Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan...
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Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau
en Afrique de l'Ouest
Directeur de thèse: Jan Polcher
Tristan d'Orgeval
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Introduction: variabilité climatique passée
Source: IPCC-TAR (2001). Intergovernemental Panel for Climate Change-Third Assessment ReportGroupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC)
Tendance des précipitations sur le globe au cours du XXe siècle
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Introduction: variabilité des débits
Anomalies relatives (%) de précipitations et de débits pour le bassin du Niger
(700 000km2)
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Introduction: changements d'usage des sols
Source: Sterling and Ducharne, 2006
Carte de végétation actuelle
Carte de végétation « potentielle »
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Introduction: Objectif de la thèse
Quelle sera la tendance future des précipitations liée à l'augmentation des gaz à effet de serre?
Quels sont les impacts relatifs des changements d'usage des solset de pluviometrie au cours des 50 dernières années?
Quels sont les processus de surface clés qui expliquent l'amplification du signal des précipitations à l'échelle des grands bassins versants?
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Introduction: Plan de l'exposé
I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes
II. Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface
III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique
Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest
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Introduction: Plan de l'exposé
I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes
II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface
III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique
Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest
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Méthode d'analyse de simulations couplées
Schéma d'un Modèle de Circulation Générale Couplé (CGCM)
Discrétisation à une échelle entre 1,5° et 5°
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Simulations couplées:- CMIP2 (18 mod.)- IPCC-AR4 (23 mod)
Simulations Niveau de Gaz à Effet de Serre
- 20c3m: XXe siècle- sresA2: Forte augmentation- sresA1B: Augmentation- sresB1: Faible augmentation
- picntrl: Pré-industriels- 1pctto2x: CO
2 augmente 1%/an
Nécessité d'établir une mesure simple et robuste
Méthode d'analyse de simulations couplées
Simulations couplées utilisées pour les analyses du changement climatique
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Méthode d'analyse de simulations couplées
Diagrammes Hovmöller (latitude/temps) de précipitations entre 5W et 5E pour 1979-2000
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Diagnostics:
Précipitation en JAS 1979-1984 (CMAP)
LLAT
LON
G
Caractérisation des pluies
Latitude du barycentre
Longitude du barycentre
Largeur de la bande
Intensité moyenne
Méthode d'analyse de simulations couplées
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Climatologie de la latitude du barycentre (20C et CMAP)
Méthode d'analyse de simulations couplées
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Impact du changement climatique sur la latitude du barycentre
Signal et incertitudes
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Consensus:
- Bande de précipitations moins large
- Pluies plus intenses dans cette bande
- Retrait tardif de la mousson
Conclusion
Signal et incertitudes
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Incertitudes:
- Nouveaux constrastes de températures de mer (SST) en début de saison
- Opposition entre réchauffement moyen des océans et réchauffement des continents en milieu de saison
- Pas de lien entre qualité des simulations de contrôle etaccord sur le changement climatique
Conclusion
Signal et incertitudes
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Introduction: Plan de l'exposé
I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes
II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface
III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique
Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest
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LSM
P
RI
D
T Es
HLHS
HG
RoutRLW+RSW
Schéma de fonctionnement d'un Modèle de Surface (LSM)
Présentation d'ORCHIDEE
Une maille de 1°x1°
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Module hydrologique de de Rosnay (1999) CWRR
- Discrétisation de l'équation de Fokker-Planck (diffusion) sur 11 couches
- Profil racinaire à décroissance exponentielle à partir de la surface
- Plusieurs bilans hydrologiques sous-maille pour différents types de sol
Présentation d'ORCHIDEE
Le module hydrologique de Choisnel (Ducoudré et al., 1993) est encore utilisé par défaut dans ORCHIDEE
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ek
2
Evaporation
Infiltration
4 KR
max
3
pmax
5 z
s
zlim
- Intégration temporelle sous-pas de temps de l'infiltration et de l'évaporation: 1
- Prise en compte du sol sous végétation dans l'évaporation du sol nu: 2
- Variabilité sous-maille de l'infiltration en fonction: de la pente 3
des racines 4
de la profondeur du sol: 5
Principales améliorations d'ORCHIDEE
Présentation d'ORCHIDEE
1
1
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Principales améliorations d'ORCHIDEE
Présentation d'ORCHIDEE
Représentation plus fine des processus sous-pas de temps (d'infiltration et d'évaporation)
Introduction de la variabilité sous-maille de plusieurs paramètres
La nouvelle version de référence est appelée CWRR5
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Ancien module de routageSOL
P
RI
B B’
D
B (SB)B’
R
D
QinQ1
out
Q2out
Q3out
Qout = Q’in
E
Routage
Hydrologie
V1
V2
V3
Schéma de routage des fleuves d'ORCHIDEE
Présentation d'ORCHIDEE
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Nouveau module de routage (fp et mares)
P
B’Qin Q1out Qout = Q’in
Routage
Hydrologie
V1
Qfpin
Sfp,Vfp
Qfpout
Epot
V2
V3
Sfp,Vfp
Plaines d'inondations
Présentation d'ORCHIDEE
Q2out
Q3out
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Carte des surfaces interceptées par 8 stations de débits de fleuves Africains (d'après ORCHIDEE)
Présentation d'ORCHIDEE
Malanville
Bamboi
Koulikoro
Edea
Kinshasa
Dongola
Chiromo
Luug
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Estimation des incertitudes avec ORCHIDEE
Incertitudes induites par le forçage
- Forçage atmosphérique NCC * (1949-2002)
- Utilisation d'un schéma de routage des fleuves (pas de temps de 1 jour)
- Validation directe des débits simulés+ Comparaison à des observations de débits+ Choix de 2 couples d'années resp. humides (54-55) et sèches (71-72)
Objectifs: Tester la sensibilité à la végétation et aux données de précip. utiliséesComparer à l'erreur moyenne entre débits observés et simulés
Impact d'un changement de carte de végétation actuelle et d'un changement des données pluviométriques du forçage (CRU-IRD) sur les débits simulés?
*NCC: NCEP Corrected by CRU, Ngo-Duc et al. 2005.
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Erreurs et Incertitudes liées au forçage dans les simulations d'ORCHIDEE
Incertitudes induites par le forçage
KoulikoroNiger
MalanvilleNiger Kinshasa
Congo
DongolaNil Bamboi
Volta
EdeaSanaga
Luug JubbaChiromo
Shire
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Carte mondiale des eaux de surface
Rôle des eaux de surface
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Nouveau module de routage (fp et mares)
P
B’Qin Q1out Qout = Q’in
Routage
Hydrologie
V1
Qfpin
Sfp,Vfp
Qfpout
Epot
V2
V3
Sfp,Vfp
Plaines d'inondations et mares
R
RVp
Sp,
VpSp,PEpot
I
Rôle des eaux de surface
I
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Incertitudes liées aux eaux de surface dans les simulations d'ORCHIDEE
Rôle des eaux de surface
KoulikoroNiger
MalanvilleNiger Kinshasa
Congo
DongolaNil Bamboi
Volta
EdeaSanaga
Luug JubbaChiromo
Shire
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Incertitudes majeures:1. Les observations de précipitations utilisées 2. La carte de végétation uniquement sur quelques bassins3. La représentation des eaux de surface:
Pour les grands bassins: Les plaines d'inondations Pour les bassins arides: Les petites mares
Conclusion
Représentation des bassins versants
Améliorations d'ORCHIDEE:
- Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère.- Introduction de paramétristations pour différents types d'eaux de surface.
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Introduction: Plan de l'exposé
I. Modélisation du changement climatique a. Méthode d'analyse de simulations couplées b. Signal et incertitudes
II.Représentation du cycle de l'eau par bassin versanta. Présentation d'ORCHIDEEb. Incertitudes induites par le forçagec. Rôle des eaux de surface
III.Variabilité des débits de fleuves Africainsa. Interactions entre les échellesb. Usage des sols et changement climatique
Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest
![Page 31: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/31.jpg)
Variabilité des débits de fleuves Africains
Koulikoro-Niger D=1407 m3/s
S=120 000 km2
Aniassue-Comoe D=106 m3/s
S=67 000 km2
Illustration sur deux bassins guinéens de taille moyenne
Actuelle PotentielleVégétation
Actuelle PotentielleVégétation
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Interactions entre les échelles
Répartition de la précipitation sur 50 ans
![Page 33: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/33.jpg)
Interactions entre les échelles
- Forte corrélation entre précipitation et débit sur l'ensemble des bassins
- Lien entre précipitation et évaporation plus complexe à représenter
- Quelles autres caractéristiques que la précipitation moyenne interviennent?
![Page 34: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/34.jpg)
Interactions entre les échelles
Caractérisation des précipitations par événements (par jour et par maille): Nombre, Intensité des événements, Durée de la saison
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Interactions entre les échelles
Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle (corrélations et régression multi-linéaire)
Nombre d'événements
Précipitation totale
Evaporation totale
Durée de la saison Intensité des événements
+
++ -
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Interactions entre les échelles
Liens trouvés entre les caractéristiques et l'évaporation annuelle Conclusions
La variabilité interannuellle de E sur les grands bassins versants est liée aux caractéristiques petite échelle de la pluie
Ce lien implique l'importance:
- de la variabilité haute fréquence des précipitations du forçage
- des processus de petite échelle inclus dans le modèle:
à petite échelle temporelle (intégration sous-pas de temps de I et E)
à petite échelle spatiale (différentes variabilités sous-maille)
- des efforts futurs à porter sur la représentation des hétérogénéités
P = E + RP = ER
?
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Usage des sols et changement climatique
L'impact du partage à petite échelle de la pluie sur E etR pose 2 questions:
Quel est l'impact d'un changement d'usage des sols sur E etR ?
Est-il plus important que l'impact du changement de pluviométrie (P) ?
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Usage des sols et changement climatique
Représentation des anomalies de débits par ORCHIDEE
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Usage des sols et changement climatique
Les changements de pluviométrie permettent d'expliquer la majeure partie de la variabilité des débits de grands fleuves au cours des 50 dernières années
Ce résultat s'oppose à des études effectuées à petite échelle au Sahel(Séguis et al. 2004)
ORCHIDEE représente les deux périodes de manière similaire même si aucune évolution du changement d'usage des sols n'est prise en compte
Différence de représentation entre 1951-70 et 1971-90
Différences non significatives
Rapports entre débits simulés et observés
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Impact relatif des changements de pluviométrie et d'usage des sols sur 50 ans:
Les résultats impliquent un impact non significatif du changement d'usage des sols par rapport au changement de pluviométrie
Conclusion
Lien entre échelles dans ORCHIDEE:
- Importance des caractéristiques des événements pluvieux pour l'évaporationde grande échelle et donc pour la simulation des débits sur le long terme
- Nécessité d'un modèle qui prend en compte les phénomènes petite échelle
Variabilité des débits de fleuves Africains
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Conclusions
- Changement climatique - accord encore très faible sur:
Une mousson moins large, plus intense et retardée en fin de saison
- Les fleuves Africains - cycle de l'eau fortement dépendant de:
Précipitations reçues sur le bassin (moyennes ET variabilité haute fréquence)
Rôle des inondations dans les grands bassins et des mares dans les bassins arides
- Variabilité des débits de fleuves, pluviométrie et usage des sols:
Importance des paramétrisations de phénomènes de petite échelle
Impact non significatif de l'usage des sols par rapport à la pluviométrie
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Perspectives
- Changement climatiqueQuelles seront les mécanismes d'interconnections dans un climat futur?
- Processus de surface et impactsCollaboration entre petite et grande échelle (paramétrisation adaptées)Effort pour orienter les travaux dans cette directionALMIP (AMMA Land-surface Model Intercomparison Project)Construction d'un forçage de 50 ans à partir d'ERA40GSWP3 pour comparer les réponses de modèles sur 50 ans?
- ORCHIDEE Validation globale d'ORCHIDEEImpact des plaines d'inondations sur le cycle hydrologique du bassin du ParanaRétroactions entre processus hydrologiques et végétation (couplage avec STOMATE)
Rétroaction des plaines d'inondations sur l'atmosphère (couplage avec LMDZ)
Meilleure représentation des variabilités sous-maille, comme celle de la pluie
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Merci de votre attention
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Source: Vörösmarty et al., 2005
DIA/Q = relative water use
Stress:
Personnes en situation de stress hydrique dans les périodes de sécheresse
Introduction: sécheresse et vulnérabilité
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Signal et incertitudes
AGCM
Forçage:atmosphérique + océanique
Signal de ChangementClimatique
LSM
Sensibilité aux changements de:- SST moyenne globale- contrastes de SST- gaz à effet de serre (impact continental)
- Modèle atmosphérique (AGCM)- Modèle de surface (LSM)
Impact sur la pluviométrie simulée?
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Altitude (m) Type de sol
Fin
MoyenGrossier
Végétation potentielleVégétation actuelle
Modélisation de la surface à grande échelle
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Altitude (m) Type de sol
Fin
MoyenGrossier
Végétation potentielleVégétation actuelle
Modélisation de la surface à grande échelle
Equatoriale
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Altitude (m) Type de sol
Fin
MoyenGrossier
Végétation potentielleVégétation actuelle
Modélisation de la surface à grande échelle
Guinéenne
![Page 50: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/50.jpg)
Altitude (m) Type de sol
Fin
MoyenGrossier
Végétation potentielleVégétation actuelle
Modélisation de la surface à grande échelle
Sahélienne
![Page 51: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/51.jpg)
Altitude (m) Type de sol
Fin
MoyenGrossier
Végétation potentielleVégétation actuelle
Modélisation de la surface à grande échelle
Saharienne
![Page 52: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/52.jpg)
Répartition de la précipitation par latitude
Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*
* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM
Modélisation de la surface à grande échelle
Legende
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Répartition de la précipitation par latitude
Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*
* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM
Modélisation de la surface à grande échelle
Equatoriale
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Répartition de la précipitation par latitude
Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*
* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM
Modélisation de la surface à grande échelle
Guinéenne
![Page 55: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/55.jpg)
Répartition de la précipitation par latitude
Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*
* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM
Modélisation de la surface à grande échelle
Sahélienne
![Page 56: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/56.jpg)
Répartition de la précipitation par latitude
Sorties de la moyenne multi-modèles de GSWP2*
* Global Soil Wetness Project II (Dirmeyer et al., 2002): Projet d'intercomparaisons de LSM
Modélisation de la surface à grande échelle
Saharienne
![Page 57: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/57.jpg)
Impact des modifications par région
CWRR1: Modification du calcul de l'Infiltration et de l'Evaporation
CWRR2: + Evaporation du sol nu sous végétation
CWRR3: + Réinfiltration en cas de faibles pentes
CWRR4: + Impact des racines sur l'infiltration
CWRR5: + Impact de la profondeur du sol sur le type de sol et l'infiltration
CWRR5b: Test sur la résistance de structure de la canopée (bilan énergétique / feuille)
CWRR2
CWRR3 CWRR4
CWRR5
CWRR5b EvaporationInfiltration
Processus introduits dans ORCHIDEE
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Processus clés:
Région équatoriale: bilan d'énergie au niveau de la feuilleRégion guinéenne: infiltration avec la profondeur et les racinesRégion sahélienne: bilan d'énergie sous végétation, réinfiltration
Conclusion
Processus de surface
Amélioration d'ORCHIDEE:
Représentation plus explicite à petite échelle des processus intermédiaires dans les rétroactions surface-atmosphère.
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Incertitudes dans les simulations GSWP2
Incertitudes induites par les forçages
Modification du Forçage:atmosphérique + surface
Modification relative deRuissellement + Drainage
intégrés par bassin
LSM
Test de sensibilité validésur 8 bassins versants
Sensibilité relative de R+D au changement de forçage
![Page 60: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/60.jpg)
Incertitudes dans les simulations GSWP2
Incertitudes induites par les forçages
Modification du Forçage:atmosphérique + surface
Modification relative deRuissellement + Drainage
intégrés par bassin
LSM
Test de sensibilité validésur 8 bassins versants
Sensibilité relative de R+D au changement de forçage
Changement de carte de végétation (IGBP/UMD)
![Page 61: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/61.jpg)
Incertitudes dans les simulations GSWP2
Incertitudes induites par les forçages
Modification du Forçage:atmosphérique + surface
Modification relative deRuissellement + Drainage
intégrés par bassin
LSM
Test de sensibilité validésur 8 bassins versants
Sensibilité relative de R+D au changement de forçage
Changement de rayonnements (NCEP/SRB)
![Page 62: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/62.jpg)
Incertitudes dans les simulations GSWP2
Incertitudes induites par les forçages
Modification du Forçage:atmosphérique + surface
Modification relative deRuissellement + Drainage
intégrés par bassin
LSM
Test de sensibilité validésur 8 bassins versants
Sensibilité relative de R+D au changement de forçage
Changement de forçages atm. (ECMWF/GSWP) sauf P
![Page 63: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/63.jpg)
Incertitudes dans les simulations GSWP2
Incertitudes induites par les forçages
Modification du Forçage:atmosphérique + surface
Modification relative deRuissellement + Drainage
intégrés par bassin
LSM
Test de sensibilité validésur 8 bassins versants
Sensibilité relative de R+D au changement de forçage
Hybridation (ECMWF/GSWP) et correction des obs de P
![Page 64: Impact du changement climatique sur le cycle de l'eau en Afrique de l'Ouest Directeur de thèse: Jan Polcher Tristan d'Orgeval.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070309/551d9da5497959293b8d61b7/html5/thumbnails/64.jpg)
Usage des sols et changement climatique
Difficulté d'évaluer directement l'impact du changement de végétation
Forçage atmosphérique
VEG. 1VEG. 2
VEG. 2
Forçage atmosphérique(vent, humidité, temp.)
LSM
Forçage atmosphérique
LSM
Débits de fleuvesDébits de fleuves
LAI
Typede Sol
Recharge de réservoirs de «stockage»
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Usage des sols et changement climatique
Difficulte d'évaluer directement l'impact du changement de végétation
Il est nécessaire de:
- travailler avec des modèles couplés avec la végétation et l'atmosphère
- d'effectuer de nouveaux développements du LSM
Cette évaluation reste insatisfaisante à l'heure actuelle:
Les incertitudes dépassent largement l'amplitude de la réponse en terme de débit