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Le projet LIFE Eau&Climat (LIFE19 GIC/FR/001259)
a reçu un financement du programme LIFE de l’Union européenne.
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La chaîne de modèles SAFRAN-Isba(Surfex)-Modcou, baptisé SIM, a été développée dans le cadre d’une coopération entre Météo-France et le Centre de géosciences de Mines ParisTech (HABETS et al., 2008). Elle permet de simuler, en France métropolitaine, les flux d’eau et d’énergie à l’interface sol-biosphère-atmosphère, ainsi que l’évolution du débit des rivières et des principales nappes de surface.
Cette chaîne de modèles est utilisée en opérationnel depuis près de 20 ans pour le suivi temps réel de l’hydrologie de surface sur la France, la caractérisation climatique, et la prévision à différentes échéances. Elle a fait l’objet de nombreuses actions de recherche, pour son développement et son utilisation.
La chaîne hydro-météorologique SIM a été évaluée sur l’ensemble de la France par (HABETS et al., 2008) par comparaison à des observations quotidiennes de débit, hauteurs de nappes et hauteurs de neige sur la période 1995-2005. Ces dernières années, une version 2 de la chaîne a été mise en place en y apportant de nombreuses améliorations décrites par (LE MOIGNE et al., 2020). Ces dernières portent notamment sur la correction du biais du rayonnement infra-rouge dans SAFRAN, et l’intégration d’une nouvelle version ISBA diffusion multi-couche et la mise à jour de différentes bases de données sur la végétation, la texture du sol et l’orographie (ajout de 3878 mailles de montagne en plus des 9892 mailles existantes). Des réservoirs ont été ajoutés pour représenter les effets des aquifères en zone de plaine et de montagne. Les évaluations ont montré les améliorations apportées sur les débits (identifiées sur la plupart des stations hydrométriques du sud et de l’ouest du pays alors que quelques régressions ont été notées sur les bassins du nord-est de la France), la hauteur de neige, les bilans d’eau et d’énergie à l’échelle des bassins. C’est la version SIM2 qui est appliquée dans le projet Explore2.
La chaîne SIM2 est composée de trois modèles (Figure 1).
Figure 1 : Diagramme de fonctionnement de la chaîne SIM2.
• L’analyse atmosphérique SAFRAN (Figure 2) (Système d’Analyse Fournissant des Renseignements Atmosphériques à la Neige) est un système d’analyse permettant de reconstruire des profils verticaux de l’atmosphère sur des zones climatiquement homogènes, à partir d’observations au sol et de produits de modèles météorologiques de grande échelle. Ces profils sont projetés spatialement et verticalement sur une grille régulière de 8 km de résolution horizontale sur la France et permettent de produire une analyse en point de grille de huit variables météorologiques sur la France au pas de temps horaire et quotidien : température de l’air, précipitations liquides, précipitations solides, force du vent, humidité de l’air, rayonnement solaire direct, rayonnement solaire diffus et nébulosité. La réanalyse climatologique SAFRAN produite par Météo-France débute le 1er août 1958 et est complétée chaque année.
Figure 2 : Diagramme de fonctionnement de SAFRAN adapté de Quintana Seguí (2008). Les variables météorologiques sont les précipitations quotidiennes (P), les lames d’eau (R), la précipitation neigeuse (S), la température de l’air (T), la vitesse du vent (W), l’humidité relative (RH), l’humidité spécifique (SH), le rayonnement solaire incident (SR), le rayonnement infra rouge incident (IR) et la nébulosité (N).
• Isba (Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère) (Figure 3) est un modèle permettant de représenter les processus se produisant sur les surfaces continentales dans les modèles atmosphériques et hydrologiques. Isba est développé par le CNRM (Météo-France - CNRS) en collaboration avec plusieurs autres laboratoires de recherche. Isba est une composante de la plate-forme de modélisation SURFEX, qui représente aussi les surfaces urbaines, les lacs et les océans. Isba comporte plusieurs modules permettant de simuler les transferts d’eau et de chaleur dans le sol, la végétation, le manteau neigeux, et l’hydrologie superficielle (drainage et ruissellement), et d’en calculer l’évolution en fonction des conditions météorologiques. Le modèle Isba s’appuie sur une représentation de la texture du sol (pourcentage de sable et d’argile) à résolution kilométrique et de la végétation en 12 classes issues de la base Ecoclimap2.
Figure 3 : Schéma simplifié du fonctionnement du modèle de surface Isba, d'après Quintana Seguí (2008). Les flèches montrent les principaux flux d'eau. Le modèle
• Le modèle hydrogéologique Modcou (Figure 4) est un modèle développé par le Centre de Géosciences de Mines ParisTech. Météo-France a collaboré avec le Centre de Géosciences pour développer une version du modèle sur l’ensemble de la France. Cette version est utilisée dans le cadre de la chaîne SIM2. Le modèle hydrogéologique Modcou couple les écoulements de surface et les écoulements souterrains afin de simuler les débits des rivières et les niveaux piézométriques des aquifères représentés. L’eau est transportée vers les rivières ou alimente les aquifères. Modcou simule l’évolution des aquifères et des nappes, ainsi que leurs interactions avec les rivières.
Figure 4 : Schéma de principe de MODCOU : l’eau est transférée vers la rivière, puis dans la rivière avec un pas de temps de 3h. L’eau peut également s’infiltrer vers la nappe qui interagit avec la rivière.
Le modèle fournit les débits journaliers aux points de simulation.
D’autres variables hydro-météorologiques sont également mises à disposition. Outre les variables atmosphériques telles que les précipitations ou l’évapotranspiration, ces variables sont indispensables pour étudier les futurs du cycle de l’eau.
Il s’agit des variables à l’interface sol-atmosphère issues du modèle SURFEX :
• Le drainage cumulé (DRIANC) : la quantité d’eau qui s’écoule à la base du sol superficiel vers une couche non-saturée, c’est une source d’alimentation des nappes aquifères.
• Le ruissellement cumulé (RUNOFFC) : la quantité d’eau, au cours d’une précipitation, qui ne s’infiltre pas dans le sol, mais qui s’écoule à la surface, alimentant les cours d’eau et pouvant également provoquer des inondations.
• L’évapotranspiration réelle cumulée (EVAPC) : la quantité d’eau restituée à l’atmosphère par le sol et les plantes en raison des processus d’évaporation (du sol nu et de l’eau interceptée par la végétation) et de transpiration des plantes.
• L’indice d’humidité du sol (SWI) : il permet de caractériser la quantité d’eau présente dans le sol superficiel (couche racinaire), et disponible pour la végétation.
et d’une variable liée au manteau neigeux et issue du modèle SURFEX : l’équivalent en eau du manteau neigeux (SWE). Il représente la masse totale de neige par unité de surface, et donc le stock d’eau potentiellement disponible au moment de la fonte. Il est utile notamment sur les reliefs des Alpes et des Pyrénées, car il joue un rôle majeur dans l’hydrologie des bassins de montagne, avec un étiage marqué en hiver en raison du stockage des précipitations sous la forme de neige, et des débits forts en fin de printemps-début d’été à cause de la fonte.
Ces données complémentaires sont produites sur la grille régulière SAFRAN de 8 km de côté, elles sont disponibles au pas de temps quotidien et exprimées en millimètres équivalent en eau, excepté l’indice d’humidité du sol qui est adimensionnel.
Le modèle SIM2 (version SIM2-2021) présente des performances faibles en termes de KGE√ sur les bassins amont en zone de montagne, ainsi que sur les bassins fortement influencés par les échanges avec une nappe non modélisée explicitement, comme celui de la Somme dans le Nord de la France (Figure 5). En outre, SIM2 semble surestimer les débits de basses eaux hors Somme et Alpes (la médiane de Q90 est ainsi égale à 1.03, soit un biais de 100 %).
Il n’est pas possible de mesurer les performances sur les petits cours d’eau car seule une station de référence drainant moins de 200 km² est modélisée. Il est peu probable que le comportement de SIM2 diffèrent des autres modèles appliqués dans Explore2 (performance incertaine sur les bassins de tête). Notons que pour les 21 bassins de plus de 6000 km², les valeurs de KGE√ sont centrées autour de 0.79 (les minimum et maximum sont respectivement 0.68 et 0.92).
Figure 5 : Performance constatée sur les débits simulés par SIM2 (version 2021).
Remarque : L'évaluation a été faite sur les simulations SIM2-2021, d'où des performances limitées sur les bassins de montagne.
Retrouvez sur l'espace Données&Produits les données et indicateurs de la nouvelle version SIM2-2024.
Le chaîne SIM2 version 2021 a été mise en oeuvre sur la grille France de résolution 8km, avec une prise en compte du relief moyen à cette résolution à 8km, et une seule simulation par maille à cette altitude moyenne pour représenter tout la maille.
Afin d'améliorer la prise en compte de la variabilité sous maille du relief notamment sur les zones de montagne, la version SIM2-2024 fait intervenir une filière dite "montagne". Cette filière "montagne" identifie 3878 mailles parmi les 9892 de la grille pour lesquelles le relief varie fortement (voir figure 6), et sur lesquelles on réalise plusieurs simulations Surfex à différentes altitudes. Ces simulations permettent de prendre en compte les processus qui ont lieu aux différentes altitudes réellement présentes dans la maille, notamment les processus hydrologiques liés à la neige. Ces simulations aux différentes altitudes dans chaque maille sont enfin moyennées (avec une pondération dépendant de la surface de la maille à chaque altitude) afin d'obtenir une unique simulation pour cette maille. Cette version permet notamment une simulation beaucoup plus pertinente des débits dans les zones de montagne où les régimes hydrologiques des cours d'eau sont influencés par la neige.
HABETS , F. et al. (2008). « The SAFRAN-ISBA-MODCOU hydrometeorological model applied over France ». In : Journal of Geophysical Research 113, p. D06113. DOI : 10.1029/2007JD008548.
LE MOIGNE , P. et al. (2020). « The latest improvements with SURFEX v8.0 of the Safran–Isba–Modcou hydrometeorological model for France ». In : Geosci. Model Dev. 13, p. 3925-–3946. DOI : 10.5194/gmd-13- 3925-2020.
QUINTANA SEGUÍ , P. (2008). « Simulation hydrologique en région méditerranéenne avec SAFRAN-ISBA-MODCOU. Amélioration de la physique et évaluation des risques dans le cadre du changement climatique ». Université Paul Sabatier - Toulouse III. Thèse de doct., p. 205.