présentation Bilan Prospective GAME

ECOCLIMAP et PGD
Formation Surfex
10-12 october 2011
PARTIE THEORIE
Objectifs
•
Renseigner, pour la simulation SURFEX, les champs
physiographiques (n’évoluent pas dans le temps):
• Orographie
• Fraction de sable et d’argile
• Couvert de la surface (type, végétation, paramètres de la végétation)
• ( Bathymétrie (sur mer)
• Coefficient de ruissellement sous-maille RUNOFFB
• Drainage sous-maille WDRAIN
• Indice topographique )
•
Obtenir ces informations par point de grille du domaine et à la
projection choisis par l’utilisateur
Bases de données utilisées
• Orographie
• GTOPO30 (USGS): carte globale, 1km de résolution, lon/lat
• Fractions de sable et d’argile
• FAO, 1988 : cartes globales, 10km de résolution , lon/lat
• HWSD (JRC), 2009: cartes globales, 1km de résolution , lon/lat
• Couvert de la surface
• ECOCLIMAPI, 2003: carte globale, 1km de résolution , lon/lat
• ECOCLIMAPII, 2008: + mise à jour sur l’Europe , lon/lat
• ECOCLIMAPIII, 2011 (?): + mise à jour sur l’Afrique (thèse A. Kaptue) , lon/lat
Description de la surface dans ECOCLIMAP
•Au travers de:
•4 types de surface ou tuiles:
mer (SEA), eaux intérieures (WATER), nature (NATURE), ville (TOWN)
•12 types de végétation (propres à la tuile NATURE):
sol nu (NO), roche nue (ROCK), neige permanente (SNOW),
feuillus décidus (TREE), conifères (CONI), feuillus sempervirents (EVER),
Cultures C3 (C3), cultures C4 (C4), cultures irriguées (IRR),
Prairies tempérées (GRAS), prairies tropicales (TROG), zones humides (PARK).
=> Lien entre la carte ECOCLIMAP et ces modes de descriptions?
La notion de cover
Un cover est une surface de couvert homogène.
Concrètement, sur la carte ECOCLIMAP, un cover est un ensemble de
pixels sur lesquels le couvert de la surface est admis comme
homogène.
La carte ECOCLIMAPI comporte 215 covers sur le monde.
La carte ECOCLIMAPII comporte 273 covers sur l’Europe.
Les covers sont caractérisés par:
•Une partition de fractions des 4 tuiles
•Une partition de fractions des 12 types de végétation, si la tuile NATURE est
représentée.
La notion de cover: exemples

Le cover 2:inland waters, est composé à 100% de la tuile WATER.


Le cover 3:bare land, est composé à 100% de la tuile NATURE, et à 100% du type
de végétation NO.

Le cover 7:urban areas, est composé à 60% de la tuile TOWN et à 40% de la tuile
NATURE. Puis, dans la tuile NATURE, il est composé à 50% du type de végétation
TREE et à 50% du type de végétation PARK.
En un point de grille portant le cover 7, la partition effective détaillée des types est
donc:
* 60% TOWN
* 0.4*50% = 20% TREE
* 0.4*50% = 20% PARK
COVER 7
TREE
NATURE
PARK
TOWN
Les paramètres de surface induits
ECOCLIMAP est à la base de la production des cartes des paramètres
de surface, en particulier de la végétation, pour SURFEX:
•LAI, profondeurs de sols, hauteurs d’arbres
•Albedo, fraction de végétation, émissivité,
résistance stomatique minimale (Rsmin),
Inverse de la capacité thermique de la végétation (Cv)…
Ces paramètres interviennent ensuite dans le calcul des flux par le modèle,
lors de la simulation.
Leur détermination en chaque point de la grille ECOCLIMAP dépend soit:
•du cover ET du type de végétation
•du type de végétation
Déclinaison des paramètres de surface
• 3 paramètres sont définis directement au niveau du cover et pour
chaque type de végétation présent dans ce cover:
• Le profil décadaire annuel de LAI (36 valeurs)
• Les 3 profondeurs de sol (superficiel, racinaire, profond)
• Les 3 hauteurs d’arbres (pour les types TREE, CONI, EVER)
• Certains paramètres dépendent ensuite d’un de ces 3 paramètres:
• La longueur de rugosité Z0 dépend des hauteurs d’arbres
• La fraction de végétation pour les types de cultures (C3, C4, IRR) dépend
du LAI
• L’émissivité et l’albedo dépendent de la fraction de végétation
• D’autres paramètres ne varient qu’en fonction du type de végétation:
• Cv, Rsmin, Gamma, Rgl, Gmes, RE25….
Récapitulatif pour ECOCLIMAP
Composants d’ECOCLIMAP
Fonction
Carte des covers sur le globe
localisation des unités de surface
homogènes
Expression des covers en terme de types
de surface et de types de végétation
Caractérisation du contenu des covers
Définition du LAI, des profondeurs de sol,
des hauteurs d’arbres des covers ET par
type de végétation
Renseignement des paramètres par point
de la grille ECOCLIMAP
Définition des paramètres qui ne
dépendent que du type de végétation
Renseignement des paramètres par point
de la grille ECOCLIMAP
Calcul des paramètres qui dépendent du
LAI, des hauteurs d’arbres ou des
profondeurs de sol
Renseignement des paramètres par point
de la grille ECOCLIMAP
11
La notion de PATCH
 L’utilisateur n’est pas obligé de considérer les 12 types de végétation
de manière indépendante, il a la possibilité de travailler avec un
nombre de patchs compris entre 1 (12 types agrégés) et 12 (12 types
séparés).
 Un patch est donc un regroupement de plusieurs types de
végétation.
 Si le nombre de patchs est inférieur à 12, les valeurs des paramètres
de surface sont calculées non plus par type de végétation mais par
patch, selon un procédé d’agrégation qui repose sur la composition
des patchs en terme de types de végétation.
Regroupement des types de végétation par patchs
Nombre total de patchs choisi par l’utilisateur
12 11 10 9
8
7
6
5
4
3
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ROCK 2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
SNOW 3
3
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
TREE
4
4
3
3
3
3
2
2
2
2
2
1
CONI
5
5
4
4
3
3
2
2
2
2
2
1
EVER
6
6
5
3
3
3
2
2
2
2
2
1
C3
7
7
6
5
4
4
3
3
3
3
1
1
C4
8
8
7
6
5
4
3
3
3
3
1
1
IRR
9
9
8
7
6
5
4
4
4
3
1
1
GRAS
10 10 9
8
7
6
5
5
3
3
1
1
TROG 11 10 9
8
7
6
5
5
3
3
1
1
12 11 10 9
8
7
6
4
4
3
1
1
NO
PARK
12
Agrégation selon la projection et la résolution
 La phase PGD de SURFEX fournit en sortie les valeurs de
l’orographie, des fractions d’argile et de sable, des fractions de cover
pour chaque point de la grille choisie par l’utilisateur.
 Les paramètres de surface sur la grille de l’utilisateur sont calculés lors
de l’étape PREP, selon un processus de moyenne qui se base sur:
– Les fractions de covers présents en chaque point.
– Le nombre et donc la partition de patchs choisi par l’utilisateur.
14
Règles d’agrégation simplifiées
PARTIE TP
Namelists SURFEX pour ECOCLIMAP
&NAM_FRAC
•
16
LECOCLIMAP = T
L’utilisateur peut ne pas utiliser ECOCLIMAP et renseigner les valeurs des paramètres
pour son domaine directement dans les namelists NAM_DATA_ISBA, NAM_DATA_TEB,
NAM_DATA_SEAFLUX, en remplissant des tableaux ou en indiquant des fichiers de
données contenant ces valeurs.
&NAM_COVER YCOVER = ‘ECOCLIMAP_II_EUROP’,
YFILETYPE = ‘DIRECT’,
XRM_COVER = 0.001
•
Les fichier ECOCLIMAP sont constitués d’un fichier binaire .dir et d’un fichier entête .hdr.
Ces fichiers doivent être présents dans le répertoire de simulation.
&NAM_ECOCLIMAP2 LCLIM_LAI = T

Dans ECOCLIMAPII, le LAI des années 2002 à 2006 est disponible. Le LAI
climatologique correspond à la moyenne sur ces 5 années. Si LCLIM_LAI=F, la date de
début de simulation est utilisée pour déterminer l’année de LAI à utiliser.
17
Namelists SURFEX pour le choix de la grille
&NAM_PGD_GRID CGRID = GAUSS / CONF PROJ / CARTESIAN
LONLAT REG / IGN / LONLAT VAL / NONE

Définit le type de projection souhaité par l’utilisateur
&NAM_LONLAT_REG XLONMIN =
XLONMAX =
XLATMIN =
XLATMAX =
NLON =
NLAT =

Définit les limites du domaine et sa résolution (exemple en projection LONLAT
REG, une namelist différente par type de projection).
Namelists SURFEX pour les autres champs
physiographiques (1)
18
&NAM_ZS XUNIF_ZS = 113.

Cas d’une altitude uniforme à 113 mètres.
&NAM_ZS YZS = ‘Z.SIM’
YFILETYPE = ‘ASCLLV’

Cas d’une altitude passée par un fichier LONLATVAL ASCII. Comme dans le cas
d’un fichier binaire, les points peuvent ne pas coller au domaine de l’utilisateur.
&NAM_ZS YZS = ‘gtopo30’,
YFILETYPE = ‘DIRECT’

Cas de l’utilisation de la carte gtopo30 (format binaire avec un .dir et un .hdr,
comme ECOCLIMAP).
&NAM_GAUSS_INDEX et &NAM_SEABATHY sont dédiées à l’indice
topographiMque et à la bathymétrie marine.
Namelists SURFEX pour les autres champs
physiographiques (2)
&NAM_ISBA

YCLAY = ‘HWSD_CLAY_MOY’,
YCLAYFILETYPE = ‘DIRECT’,
YSAND = ‘HWSD_SAND_MOY’,
YSANDFILETYPE = ‘DIRECT’,
YWDRAIN = ‘WDRAIN.SIM’,
YWDRAINFILETYPE = ‘ASCLLV’,
YRUNOFFB = ‘RUNOFFB.SIM’,
YRUNOFFBFILETYPE = ‘ASCLLV’,
NPATCH = 1,
NGROUND_LAYER = 3
Définition des sources pour les fractions d’argile et de sable, le drainage
sous-maille, le coefficient de ruissellement sous-maille; définition du
nombre de patchs et du nombre de profondeurs de sol souhaité.
19
20
Autres namelists impliquées dans le PGD
&NAM_PGD_SCHEMES

Choix des modèles utilisés pour chaque tuile
&NAM_IO_OFFLINE

CNATURE = ‘ISBA ‘, (FLUX, TSZ0, NONE)
CSEA = ‘NONE’, (FLUX, SEAFLX)
CTOWN = ‘TEB’, (NONE, FLUX)
CWATER = ‘NONE’, (FLUX, WATFLX, FLAKE)
LGARDEN = .FALSE
CSURF_FILETYPE = ASCII / LFI / FA
CPGDFILE = ‘PGD’
LWRITE_COORD = T
Type des fichiers de sortie des phases PGD et PREP, nom du fichier PGD,
booléen pour écrire les coordonnées des points du domaine dans le fichier de
sortie.
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Récapitulatif pour le PGD
Durant la phase PGD:
•
•
•
•
La grille de sortie est définie
Les champs physiographiques sont projetés sur cette grille
Les fractions de covers sont calculées sur cette grille
Les valeurs des champs physiographiques et des fractions de covers sont
écrites dans le fichier de sortie.
Méthodes d’agrégation appliquées selon les paramètres
• La moyenne arithmétique est appliquée pour la majeure partie des
paramètres;
•La moyenne « inverse », qui divise la somme des inverses des pondérations
par la somme des inverses des valeurs, est appliquée dans le cas des
paramètres Rsmin et Cv;
•La moyenne « CDN », qui repose sur l’utilisation de la fonction LOG, est
Appliquée dans le cas du Z0.
Méthode d’agrégation pour les paramètres de surface
Cas de la moyenne arithmétique (le plus simple) pour un paramètre:
•Pour chaque point de grille:
•Pour chaque patch:
•Pour chaque cover présent dans ce point de grille:
•Pour chaque type de végétation présent dans le cover et le patch:
• (1) La valeur prise par le paramètre est ajoutée, pondérée par :
- la fraction de représentation du cover dans le point de grille
- la fraction de représentation du type de végétation dans le
cover
• (2) Le nombre de contributions est comptabilisé, avec la
même pondération que ci-dessus, pour se ramener au patch
•La somme des valeurs prises par le paramètre (1) est divisée par le nombre
de contributions (2)
=> Obtention de la valeur du paramètre pour ce patch et ce point de grille