Modélisation physique et biogéochimique des processus de surface

Modélisation physique et biogéochimique des processus de surface aux hautes
latitudes
Encadrement : Gerhard Krinner ([email protected]) ; Philippe Ciais ([email protected])
Contact : Gerhard Krinner, LGGE
Les sols des hautes latitudes contiennent de très grandes quantités de carbone - de l'ordre de 400 GtC,
sinon plus -, accumulées en grande partie sous forme de biomasse non décomposée au cours de la
dernière période glaciaire qui a culminé, au niveau global, il y a 20000 ans. Lors d'un éventuel
réchauffement futur, une partie de ce carbone pourrait être mobilisée, émise vers l'atmosphère sous
forme de CO2 ou CH4, et ainsi fermer une boucle de rétroactions positives renforçant le changement
climatique. Une deuxième boucle de rétroactions positives existante dans les régions continentales des
hautes latitudes concerne l'effet amplifiant lié à l'albédo de la neige : Lors d'un réchauffement, la
couverture neigeuse diminue, à la fois en termes d'étendue et de durée. La surface de la Terre, plus
sombre en absence de neige, intercepte plus de rayonnement solaire et se réchauffe encore plus.
La quantification de ces effets à l'aide de modèles couplés globaux du climat et du cycle de carbone
continental se heurte à l'insuffisante prise en compte des processus physiques en surface de ces
régions. ORCHIDEE, le module de surface continentale utilisé dans le modèle de circulation générale
de l'atmosphère LMDZ4, et donc aussi dans le modèle couplé océan-atmosphère IPSL-CM4 dont
LMDZ4 fait partie, ne représente par exemple pas le processus de gel et dégel du sol, et continent une
formulation de la neige trop simplifiée pour rendre compte de la complexité du matériau et des
interactions entre la végétation et la neige. De même, la description de la végétation boréale n'est pas
très détaillée.
L'objectif de cette thèse est de mieux quantifier l'importance des processus de surface des hautes
latitudes dans le cadre du changement climatique futur. L'outil utilisé sera le modèle de circulation
générale de l'atmosphère LMDZ4 avec son module de surface ORCHIDEE, qui est couramment utilisé
au LGGE pour des études du changement climatique focalisées sur les hautes latitudes. Afin de
permettre ces applications centrées sur le rôle des processus de surface, un effort conséquent de
développement du modèle devra être fourni au préalable. Un volet important des ces travaux concerne
le développement d'une formulation adaptée de l'hydrologie soumise au cycle gel/dégel du sol dans
ORCHIDEE. Dans les modèles existants de l'IPSL, les effets thermiques du gel/dégel du sol ont été
pris en compte, mais pas les effets l'hydrologiques à cause de la formulation inadaptée de l'hydrologie
de ces modèles. Une version multi-couches de l'hydrologie des sols est désormais disponible. Elle
permettra des avancées significatives dans la prise en compte des effets du gel du sol, qui seront
évalués par rapport à des observation sur site (par exemple, ceux obtenus dans le cadre de
PILPS2(d)).Les travaux de développement s'effectueront en collaboration avec le LSCE (CNRS/CEA
Saclay : P. Ciais, N. de Noblet) et l'Alfred-Wegener-Institut für Polar-und Meeresforschung (Potsdam,
Allemagne : J. Boike).
Les applications porteront sur l'évaluation de l'effet des améliorations apportées au modèle sur
l'amplitude et autres caractéristiques du changement climatique simulé pour le siècle à venir. En
collaboration avec le LSCE (CNRS/CEA Saclay : P. Ciais), le modèle de surface amélioré pourra être
utilisé pour une réévaluation (par rapport à des études effectuées avec un modèle plus rudimentaire) du
potentiel de dégazage sous forme d'émissions de CO2 et CH4 des sols des hautes latitudes lors d'un
réchauffement futur.
Modeling physical and biogeochemical processes of surface at high latitudes
Supervision: Gerhard Krinner ([email protected]), Philippe Ciais (philippe.ciais @ cea.fr)
The high-latitude soils contain large amounts of carbon - about 400 GtC, if not more - accumulated

largely in the form of biomass not broken during the last glacial period which culminated at the global
level, 20,000 years ago. In a possible future warming, some of this carbon could be mobilized, emitted
to the atmosphere as CO2 or CH4, and close a positive feedback loop of increasing climate change. A
second positive feedback loop exists in the regions of high latitudes amplifying the effect related to the
albedo of snow: In a warming, snow cover is decreasing, both in terms of extent and duration . The
surface of the earth, dark in the absence of snow, intercepts more solar radiation and heats up even
more.
The quantification of these effects by using coupled models of global climate and continental carbon
cycle is hampered by the insufficient consideration of the physical surface of these regions.
ORCHIDEE, module continental surface model used in the general circulation of the atmosphere
LMDZ4 and therefore also in the model coupled ocean-atmosphere IPSL-CM4 which LMDZ4 is part,
does not for example the process of freezing and thawing ground, and a formulation of continent snow
too simplified to reflect the complexity of the material and the interaction between vegetation and
snow. Similarly, the description of the boreal vegetation is not very detailed.
The objective of this thesis is to better quantify the importance of surface processes in high latitudes in
the context of future climate change. The tool will be the general circulation model of the atmosphere
with its LMDZ4 module ORCHIDEE surface, which is commonly used in LGGE for studies of
climate change focused on high latitudes. To enable these applications focused on the role of surface
processes, a major effort for development of model should be provided in advance. An important part
of this work to develop an appropriate formulation of the hydrological cycle subject to freezing /
thawing of the ground in ORCHIDEE. In existing models of IPSL, the thermal effects of freezing /
thawing of soil were taken into account, but not the hydrological effects due to the inadequate
formulation of the hydrology of these models. A multi-layers of soil hydrology is now available. It will
enable significant progress in taking into account the effects of soil freezing, which will be assessed
against on-site observation (eg, those obtained under PILPS2d). The development work will in
collaboration with LSCE (CNRS / CEA Saclay: P. Ciais, N. de Noblet) and the Alfred-Wegener-Institut
für Polar-und Meeresforschung (Potsdam, Germany: J. Boike).
The applications will focus on assessing the effect of improvements to the model on the amplitude and
other characteristics of the simulated climate change for the next century. In collaboration with LSCE
(CNRS / CEA Saclay: P. Ciais), the model improved surface can be used for reassessment (as
compared to studies carried out with a more basic) the potential for degassing in the form of emissions
CO2 and CH4 in soil at high latitudes warming future.