Multi-scale evaluation of the energy and water balance of the ORCHIDEE model on Siberia and response to climate change
Description
The natural evolution of the climate, disturbed since the industrial revolutions, is strongly marked in the high latitudes especially in Siberia where a temperature anomaly of +0.8 C has been observed since the 2000's against an average anomaly of + 0.4 C for The mid-latitudes. Siberia is covered by permafrost, giving it particularities, especially for the hydrological regimes of rivers. Climatic projections predicting up to +5 C warming by 2100, it is essential to evaluate their impacts. Physical-based numerical modeling is an interesting tool to answer these questions. Thus, in order to evaluate the hydrological response to climate change in Siberia we worked on the multi-scale evaluation of energy and water balances with the ORCHIDEE model. This model was adapted to the characteristics of cold environments, with an improvement of the representation of the snow, a consideration of the freezing of the soil water and a map of vegetation more representative of the Siberian vegetation. An evaluation in forced mode i.e. without coupling with the atmosphere was carried out initially. Thus, we evaluated ORCHIDEE at the present time (1979-2009) at the site scale, concentrating on the soil moisture and soil temperature data available. A sensitivity analysis of the model allowed to identify the most influential parameters on the balance of energy and water in the soil. Their on-site calibration allowed to show that the ORCHIDEE model is able to correctly simulate the vertical transfers of heat and water and the resulting water and soil temperature contents. We then extended the evaluation to the Siberian region by comparing simulation results with remote sensing data, allowing an evaluation over a substantial time series and over a large area. We collected a large number of observations such as albedo data, water equivalent for snow..., on which we compared the simulation results. This work allowed to show that the model simulates satisfactorily the energy and water balance in Siberia, but also to highlight the importance of the choice of climatic forcing. Thus, the use of a second climatic forcing enabled to show the importance of rain/snow partitioning and the possible underestimation of precipitation in forcing. The validated model was then used to carry out impact studies, using 2 climatic forcings on the future time (2005 to 2099) under scenario of emission of greenhouse gases RCP8.5. Thus, we were able to evaluate the variability related to forcing and the impact of climate change on the variables of energy and water balance. A boundary around latitude 60 degrees N has been defined in the analysis of future precipitation and chosen to orient our analysis in two zones on either side of the boundary. We analyzed the seasonal cycles of the surface variables allowing us to highlight the impacts of global warming in relation to the increase in the air temperature and their spatial differences. We have shown that the melting of the snowpack is earlier in the South and generates a temporal advance of the spring flood peak for the Lena and the Amur. On the Ob and Yenisei, changes have also been shown (a decrease in flow over time for the Ob and an increase for the Yenisei, without any change in temporal phasing), which could lead to socio-economic impacts important for local populations. This study also allowed us to show that the new climatic conditions are more favorable to vegetation. We also showed the coherence of the two climate projections studied. (author)
Abstract (French)
L'evolution naturelle du climat, perturbee depuis les revolutions industrielles, est fortement marquee dans les hautes latitudes en particulier en Siberie ou une anomalie de temperature de +0.8 C est constatee depuis les annees 2000 contre une anomalie moyenne de +0.4 C pour les moyennes latitudes. La Siberie est couverte par des pergelisols lui conferant ainsi des particularites, notamment pour les regimes hydrologiques des rivieres. Les projections climatiques predisant jusqu'a un rechauffement de l'ordre de +5 C d'ici 2100, il est primordial d'en evaluer les impacts. La modelisation numerique a bases physiques s'avere etre un outil interessant pour repondre a ces questions. Ainsi, afin d'evaluer la reponse hydrologique au changement climatique en Siberie nous avons travaille sur l'evaluation multi-echelles des bilans d'energie et d'eau avec le modele ORCHIDEE. Ce modele a ete adapte aux caracteristiques des milieux froids, avec une amelioration de la representation de la neige, une prise en compte du gel de l'eau du sol et une carte de vegetation plus representative de la vegetation siberienne. Une evaluation en mode force i.e. sans couplage avec l'atmosphere a ete menee dans un premier temps. Ainsi, nous avons evalue ORCHIDEE au temps present (1979-2009) a l'echelle du site en nous concentrant sur les donnees d'humidite et de temperature du sol dont nous disposions. Une analyse de sensibilite du modele nous a permis d'identifier les parametres les plus influents sur les bilans d'energie et d'eau dans le sol. Leur etalonnage sur sites nous a permis de montrer que le modele ORCHIDEE est capable de simuler correctement les transferts verticaux de chaleur et d'eau et les contenus en eau et temperatures du sol resultants. Par la suite nous avons etendu l'evaluation a la region de la Siberie en confrontant nos resultats de simulation a des produits satellitaires, permettant une evaluation sur une serie temporelle consequente et sur une grande zone. Nous avons rassemble un grand nombre d'observations telles que des donnees d'albedo, d'equivalent en eau pour la neige.., auxquelles nous avons compare nos resultats de simulation. Ce travail nous a permis de montrer que le modele simule de facon satisfaisante les bilans d'energie et d'eau en Siberie, mais aussi de mettre en avant l'importance du choix du forcage climatique. Ainsi, l'utilisation d'un second forcage climatique nous a permis de montrer l'importance du partitionnement pluie/neige ainsi que la sous-estimation possible des precipitations dans les forcages. Le modele valide a ete utilise ensuite pour mener des etudes d'impacts, en utilisant 2 forcages climatiques sur le temps futur (2005 a 2099) sous scenario d'emission des gaz a effet de serre RCP8.5. Ainsi nous avons pu evaluer la variabilite liee au forcage et l'impact de l'evolution du climat sur les variables des bilans d'energie et d'eau. Une limite autour de la latitude 60 degres N a ete definie lors de l'analyse des precipitations futures et choisie pour orienter notre analyse selon deux zones de part et d'autre de la limite. Nous avons analyse les cycles saisonniers des variables de surface nous permettant de mettre en evidence les impacts du rechauffement climatique en lien avec l'augmentation de la temperature de l'air et leurs differences spatiales. Nous avons montre que la fonte du manteau neigeux est plus precoce au Sud et engendre une avance temporelle du pic de crue de printemps pour la Lena et l'Amour. Sur l'Ob et le Ienissei, des changements ont ete aussi montres (une diminution du debit au cours du temps pour l'Ob et une augmentation pour le Ienissei, sans changement de phasage temporel), qui pourraient conduire a des impacts socio-economiques importants pour les populations locales. Cette etude nous a egalement permis de montrer que les nouvelles conditions climatiques sont plus favorables a la vegetation. Nous avons montre aussi la coherence des deux projections climatiques etudiees. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Evaluation multi-echelles des bilans d'energie et d'eau du modele ORCHIDEE sur la Siberie et leur reponse a l'evolution du climat
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 158 p.
- Report number
- FRCEA-TH--10283
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51119917
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ATMOSPHERIC PRECIPITATIONS; CLIMATIC CHANGE; COMPUTERIZED SIMULATION; ENERGY BALANCE; GREENHOUSE GASES; HUMIDITY; HYDROLOGY; PERMAFROST; SENSITIVITY; SIBERIA; SOILS; SURFACES; TUNDRA
- Descriptors DEC
- ASIA; EASTERN EUROPE; EUROPE; MOISTURE; RUSSIAN FEDERATION; SIMULATION
Optional Information
- Notes
- 147 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses