Projet ANR-14-CE01-0018 – I-GEM : Impact des Eaux souterraines dans les modèles du système Terre
Programme : Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement (DS0101)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Agnès Ducharne (UMR 7619 METIS " Milieux Environnementaux ; Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols")
Partenaires : NTU Department of Atmospheric Sciences, National Taiwan University; Laboratoire public; Laboratoire public; Laboratoire public
Montant : 298272.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 60 mois
Résumé : Les eaux souterraines dans les modèles du système TerreLes eaux souterraines (ES) constituent 30% des ressources en eau douce, et sont soumises à des prélèvements croissants. Si elles sont assez proches de la surface, elles peuvent alimenter l’humidité des sols et soutenir l’évaporation, avec un impact possible sur le climat (températures, précipitation, persistance des événements extrêmes, amplitude du réchauffement régional).  Notre objectif est d’explorer, par la modélisation, les impacts des ES sur le climat régional et global, passé et futur.
Des enjeux importants pour la simulation du climat et des ressources en eauDe nombreuses études ont établi que l’humidité du sol augmente si l’on couple un modèle de surface continentales (LSM) à un module d’ES, grâce à la remontée d’eau profonde. Par contre, l’impact des ES sur le climat, y compris la variabilité spatio-temporelle des précipitations et de la température, est peu étudié. Ce projet se focalise sur l’importance des processus hydrologique de sub-surface pour el système climatique et sa prédictabilité, avec des implications pour la dynamique du cycle de l‘eau et les ressources en eau (qui se définissent par les stocks souterrains et le débit des cours d’eau qu’ils alimentent). De plus, la plupart des LSM ignorent les pressions anthropiques, dont les prélèvements d’eaux souterraines pour l’irrigation et les usages domestiques.Par conséquent, une description correcte des eaux souterraines dans les modèles de climat est une étape clé pour les transformer en vrais modèles du système Terre, permettant des études intégrées de l’impact des changements globaux sur les ressources en eau. Nous croyons que les recherches proposées permettront une meilleure connaissance des améliorations potentielles, ou au contraire des incertitudes supplémentaires, qui  accompagnent l’intégration des eaux souterraines dans les modèles de climat. Ces améliorations/incertitudes concernent le climat simulé lui-même (trajectoires passées et futures, couplages sol-atmosphère), mais aussi les ressources en eau simulées.
Un projet international basé sur la modélisationNotre consortium franco-taiwanais offre une opportunité unique de comparer la sensibilité du climat simulé à différentes paramétrisations des ES, dans 3 modèles climatiques différents : les modèles français de l’IPSL  et du CNRM-GAME , et le modèle américain CESM du NCAR, modifié et utilisé ici par l’équipe taiwanaise .  Le projet s’articule selon 4 taches scientifiques, qui seront abordées successivement, et qui reposent chacune sur des simulations particulières :T1. Sensibilité à des profondeurs de nappe fixe, pour identifier les patterns de la « profondeur de nappe critique », sous laquelle le climat régional n’est pas sensible à la présence d’une nappe.T2. Profondeur de nappe dynamique et climat récent, pour évaluer le potentiel de paramétrisations réalistes des ES à améliorer le climat simulé, avec une attention particulière envers les couplages surface/atmosphère, et la mémoire/persistance au sein du système Terre.T3. Profondeur de nappe dynamique et climat futur, avec deux questions complémentaires : (1) Quel est l’effet des ES sur l’évolution future du climat ? (2) Quel est l’impact du changement climatique sur les ressources en eau (qui incluent les ES) ?T4. Profondeur de nappe dynamique et prélèvements, qui augmentent artificiellement l’humidité par l’irrigation, avec des impacts potentiels sur le climat tant que les ressources en eau ne sont pas épuisées.Nous organiserons aussi deux workshops avec des experts internationaux de la modélisation et de l’observation des eaux souterraines aux grandes échelles, pour réfléchir sur les perspectives prioritaires pour l’intégration des eaux souterraines dans les modèles de climat.
Résumé de la soumission : Les eaux souterraines (ES) constituent 30% des ressources en eau douce, qui sont soumises à des prélèvements croissants. Là où elles sont suffisamment proches de la surface du sol, elles peuvent aussi alimenter l’humidité des sols et soutenir l’évapotranspiration, avec un impact possible sur le climat (en particulier températures et précipitation). Par leurs temps de résidence importants, elles peuvent aussi augmenter la « mémoire » du système Terre, avec des conséquences sur la persistance des événements extrêmes, la prévisibilité hydro-climatique, et le changement climatique anthropique, notamment l’amplitude du réchauffement régional. Notre objectif principal est d’explorer par la modélisation les impacts des ES sur le climat régional et global, et ses liens avec la disponibilité des ressources en eau. Dans ce cadre, notre consortium franco-taiwanais offre une opportunité unique de comparer la sensibilité du climat simulé à différentes paramétrisations des ES, dans 3 modèles climatiques différents : les modèles français de l’IPSL et du CNRM-GAME, et le modèle américain CESM du NCAR, modifié et utilisé ici par l’équipe taiwanaise.  Toutes les équipes ont l’expérience des projets d’intercomparaison internationaux, et elles  s’affirment comme des acteurs majeurs de la recherche sur les ES dans les modèles de climat :  l’équipe de l’IPSL et Min-Hui Lo sont pionniers dans l’analyse de la sensibilité du climat global simulé aux ES, alors que l’équipe du CNRM-GAME a obtenu des avancées significatives sur la paramétrisation des ES et de leur couplage aux cours d’eau et aux sols, à l’échelle globale.Le projet inclut deux tâches transversales : T0. Coordination ;  T5. Workshop internationaux ; et le programme de recherche est organisé selon 4 tâches scientifiques successives : T1. Sensibilité à une profondeur de nappe fixe, pour identifier les patterns de la « profondeur de nappe seuil », en deçà de laquelle le climat régional n’est pas sensible à la présence d’une nappe.T2. Profondeur de nappe dynamique et climat récent, pour évaluer le potentiel de paramétrisations réalistes des ES à améliorer le climat simulé, avec une attention particulière envers les couplages surface/atmosphère, et la mémoire/persistance au sein du système Terre.T3. Profondeur de nappe dynamique et climat futur, avec deux questions complémentaires : (1) Quel est l’effet des eaux souterraines sur l’évolution future du climat ? (2) Quel est l’impact du changement climatique sur les ressources en eau (qui incluent les ES) ?T4. Profondeur de nappe dynamique et prélèvements, qui augmentent artificiellement l’humidité par l’irrigation, avec des impacts potentiels sur le climat tant que les ressources en eau ne sont pas épuisées.I-GEM vise aussi à consolider le potentiel de la France et de Taiwan pour les recherches interdisciplinaires sur le cycle de l’eau global, en renforçant les liens entre ces deux pays, et en fédérant la communauté française (IPSL et CNRM-GAME). Nous ambitionnons aussi d’augmenter la visibilité des équipes françaises et taiwanaises, en développant des liens avec les leaders  européens et nord-américains de la modélisation des ES à l’échelle globale. Dans ce but, nous organiserons deux workshops internationaux sur le rôle des ES dans les modèles de climat, l’un à Taiwan et l’autre en France, en visant l’audience la plus large possible (T5).
Résultats : La tâche T1 nous a permis de proposer un nouveau diagnostic de la sensibilité de l’évapotranspiration à la profondeur de la nappe, appelé la profondeur de nappe critique, qui facilite la comparaison entre les modèles et entre les régions. Cette profondeur critique montre une grande similarité dans les trois modèles comparés dans le projet ; en particulier, elle est maximale dans les zones arides et semi-arides, où il est donc important que les modèles de climat simulent le lien entre les sols et les eaux souterraines profondes, en tout cas là où des aquifères existent.
Perspectives : Notre travail va améliorer la paramétrisation des eaux souterraines dans trois modèles de climat, et les rendre plus proches de vrais modèles du système Terre, ce qui permettra des études intégrées de l’impact des changements globaux sur les ressources en eau. Nous essaierons aussi de construire des indicateurs de l’impossibilité des eaux souterraines à soutenir les prélèvements, qui pourraient être très utiles pour élaborer des stratégies d’adaptation.
Publications et brevets : Ducharne, Lo, Decharme, Wang, Cheruy, Ghattas, Chien, Lan, Colin, Tyteca (2016). Groundwater-soil moisture-climate interactions: lessons from idealized model experiments with forced water table depth. Geophysical Research Abstracts, Vol. 18, EGU2016-8541, EGU General Assembly, Wien.