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Précipitations dans les Andes tropicales : analyse spatio-temporelle, inter-comparaison de forçages et impacts dans un modèle glacio-hydrologique

par RABATEL Antoine - 27 janvier 2016 - ( maj : 27 janvier 2016 )

Mieux documenter la variabilité spatio-temporelle des variables météorologiques utilisées en entrée des exercices de modélisation des processus et du fonctionnement hydro-glaciologique des bassins versants à composante glaciaire est un pré-requis nécessaire. Il est d’autant plus important dans les régions de montagnes où les gradients sont extrêmement marqués et se combinent avec une cyclicité à différentes échelles de temps (journalier, saisonnier, annuel, décennal). On s’intéresse ici aux précipitations, dans un contexte tropical avec le travail réalisé sur le bassin versant du Rio Santa dans les Andes du Pérou dans le cadre de la thèse de doctorat soutenue par Lise Mourre le 10 décembre 2015, réalisée au sein de l’équipe CYME (LTHE, LGGE) sous la direction de Thomas Condom (IRD, LTHE) et Christian Vincent (CNRS, LGGE). Cette thèse a bénéficié du soutien du laboratoire mixte international GREAT-ICE et du Labex OSUG@2020 (Investissements d’avenir ANR10 LABX56).

Le changement climatique global participe à la redistribution des ressources en eau à l’échelle de la planète. Les impacts sont particulièrement notables en région de montagne où les gradients de précipitations et de températures sont très importants. Dans les régions tropicales de hautes altitudes, au sein desquelles la variabilité spatiale des précipitations est forte, l’estimation de cette variable sur une large gamme d’échelles d’intérêt pour les climatologues, météorologues et hydrologues est un défi. La modélisation glacio-hydrologique a pour but de comprendre les processus observés actuellement pour avoir la capacité de donner des réponses sur les évolutions possibles des écoulements qui seront causés par un changement climatique et une évolution des activités anthropiques. L’enjeu d’une telle modélisation, en zone de montagne tropicale, est de reproduire non seulement l’évolution saisonnière du débit, mais aussi l’évolution annuelle et pluri-annuelle des zones englacées. Cependant, ce type d’étude reste limité par la régionalisation des variables météorologiques. Durant l’année hydrologique 2012/2013, trois types de produits de précipitations (mesures de terrain, données satellitaires, sorties de modèle climatique régional (MCR)) sont tout d’abord comparées sur le bassin versant du Rio Santa au Pérou (figure 1), d’une superficie de 10 400 km², dont 3,3 % est englacée ; l’impact de ces différentes variables de forçage sur les sorties d’un modèle glacio-hydrologique semi-distribué est par la suite évalué.

Le produit satellite est celui de TRMM3B42 ; les sorties du MCR sont celles de WRF, à trois résolutions imbriquées : 27, 9 et 3 km ; les données journalières de précipitations sont interpolées en utilisant un algorithme de krigeage avec dérive externe (KED), en appliquant l’altitude ou bien les cumuls annuels des sorties de WRF comme dérive externe. Les sorties de WRF surestiment fortement les cumuls annuels, comparées aux produits TRMM ou KED. La physique du modèle permet cependant d’avoir un produit qui restitue correctement les cycles temporels saisonnier et journalier des précipitations. Le produit satellitaire TRMM montre des erreurs dans la saisonnalité des précipitations au niveau des pixels englacés et une surestimation des cumuls en saison sèche, ce qui en fait un produit qui n’est pas représentatif des champs de précipitations en zone de montagne. Les produits de krigeage sont de bons interpolateurs des précipitations à une résolution de 3 km. L’utilisation de l’altitude, comme dérive externe, entraîne une augmentation des précipitations jusqu’aux plus hauts sommets de la Cordillère Blanche ; l’utilisation des cumuls de WRF bénéficie de la prise en compte de la physique atmosphérique du modèle pour correctement représenter les précipitations orographiques (figure 2). Malgré une forte surestimation des volumes précipités, la modélisation climatique fournit, pour des zones de topographie complexe peu échantillonnées, des informations essentielles sur la temporalité et la distribution spatiale des précipitations. Les mesures in situ restent cependant essentielles pour estimer les précipitations en termes de quantités et développer des méthodes d’interpolation ou de correction des sorties de modèle atmosphérique.

La modélisation glacio-hydrologique est réalisée avec l’outil DHSVM-GDM, incluant une représentation des zones englacées et de la dynamique glaciaire. La force de cet outil est de pouvoir évaluer l’ensemble des composantes du bilan en eau, à différents pas de temps. Calibré sur les débits journaliers à quatre exutoires au sein du bassin versant du Rio Santa (figure 1), le modèle DHSVM montre de bons résultats, avec des KGE supérieurs à 0,79 (figure 3).

Cependant, il reste difficile de représenter correctement à la fois les zones glaciaires et les zones non englacées sur un bassin versant tel que celui du Rio Santa. L’utilisation de différentes variables de forçage montre qu’une étude approfondie sur la variable de précipitations est nécessaire en amont de toute modélisation glacio-hydrologique pour simuler les zones de hautes altitudes, impactant les résultats de la modélisation en terme de perte en volume glaciaire.

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