Paramétrisation de la dynamique lacustre dans un modèle de surface couplé pour une application à la prévision hydrologique à l’échelle globale

• Main Author: Guinaldo, Thibault
• Other Authors: Toulouse, INPT, Boone, Aaron, Le Moigne, Patrick
• Format: Thesis
• Language: French
• Published: 2020
• Subjects: Hydrologie continentale; Modélisation hydrologique; Continuum rivière-lac; Echelle globale; Bilan de masse; Continental hydrology; Hydrological modelling; River-lake connectivity; Global scale; Mass balance; Hydrographes; Rhone; Arctique*
• Online Access: http://www.theses.fr/2020INPT0125/document

L'hydrologie continentale s'intéresse à tous les aspects du cycle de l'eau des terres émergées et représente les flux de masse d'eau qui sont échangées. Que ce soit dans le sous-sol, au sein des lacs ou dans le brassage continu des torrents, l'eau et les processus hydrologiques associés entretiennent un lien direct avec la dynamique atmosphérique et la variabilité climatique. La représentation, à l'échelle globale, de ces processus hydrologiques s'appuie sur des techniques de modélisation qui, au CNRM, passent par un système couplé composé du modèle de surface ISBA et du modèle de routage en rivière CTRIP. Ces dernières années, les progrès réalisés sur les paramétrisations existantes et la représentation des nouveaux processus dans ISBA comme dans CTRIP ont abouti à une nette amélioration des performances de ce système pour des applications hydrologiques régionales ou globales couplées avec un modèle de climat. Dans la continuité de ces efforts, l'objectif principal de cette thèse est de développer une paramétrisation dynamique des lacs pour intégrer leur bilan de masse dans le modèle global CTRIP à 1/12°. Par ailleurs, le modèle développé, MLake, propose un diagnostic sur le marnage des lacs afin de permettre le suivi du niveau d'eau basé sur des mesures satellitaires. Bénéficiant d'un réseau de mesures dense et de forçages climatiques à haute résolution, le bassin versant du Rhône a été choisi pour évaluer localement MLake sur la période 1960-2016. Les résultats sur trois stations de jaugeages montrent une progression nette des performances de CTRIP dans la simulation des débits du Rhône aboutissant à un lissage des hydrographes qui se caractérise par un écrêtement des débits de crues et un soutien à l'étiage. Par ailleurs, la confrontation du diagnostic sur les niveaux d'eau du Léman avec des mesures locales révèle une capacité du modèle à suivre les cycle annuels et inter-annuels du marnage. Une deuxième évaluation s'est ensuite portée à l'échelle globale pour confirmer le comportement du modèle dans des conditions hydroclimatiques contrastées. Cette évaluation confirme la capacité du modèle à simuler des débits réalistes mais révèle la perturbation importante du cycle hydrologique naturel par l'anthropisation. Enfin les résultats préliminaires d'une simulation globale démontre l'intérêt d'utiliser MLake avec une amélioration systématique des scores dans les zones de grande densité lacustre. Ainsi, 45% des stations évaluées, principalement dans les régions arctiques, présentent une amélioration des scores statistiques. Enfin, cette étude engage une réflexion sur les perspectives d'améliorations du modèle, notamment la mise en place d'une bathymétrie de lac à l'échelle globale, en vue d'un couplage avec un modèle de climat et de l'utilisation des données de la future mission spatiale SWOT The water cycle encompasses the main processes related to mass fluxes that influence the atmosphere and climate variability. More specifically, continental hydrology refers to the water transfer occurring at the land surface and sub-surface. Modelling is one of the main methods used for the representation of these processes at regional to global scales. The land surface model system used in this thesis is composed of the ISBA land surface model coupled to the river routing model TRIP that combines the CNRM’s latest developments for use in stand-alone hydrological applications or coupled to a climate model. This PhD is focused on the development and evaluation of lake mass-balance dynamics and water level diagnostics using a new non-calibrated model called MLake which has been incorporated into the 1/12° version of the CTRIP model. Simulated river flows forced by high resolution hydrometeorological forcings are evaluated for the Rhone river basin against in situ observations coming from three river gauges over the period 1960-2016. Results reveal the positive contribution of MLake in simulating Rhone discharge and in representing the lake buffer effects on peak discharge. Moreover, the evaluation of the simulated and observed water level variations show the ability of MLake to reproduce the natural seasonal and interannual cycles. Based on the same framework, a final evaluation was conducted in order to assess the value of the non-calibrated MLake model for global hydrological applications. The results confirmed the capability of the model to simulate realistic river discharges worldwide. At 45% of the river gauge stations, which are mostly located within regions of high lake density, the new model resulted in improved simulated river discharge. The results also highlighted the strong effect of anthropization on the alterations of river dynamics, and the need for a global representation of human-impacted flows in the model. This study has lead to several future perspectives, such as the incorporation of a parametrization of lake hypsometry for use at global scale. The implementation of such developments will improve the representation of vertical water dynamics and facilitate both the coupling of MLake within the CNRM earth system model framework and the future spatial mission SWOT for improved future global hydrological and water resource projections.