masse sur chaque couche en partant du bas (on connaît q11 et la
variation de teneur en eau)
→ déduction du flux au sommet de la couche du fond
On procède ainsi pour les couches supérieures
→ calcul du flux en surface q0f
• Limitation de l’évaporation:
– si diffusion résolue qu’une fois: évaporation au taux potentiel → atmosphère
limitante
– si diffusion résolue plusieurs fois: quantité d’eau dans les couches superficielles
du sol limitante
• Du flux q0f, on déduit Enu et runoff:
= MIN [ (Psol+irrig+reinf+eau_à_inf) – (eau_à_extraire+q0f) , Epot ]
– Enu
– runoff = (Psol+irrig+reinf+eau_à_inf) – (eau_à_extraire+q0f+Enu)
Extraction de l'eau dans le sol
●
Dépend de
–
la densité de racine
–
l'humidité du sol
●
●
une humidité de flétrissement
une humidité au-delà de laquelle la transpiration est maximale
Transpiration
Le routage de l'eau des fleuves vers
les océans
Principe du routage de l'eau
Pixel 1
Pixel 1
A
Pixel 2
Stream reservoir
R
D
Fast reservoir
Qout
A2
Q
R
out
A3
Slow reservoir
B
D
B
Stream reservoir
Fast reservoir
Slow reservoir
Pixel 3
Pixel 3
•
•
•
•
•
Pixel 2
out
in.
Qout
A1 =0 Q A =Q B
Inflow
A
Basé sur Hagemann & Dumenil (1998) et Miller & al. (1994)
Sur la maille, 2 bassins: A et B
3 réservoirs associés à chacun
Ruissellement et drainage répartis uniformément sur A et B
Débit sortant pour chaque réservoir i du bassin A: Qiout=αt.Vi/Ti
– Ti, constante de temps. T1=0.24j, T2=3j, T3=25j
– Vi, volume d’eau
– αt, indice topographique (pente moyenne). Identique pour chaque réservoir.
Pas de prise en compte de la charge (hauteur d’eau)
•
•
Débit total sortant des 3 réservoirs du bassin A: Qout=∑ Qiout
Débit total entrant dans le réservoir fleuve du bassin B: Q’in= Qout
3
i=1
Q out
B1
Q out
B2
Q out
B3
Principe du routage de l'eau
●
●
●
●
●
Sur une maille, R et D uniformes et répartis sur
les sous-bassins selon leurs surfaces respectives
Bassin(s) dans la maille (1 ou plusieurs)
Déterminer pour chaque bassin, dans quel autre
il s'écoule
L'écoulement d'un bassin vers une autre maille
(dans le même bassin ou dans un autre) ne se
fait que par un point
Un sous-bassin fermé se jette dans le bassin
ouvert au niveau de la maille