mémoire - Centre National de Recherches Météorologiques

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2.2. Ma contribution au modèle ISBA
Le modèle ISBA a été essentiellement développé au sein de l’équipe MC2 du Groupe de
Modélisation à Méso-Echelle. Son introduction dans les modèles atmosphériques globaux Emeraude
puis Arpège a été une longue épopée semée d’embûches, dont il serait trop long et surtout trop risqué
de dresser ici l’historique. Mentionnons simplement les contributions essentielles d’H. Giordani, d’A.
Manzi, et surtout de J-F. Mahfouf qui a finalisé la mise en œuvre du schéma ISBA (on ne parlait pas
encore de modèle) au sein du modèle Arpège-Climat (Mahfouf et al. 1995). A côté de ces pionniers,
bien d’autres ont participé au développement et à la calibration du modèle ISBA. C’est ma modeste
contribution à cet effort collectif que je veux ici présenter. Elle repose d’une part sur ma thèse effectuée
sous la direction de J-F. Royer, d’autre part sur la thèse de B. Decharme que j’ai dirigée de 2003 à
2005 après avoir obtenu un financement de l’ACI « Observation de la Terre ».
2.2.1. Paramétrisation simplifiée du manteau neigeux
Lorsque j’ai amorcé ma thèse au CNRM en 1993, la neige était représentée de manière très
sommaire dans le schéma de surface ISBA développé par Noilhan et Planton (1989). La
paramétrisation comportait une seule variable historique, la masse ou contenu équivalent en eau du
manteau neigeux, dont l’évolution était régie par les trois contributions classiques que sont les
précipitations solides, la sublimation et la fonte. Les propriétés thermiques spécifiques à la neige étaient
ignorées. L’albédo de la neige était fixé à 0.70. Dans chaque maille continentale, une fraction empirique
de couverture neigeuse était diagnostiquée en fonction de la masse de neige, afin de pondérer
l’influence de la neige sur la valeur moyenne de l’albédo, la rugosité et l’humidité en surface. Enfin, le
terme de fonte était diagnostiqué à posteriori, c’est à dire après avoir résolu le bilan d’énergie sans tenir
compte de la fonte, en supposant que la température moyenne de la maille ne pouvait excéder le seuil
de 0°C en présence de neige.
A l’époque, des paramétrisations plus ambitieuses commençaient à voir le jour (Loth et al.
1993, Lynch-Stieglitz 1994) incluant un bilan d’énergie spécifique et une résolution explicite de la
conduction de chaleur au sein du manteau neigeux grâce à une discrétisation sur 3 à 5 couches. J’ai
cependant fait le choix (avais-je alors les moyens d’être plus ambitieux ?) de conserver la philosophie
initiale du schéma ISBA, à savoir l’unicité du bilan d’énergie en surface et le maintien d’un nombre limité
de variables pronostiques et de paramètres empiriques. Je me suis surtout attaché à rendre compte de
manière plus complète et plus explicite des propriétés physiques originales de la neige, en m’inspirant
notamment du schéma CLASS développé au Canada (Verseghy 1991). Un albédo pronostique a
d’abord été introduit afin de faire diminuer l’albédo en fonction de l’âge de la neige, selon un taux
linéaire en période froide et un taux exponentiel en période de fonte. Une équation pronostique pour la
densité a également été mise en oeuvre, selon laquelle la densité de la neige fraîche augmente
exponentiellement par métamorphisme et compaction pour atteindre une valeur maximale de 0.3 au
bout de quelques jours. A chaque pas de temps, la densité moyenne du manteau neigeux est ainsi
fonction des précipitations et de l’évolution de la densité du manteau neigeux déjà présent en surface.
Cette densité moyenne intervient alors dans le calcul de la capacité calorifique et de la conductivité
thermique de la neige, et ainsi dans le calcul du coefficient thermique moyen qui dans ISBA relie les flux
d’énergie en surface à une variation de la température (Noilhan et Planton 1989). Enfin, le taux de fonte
a été modifié afin de permettre à la température de surface de dépasser le seuil de 0°C en présence
d’un enneigement partiel de la maille, et ainsi de simuler un réchauffement plus progressif pendant la
période de fonte.