Les processus de surface `a l`´echelle globale et leurs interactions

Les processus de surface ` a l’´ echelle
globale et leurs interactions avec
l’atmosph` ere.
Jan Polcher
10 Septembre 2003
•Le mod` ele de surface, une composante du syst` eme terre
•Le d´ eveloppement d’ORCHIDEE
•Interactions surface-atmosph` ere
•Relation mod` eles de surface et observations

1. Le mod` ele de surface, une composante
du syst` eme terre
Les premiers sch´ emas de surface sont apparus avec le cycle de l’eau dans
les mod` eles atmosph´ eriques afin de clore le bilan d’eau. Ils n’´ etaient
alors qu’une param´ etrisation parmi d’autres du mod` ele de circulation
g´ en´ erale (MCG).
Les mod` eles de surface aujourd’hui, sont devenus des composantes ` a
part enti` ere des mod` eles du syst` eme terre. Malgr´ e leur plus grande com-
plexit´ e ils simulent toujours les conditions aux limites des composantes
atmosph´ eriques et oc´ eaniques.
Les surfaces continentales fournissent les informations suivantes aux
autres composantes :
•fermeture de la turbulence dans la couche limite atmosph´ erique
(´ evaporation et flux de chaleur sensible).
•Alb´ edo de la surface dans la partie visible du spectre.
•conditions aux limites du rayonnement infrarouge.
•flux d’eau douce vers les oc´ eans.
Le mod` ele de surface contribue ` a assurer la conservation de l’´ energie et
de l’eau dans le mod` ele du syst` eme terre.

1.1. Une interface g´ en´ erale pour les surfaces continentales
Afin de rendre les mod` eles de surface ind´ ependants des autres com-
posantes sans pour autant modifier la physique du couplage, nous avons
propos´ e une interface standard.
Les conditions suivantes devraient ˆ etre remplies :
•Pour chaque processus ` a l’interface, il fallait choisir entre une ferme-
ture de Dirichlet ou de Neumann.
•Ce choix devait ˆ etre compatible avec tous les sch´ emas num´ eriques.
•L’interface devait ˆ etre robuste pour les principes de conservation.
•Seules des variables observables pouvaient ˆ etre ´ echang´ ees.
Une premi` ere proposition d’interface standard a ´ et´ e faite en 1998. En-
tre temps elle a ´ et´ e mise en application ` a l’IPSL, au Hadley Centre, ` a
l’ECMWF et ` a M´ et´ eo-France.
Ce retour d’exp´ erience nous a permis d’´ eclaircir certains points de la
proposition initiale. Un papier est en cours de pr´ eparation avec les
coll` egues du Hadley Centre et du ECMWF.

1.2. La perspective PRISM
atmosphérique
Chimie
continentales
Surfaces
PRISM
Infrastrct.
Glace de Mer Océan
Atmosphère
océanique
Biogeochmie
La construction d’un mod` ele du syst` eme terre
passe par le d´ eveloppement d’interfaces stan-
dard pour chacune des composantes.
L’infrastructure PRISM (en cours de
d´ eveloppement) permettra alors la r´ ealisation
technique du couplage.
Seule une telle approche permet de d´ evelopper
et de maintenir un mod` ele de cette complexit´ e.
•Chaque composante peut ˆ etre d´ evelopp´ ee et
valid´ ee ind´ ependamment.
•L’assemblage du tout se fait sans modifica-
tion des composantes et de leurs interfaces.
•La substitution de composantes permet
d’´ etudier les erreurs et la sensibilit´ e du
syst` eme.
Dans le cadre de PRISM le groupe oc´ ean/glace
de mer d´ eveloppe une interface sur la base de
ce qui existe pour les surfaces continentales.

2. Le d´ eveloppement d’ORCHIDEE
Actuellement la communaut´ e vit la transition des param´ etrisations de
surface vers des mod` eles de surface.
ORCHIDEE est un des premiers mod` eles de surface.
Processes
Day
Year
SECHIBA
LPJ
LAI
Albedo
Roughness
Biomass
Vegetation types
STOMATE
Energy
Hydrology
Photosynthesis
Biogeochemistry
Carbon allocation
vegetation phenology
Competition
Ecology
Time scales
Soil moisture stress
CO_2 assimilation
Temperature
Litterfall
biomass
NPP