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Télédétection du manteau neigeux et modélisation de la contribution des eaux de fonte des neiges aux débits des oueds du haut atlas de Marrakech( Télécharger le fichier original )par Abdelghani Boudhar Université Cadi Ayyad - Doctorat National 2009 |
V.3.1.2 Etalonnage du modèle ISBA-ESLes différents prétraitements effectués pour préparer les données d'entrée du modèle ont été décrites dans les sections précédentes. Ces données sont: o La température de l'air, la vitesse du vent, le rayonnement solaire global incident et l'humidité de l'air sont mesurées à 2 m du sol dans la station pendant toute la période de 2003 à 2008. o Les hauteurs de neige sont mesurées pendant les périodes hivernales de 2003 à 2008. o Les précipitations neigeuses sont calculées à partir des hauteurs de neige. o Le rayonnement grandes longueurs d'onde émis par l'atmosphère calculé à l'aide de la formule de Brutsaert (1975) ( Équation ýV ). Cette équation a été retenue après l'avoir comparée avec d'autres formulations. Ces dernières supposent certaines hypothèses non vérifiées dans notre cas d'étude (Chaponnière, 2005). Les simulations d'étalonnage du modèle ISBA-ES ont été menées au cours de la saison 2007/2008, pendant laquelle des données in situ de densité sont disponibles. Dans un premier temps on a testé le modèle en reprenant les paramètres de neige par défaut (Boone, 2000). Ensuite on a varié les deux paramètres jugés sensibles, la rugosité (z0) du manteau neigeux et la valeur maximale de l'albédo. Etant donnée la latitude du site, une forte sensibilité de l'albédo sur les simulations est attendue. L'albédo est modélisé dans ISBA-ES suivant la méthode présentée par Douville et al. (Douville et al., 1995). Un taux de décroissance linéaire est utilisé pour la neige sèche et un taux de décroissance exponentielle est employé pour modéliser le métamorphisme d'humidification de la neige. Dès qu'un nouvel épisode neigeux a lieu, albédo de la neige tombée est celui d'une neige fraîche, donc un albédo maximal qui réfléchit quasiment l'intégralité du rayonnement incident. La fonction d'estimation de l'albédo est bornée par un albédo minimum de 0,5 et un albédo maximal de 0,85 (Douville et al., 1995). Cependant, ces deux bornes d'albédo sont variables d'un endroit à un autre, par exemple sur un site des Alpes (Boone and Etchevers, 2001) des mesures d'albédo supérieures au seuil maximal d'albédo ont été observées : l'albédo mesuré y a atteint 0,95. Dans le site de l'Oukaimden, les mesures de l'albédo pour les deux saisons 2004/2005 et 2005/2006 montrent que les valeurs minimales sont de 0.4 à la fin de chaque épisode de neigeux et les valeurs maximales peuvent atteindre 0.8, mais elles fluctuent généralement entre 0.7 et 0.8 et elles sont liées aux nouvelles neiges qui se déposent au début de chaque événement. La valeur de la rugosité du manteau neigeux (z0) reportée dans la littérature varie généralement entre 0.001 et 0.02m pour les surfaces très lisses et des surfaces rugueuses respectivement (Anderson, 1976 ; Moore, 1983 ; Morris, 1989). Cette rugosité dépend de la hauteur de végétation lorsque la surface est couverte. En haute montagne, sur sol nu, des phénomènes de turbulence importants peuvent néanmoins avoir lieu alors que la rugosité de surface est très faible. Ceci est dû au relief. Un modèle de bilan d'énergie appliqué en montagne est de ce fait systématiquement confronté au problème de la turbulence générée non pas par la rugosité de surface mais par le relief. Ainsi, c'est le paramètre z0 qui est modifié afin de prendre en compte cet effet du relief. Sur notre site (sommet sans végétation), la modification du paramètre de rugosité a un fort impact ( Figure ýV ). Dans les figures ( Figure ýV et Figure ýV ) les équivalents en eau simulés avec des valeurs maximales et minimales des deux paramètres (albédo et rugosité) sont présentés. Ces figures confirment la très grande sensibilité du modèle aux deux paramètres. Le Tableau ýV résume les statistiques des différentes simulations de sensibilité. On note ici que la meilleure restitution des équivalents en eau est obtenue avec un albédo maximal moyen sur toute la saison de 0.8 et une rugosité de 0.02m. Figure ýV- : Sensibilité du modèle ISBA-ES à la variation de la rugosité de neige en 2007/2008. Figure ýV- : sensibilité du modèle ISBA-ES à la variation de l'albédo de neige en 2007/2008.
Tableau ýV- : résultats des simulations de sensibilité d'ISBA-ES à l'albédo et de la rugosité en 2007/2008 Par la suite, l'évaluation du modèle pour l'ensemble des simulations des autres saisons est effectuée avec les valeurs de paramètres calibrés pour l'année 2007/2008. Les graphes de la Figure ýV illustrent les variations des équivalents en eau obtenues pour les quatre saisons (2003/2004, 2004/2005, 2005/2006 et 2007/2008) et le Tableau ýV résume les statistiques obtenues. Généralement le modèle reproduit bien les équivalents en eau (SWE) et les hauteurs pour les quatre saisons. Les erreurs (RMSE) calculées entre les SWE simulés et mesurés varient entre 50 mm en 2005/2006 et 19 mm en 2004/2005. Les coefficients de corrélation (R²) sont supérieurs à 0.86 pour toutes les saisons. A l'inverse des modèles simples de types degré jour, les processus hivernaux sont bien simulés par ISBA-ES. Les variations temporelles des SWE et les hauteurs sont sous estimées en fin de saison (après le mois d'avril) pour les deux saisons 2005/2006 et 2003/2004. Cette période de l'année est caractérisée par des températures de l'air élevées, et des hauteurs de neige faibles tombant souvent sur des sols nus. A cet effet, le modèle simule des fontes rapides des neiges, alors qu'au niveau de la station on a des neiges qui persistent. Ces dernières neiges sont dans la plupart du temps bloquées par le grillage autour de la station qui induit un artefact de mesure.
Figure ýV- : comparaison des variations des équivalents en eau annuelles simulés par ISBA-ES et observés à la station de l'Oukaimden.
Tableau ýV- : Performances des simulations des équivalents en eau obtenues par ISBA-ES Tous les processus internes au manteau neigeux, tels que l'absorption du rayonnement solaire incident, la rétention d'eau liquide, les transferts de chaleur et la compaction de la neige, sont déterminés en fonction de la densité de la neige. Cette dernière est modélisée par ISBA-ES comme une fonction exponentiellement croissante et bornée. Sur la Figure ýV les densités simulées par le modèle au niveau des trois couches sont comparées avec celles mesurées in situ. Les couches sont numérotées de 1 à 3 selon la profondeur, L3 est la couche depuis la surface, L2 est l'intermédiaire et L1 la profonde. Les densités simulées sont cohérentes avec les densités mesurées en dehors des périodes de fonte. En revanche, les densités simulées augmentent rapidement au milieu de la saison en fonction de l'eau liquide stockée dans le manteau. La densité « effective » du mélange neige et eau liquide est largement supérieure à celui de la neige sèche. Il semble que le modèle surestime le stockage d'eau liquide en milieu de saison (février - mars). Cependant, une seule mesure de densité (début février) est réellement incohérente avec la densité simulée. Figure ýV- : Variation des densités de neige des trois couches simulées par ISBA-ES à la station d'Oukaimden en 2007/2008. Les points représentent les mesures in situ. Sur les figures ( Figure ýV et Figure ýV ) les valeurs simulées de l'albédo sont comparées avec les valeurs mesurées et avec les hauteurs de neige. Dans ISBA-ES l'albédo est calculé pour une fraction de sol couvert par la neige égal à 100 % durant tout l'hiver. Au niveau de la station météorologique, l'albédo mesuré correspond à l'albédo total (tout le couvert du sol). Les faibles valeurs (albédo égal à 0.2) sont celles du sol nu et les valeurs maximales sont celles de la neige fraiche. Lorsque la hauteur de neige est faible, on peut supposer qu'une partie de l'albédo mesuré est aussi celui du sol nu émergeant par endroits. Afin de vérifier l'impact du vieillissement de la neige sur l'albédo, les valeurs simulées et mesurées sont comparées dans le cas des hauteurs de neige supérieurs à 20 cm ( Figure ýV ). Le modèle surestime les simulations de l'albédo, tout en sous-estimant ses variations (Boone, 2000). Cela est plus important pour les faibles hauteurs de neige (ex, début de chaque saison) où les albédos mesurés sont très faibles sous l'effet de la fraction du sol couverte de neige. .En revanche, ISBA-ES reproduit bien les albédos au cours des phases de décroissance à la fin de l'hiver des deux saisons et pour certaine périodes de diminution des hauteurs de neige (ex, fin décembre 2004 et 2005 ; février 2006). En plus du vieillissement du manteau neigeux, d'autres facteurs peuvent affecter les valeurs de l'albédo. Les faibles valeurs enregistrées dans la station sont dues à la contamination du manteau neigeux par la poussière en provenance des zones arides du sud du Haut Atlas, à la fin de l'hiver.
Figure ýV- : Comparaison de l'albédo simulé par ISBA-ES et l'albédo et les hauteurs de neige mesurés dans la station d'Oukaimden en 2004/2005
Figure ýV- : Comparaison de l'albédo simulé par ISBA-ES et l'albédo et les hauteurs de neige mesurés dans la station d'Oukaimden en 2005/2006
Figure ýV- : Corrélation de l'albédo simulé et mesuré dans le cas des hauteurs de neige supérieurs à 0.2 mètres |
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