variabilité interannuelle et tendances. Comparaison aux ... - LMD

20 CHAPITRE 2. LES BASES THÉORIQUES ET LES OUTILS INFORMATIQUES
Manabe (1969) est le premier à avoir considéré les échanges hydriques et énergétiques entre
les surfaces continentales et l’atmosphère en utilisant le modèle Bucket. Bucket, inventé par
Budyko (1956), est un modèle à une couche. Il considère le sol comme un réservoir profond de
1 m. Le sol se remplit lorsque les précipitations sont supérieures à l’évaporation. La capacité
maximale de l’eau dans le sol vaut 150 kg m −2 , correspondant à une hauteur maximale de 150
mm dans le réservoir. Les processus de diffusion de l’eau dans le sol ne sont pas pris en compte
dans ce type de modèle, et la représentation de l’évaporation en est affectée. Le fait de considérer
une seule couche dans le sol ne permet pas à l’évaporation simulée de réagir rapidement à un
événement pluvieux. Le ruissellement se déclenche lorsque l’humidité totale du sol dépasse la
valeur maximale (150 kg m −2 ).
Le modèle Bucket de Manabe est le premier à avoir fermé le cycle de l’eau à la surface des
continents, et sa simplicité a promu son application dans un grand nombre de MCG (Arakawa,
1972 ; Hansen et al., 1983 ; Mitchell and Warrilow, 1987). Ce modèle présente cependant des
inconvénients majeurs, qui ont conduit au développement de modèles plus complexes.
Le premier inconvénient du modèle Bucket est qu’il ne peut pas reproduire la variabilité
temporelle à court terme de l’évaporation, du fait de la profondeur importante de son réservoir
de sol (Dickinson and Handerson-Sellers, 1988 ; Mahfouf et al., 1996). Ceci a entraîné le développement
de modèles de sol à plusieurs couches, chacune correspondant à un réservoir de
profondeur inférieure à celle du réservoir unique de Manabe (Deardorff, 1977 ; Choisnel, 1977 ;
Dickinson, 1984 ; Xue et al., 1991). L’augmentation des couches de sol permet de représenter les
mouvements verticaux de l’eau dans le sol par l’équation de diffusion de Darcy (1856) :
Q = −K s A ∆H L
(2.5)
où Q (m 3 s −1 ) est le flux d’eau écoulé à travers la colonne de sol, K s (m s −1 ) est la conductivité
hydraulique à saturation, A (m 2 ) est la surface de la section, ∆H (m) est la perte de charge
hydraulique, L (m) est la longueur de la colonne.
Afin de minimiser le temps de calcul informatique, les modèles "multi-couches" se limitent
souvent à pas plus de trois ou quatre couches dans le sol. Pourtant, la forte non-linéarité de l’équation
de Darcy existe (de Rosnay, 1999). Blyth and Daamen (1997) ont montré que l’utilisation
d’une résolution grossière pour résoudre l’équation de Darcy introduit des erreurs numériques
importantes. C’est pourquoi, de Rosnay (1999), de Rosnay et al. (2000) ont introduit une méthode
numérique complexe qui permet de résoudre ce problème.
Le second inconvénient du modèle de Manabe est qu’il ne prend pas en compte la végétation.
Parallèlement à l’augmentation du nombre de couches dans le sol, les modèles récents
comme SECHIBA (Ducoudré et al., 1993), SiB (Simple Biosphere) (Sellers et al., 1986), BATS
(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) (Dickinson et al., 1993), ISBA (Interactions between
the Soil-Biosphere-Atmosphere) (Noilhan and Planton, 1989) représentent explicitement le rôle
de la végétation dans les échanges hydriques et énergétiques entre les surfaces continentales et
l’atmosphère.