Extrait de la Lettre n°7 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1 - La modélisation couplée a pour but de simuler les écoulements de surface ainsi que les écoulements souterrains.

2 - Cartographie de la composition du sol en argile et en sable dans le bassin de l’Adour.

3 - Classification sur le territoire français de la couverture végétale (d’après l’indice optique NDVI, CNRM)

4 - Comparaison entre les données simulées et mesurées sur l’année 1986 en deux sites du bassin de l’Adour:

5 - Débits journaliers et mensuels à St Vincent sur Adour.

6 - Carte montrant la répartition sur le bassin du Rhône du nombre d’observations quotidiennes sur lesquelles est basé l’analyse du module SAFRAN.

7 - Schéma des processus intervenant dans le module SAFRAN (relatif à la partie atmosphère) et dans le module CROCUS (relatif au manteau neigeux).

8 - Présentation des 24 zones alpines sur lesquelles opére le module SAFRAN.

9 - Hauteur de neige simulée par CROCUS et mesurée au Col de la Porte d' août 1993 à juillet 96.

10 - Cycle annuel des écoulements dans le bassin du Rhône.

11 - Production annuelle d’écoulement d’eau, évaluée soit par maillage hydrographique, soit par maillage géographique.

12 - Temps de transfert de la lame d’eau jusqu’à l’embouchure du fleuve estimé aux différents endroits du bassin du Rhône.

13 - Caractéristiques physiques des sols et de la couverture végétale dans le bassin du Rhône permettant la prescription des paramètres du modèle de surface.

14 - Carte pédologique du bassin du Rhône utilisée afin de paramétrer les propriétés hydrologiques et thermiques des sols.

15 - Exemple de débits journaliers et mensuels obtenus sur une année en deux stations du bassin du Rhône (Sault-Brenaz, en amont et Beaucaire, en aval): .

L’écoulement de l’eau à la surface du continent implique de nombreux mécanismes où interviennent les caractéristiques régionales. Modéliser cet écoulement est un enjeu important car c’est un maillon incontournable dans la connaissance du cycle de l’eau, maillon qui intervient tout particulièrement dans les estimations futures des ressources en eau et leur gestion au niveau régional. Nous présentons ici l’état actuel de la modélisation sur le bassin du Rhône.

L’enjeu
La phase continentale du cycle de l’eau est étroitement dépendante du forçage de l’atmosphère. En effet, c’est cette dernière qui pilote l’essentiel des entrées, les pluies, et des sorties d’eau, l’évaporation. Elle représente, sous nos latitudes tempérées, près des 2/3 des précipitations. Dans ces conditions, les débits des fleuves et rivières ne sont qu’une partie relativement petites de la quantité d’eau disponible en provenance de l’atmosphère. La recharge des nappes sur des périodes supérieures à l’année est également une très faible proportion des entrées, de l’ordre de quelques pour cent. Si on veut pouvoir suivre et estimer avec une bonne approximation l’évolution de la ressource en eau, pour la consommation en eau potable, l’agriculture ou la préservation des équilibres des écosystèmes naturels, il est nécessaire d’avoir une estimation aussi précise que possible des précipitations (que l’on mesure en général) et du flux d’évaporation (que l’on ne sait pas mesurer à une échelle spatiale compatible avec la taille des bassins versants, à partir de 10 km²). De plus, il existe une rétroaction forte entre la disponibilité de l’eau dans les sols et le comportement de la couche de surface atmosphérique. Pour cette raison, les modèles météorologiques ont besoin de connaître cette grandeur.
L’article qui suit présente l’effort national entrepris depuis quelques années pour bâtir un outil de simulation qui couple les phases continentale et atmosphérique du cycle de l’eau. Cet outil aura comme applications :

- l’amélioration de la prévision météorologique à moyenne échéance, grâce à un meilleur contrôle des capacités d’évaporation des surfaces,
- l’amélioration des prévisions de débits des fleuves et des recharges, grâce à une meilleure connaissance du forçage atmosphérique,
- une meilleure gestion de l’eau disponible au travers de la connaissance du contenu en eau des sols.

De plus, un tel outil pourra être également utilisé pour des analyses de l’impact des évolutions climatiques sur la ressource en eau. Cette dernière application peut mettre en jeu des forçages à grande échelle produits par les modèles de circulation générale, ainsi que la connaissance à l’ échelle globale des distributions spatio-temporelles des pluies et de la demande évaporative.

La question principale étant liée à la fois à la prévision météorologique et aux ressources en eau, l’échelle choisie doit être compatible avec l’échelle résolue par les modèles de prévision atmosphérique et les systèmes d'observation (de l’ordre de 100 km²) et celle des bassins versants pertinents (du petit bassin agricole de l’ordre de 100 km² au sous-bassin d’un grand fleuve, 10 000 km²). De plus, un modèle hydrologique peut difficilement être construit en dehors d’une connaissance approfondie des caractéristiques physiographiques des bassins pour lesquels il est construit : le relief, la géologie, l’occupation des sols. Il était donc nécessaire de choisir un bassin spécifique. Le choix, après de longues réflexions, s’est porté sur celui du Rhône pour les raisons suivantes :

- il est d’une taille suffisante pour que les forçages climatiques provenant des modèles globaux soient significatifs,
- il est le seul bassin national comportant une forte composante nivo-glaciaire, sur laquelle l’évolution inter-annuelle du forçage climatique est déjà sensible (réchauffement des dernières décennies),
- il est suffisamment hétérogène en surface pour être représentatif d’une grande variété de situations,
- la contribution de ses nappes phréatiques est plus faible que pour les autres grands bassins nationaux. Il est donc relativement plus simple à modéliser.

Stratégie et outils
La méthode choisie consiste à développer un outil permettant de gérer le couplage d’un modèle hydrologique et d’un modèle de circulation atmosphérique à moyenne échelle. Le modèle hydrologique choisi est le modèle MODCOU du Centre d’Informatique Géologique de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris. La partie atmosphérique est gérée par le modèle de surface ISBA développé par Météo-France, utilisé dans le modèle opérationnel de prévision et déjà intégré dans le modèle communautaire MESO-NH, modèle atmosphérique à moyenne échelle non hydrostatique (figure 1).

La première phase de ce projet a donc consisté à développer le module de couplage gérant les échanges hydriques et énergétiques aux deux interfaces (atmosphère et sous-sol).

Mise au point des outils
La première phase du programme a permis le développement des différents outils suivants :
Le modèle hydrologique distribué sur l'ensemble du bassin (MODCOU)
Ce modèle a pour objectif la simulation des écoulements de surface et des écoulements souterrains. Il distingue :

- une couche superficielle au niveau de laquelle s’effectue le partage entre ruissellement et infiltration ainsi que le transfert des eaux de surface vers les mailles rivières.
- une ou plusieurs couches profondes éventuellement connectées où s’effectuent les transferts souterrains.

La première étape est le calcul du bilan hydrique de surface c’est à dire la répartition des précipitations entre
- le ruissellement,
- l’évapotranspiration,
- l’infiltration,
- le stockage dans le sol.

Ceci est effectué sur chaque maille du domaine de surface. C’est à ce niveau (appelé fonction de production du modèle hydrologique) qu’intervient le couplage avec le modèle atmosphérique.

Couplage du modèle hydrologique et du forçage atmosphérique
Le couplage consiste à substituer l'ensemble des fonctions de production du modèle hydrologique MODCOU par le modèle ISBA de Météo-France. Le modèle ISBA calcule les bilans hydrique et énergétique à la surface avec un pas de temps de quelques minutes (figure 1). Il est utilisé en mode opérationnel dans le modèle de prévision de Météo-France. Les flux d’eau quittant la maille, soit par ruissellement de surface, soit par drainage à la base du réservoir profond, sont cumulés sur la journée et ensuite gérés par le modèle hydrologique. On a donc une résolution explicite du cycle diurne et du flux d’évaporation. Les paramètres du module de surface qui gère la répartition des précipitations sont déterminés en fonction des caractéristiques physiques de la surface (type de sol, couverture végétale) pour chaque maille. Ils ne nécessitent pas d’étalonnage sur de longues séries hydrologiques comme c’est souvent le cas.

Ce modèle a été développé et testé dans un premier temps sur le bassin de l’Adour sur lequel le modèle hydrologique avait déjà été implanté dans le cadre de l’expérience Hapex-Mobilhy (1985-1986), et en raison de la disponibilité des données hydrologiques et météorologiques. Les paramètres de surface du modèle ont été estimés à partir de la base de données des sols de l’INRA (figure 2) et de la classification de la végétation du CNRM obtenue à partir d'une archive satellitaire NOAA-AVHRR pluriannuelle à 2km de résolution (figure 3 ).

Deux années de simulation (1986 et 1987) ont été effectuées en mode semi-forcé, c’est-à-dire avec des données de forçage atmosphérique observées. Les performances de la modélisation ont été évaluées par comparaison avec l’ensemble des données disponibles en 1986, c’est-à-dire:
- contenu en eau du sol en 12 sites (figure 4a)
- évaporation journalière (figure 4b)
- débits journaliers sur une trentaine de stations (figure 5).

Les modules spécifiques comme la prise en compte des zones enneigées et englacées
La présence d'un manteau neigeux saisonnier et de glaciers influence fortement la variation annuelle du débit des rivières. La paramétrisation de la composante glacio-nivale ayant été définie comme un point important dans le projet, il a été décidé de partir d'outils existants développés par le CNRM pour le suivi de l'enneigement dans les Alpes et de les adapter à ce contexte. Il s'agit de CROCUS (modèle d'évolution du manteau neigeux) et de SAFRAN (système d'analyse météorologique permettant d'alimenter le modèle CROCUS à différentes altitudes et dans différentes régions des Alpes), voir encart ci-dessous.

Le bassin versant amont de Sarennes (20 km², exutoire 1435 m) a été choisi pour la validation. La première phase du travail consiste à modifier CROCUS pour qu’il s’intègre dans le schéma ISBA. Ce nouveau module est en cours de développement sur le site bien documenté du Col de la Porte, où sont mesurés au pas de temps horaire, paramètres météorologiques, nivologiques, écoulement à la base du manteau neigeux et température dans le sol. La figure 9 montre la comparaison des simulations de la hauteur de neige de 1993 à 1996 avec les mesures.

La constitution de bases de données
Les chroniques de débits observés en une centaine de stations réparties sur tout le bassin, ont été extraites des bases FRIEND (Programme Hydrologique International de l'UNESCO) et HYDRO (Ministère de l’Environnement) par le CEMAGREF sur la période 1970-1995.

Deux bases de données météorologiques ont été constituées par le Service Central d'Exploitation de la Météorologie (SCEM) de Météo-France, pour notre étude. La première base contient les précipitations journalières, evapotranspirations potentielles décadaires, températures minimum et maximum journalières pour la période de 1970 à 1995. La seconde est limitée à la période comprise entre 1981 et 1995. Elle contient tous les champs météorologiques nécessaires au modèlecouplé ISBA-MODCOU et au pas de temps horaire:
- précipitations neigeuses et liquides,
- rayonnement solaire et thermique, vent de surface, nébulosité, humidité de l'air, température de l'air.

Ces champs sont calculés à partir des analyses SAFRAN étendues à tout le versant français du Rhône.

Les outils d'analyse statistique des débits
Le régime hydrologique d’une rivière en un point donné est l’équivalent du climat d’une localité : on prend un peu de recul par rapport au détail des événements particuliers ("la météorologie") pour s’intéresser aux caractéristiques générales de la chronique de débit considérée comme signal. Ceci se fait à l’aide d’outils de statistique descriptive. La chronique est " réinterprétée " en termes de valeurs caractéristiques et de système d’événements associés à des probabilités. Cette étude distingue typiquement écoulements moyens, hautes eaux (en valeur et en durée) et étiages (également en valeur et en durée). Souvent, cette étude est conditionnée par la saison.
Dans ce projet une centaine de stations hydrométriques ont été analysées et l’on dispose à présent, pour chacune de ces stations, des débits caractéristiques suivants : débit journalier, débit maximal décennal. Les figures 10 et 11 montrent à titre d’exemple le cycle saisonnier (figure 10 ) et la production annuelle (figure 11) de l’écoulement, réinterpolés sur différents types de grilles.

Premiers résultats
La première étape a consisté à la description du domaine de surface (détermination des directions de drainage, du réseau hydrographique et des limites des sous-bassins).

Le bassin versant modélisé s’étend sur 86496 km². La Camargue, siège d’écoulements divergents, ne pouvant être représentés par ce modèle, le domaine a été limité au sud au niveau de Beaucaire, dernière station de mesure du débit avant la Camargue. Il est discrétisé en 27054 mailles de 1 à 8 km de coté. La figure 12 présente la distribution des temps de transfert de la lame d’eau sur le bassin.

Les paramètres du modèle de surface ont ensuite été calculés à partir des caractéristiques physiques des sols et de la couverture végétale. Pour celà, la carte d’occupation des sols CORINE Land Cover de l’Union Européeenne (figure 13 ) mise à disposition par l’Institut Français de l’Environnement (IFEN) ainsi que la carte des sols (figure 14 ) établie par l’INRA ont été utilisées pour ajuster les paramètres des fonctions de production du modèle.
Les premières simulations du débit journalier en différents sites (figure 15) ont été effectuées sur la période août 1987 - juillet 1988, période pour laquelle les champs météorologiques et les données hydrométriques étaient disponibles au pas de temps journalier. Elles ont montré:
- la nécessité de prendre en compte les nappes souterraines de la Saône, de l’Ardèche et du Comtat Venaissin, qui ne sont pas incluent dans le modèle actuel.
- la nécessité de prendre en compte les ouvrages hydrauliques sur l’Isère et la Durance. En effet la gestion des barrages dans ces deux bassins modifie considérablement l’écoulement " naturel ".

Prochaines étapes
En 1998, le modèle couplé devrait être totalement construit et les bases de données météorologiques et hydrologiques constituées sur une quinzaine d’années (entre 1981 et 1996). Ceci permettra d’effectuer une simulation sur toute cette période ainsi que l’analyse statistique des débits et des différentes composantes du cycle hydrologique en fonction du régime des pluies.

Le bassin du Rhône étant largement anthropisé, la prise en compte des ouvrages hydrauliques et leur modélisation s’avère nécessaire. Pour celà, on envisage de coupler notre modèle avec un modèle d’hydraulique. L’outil final permettra de mener là encore, des études d’impacts sur le climat, la biosphère ou la faune aquatique.

A partir de 1999, on envisage de tester l'apport d'analyses opérationnelles du modèle ALADIN de Météo-France,. A terme, on pourra envisager de tester un couplage entre le sol et l’atmosphère totalement interactif en travaillant avec un modèle à méso-échelle tel que Meso-NH. Cette étude devrait permettre de conclure quant à l'impact d'une meilleure représentation des bilans hydriques continentaux sur la simulation des précipitations et des écoulements.

Contact :
Catherine Ottlé
Centre d'Etude des Environnements Terrestres et Planétaires
10-12 avenue de l'Europe
78140 Vélizy
catherine.ottle@cetp.ipsl.fr