Jeudi 27 décembre 4 27 /12 /Déc 12:08
- Par ICE

Evidemment, posée en ces termes, la question peut paraître un peu incongrue. En language un peu plus scientiique -  mais, finalement, le fond en est-il différent ? j'avoue que parfois j'utilise la version précédente pour parler en termes généraux de ce sur quoi je travaille...  - elle devient : y a-t-il une rétroaction entre humidité du sol et précipitation, et si oui, est-elle positive ou négative ?

 

Retroaction humidite du sol - precipiation

Cette question s'inscrit dans le domaine plus général du couplage surface-atmosphère - ou comment les conditions de surface, dont la variabilité temporelle et spatiale est au premier ordre une réponse aux conditions atmosphériques, peut à son tour influencer l'évolution de l'atmosphère à différentes échelles de temps et d'espace. A l'évidence, bien comprendre et être capable de correctement modéliser ce couplage est nécessaire à la simulation de l'atmosphère et du climat, en particulier lorsqu'on veut ensuite intégrer l'impact des modifications d'usage des sols par l'homme (déforestation, agriculture, urbanisation, etc...).

Au premier rang de ces variables de surface, on trouve l'humidité du sol, du fait essentiellement de son potentiel impact sur le partitionnement entre évapotranspiration et le flux de chaleur sensible (à travers notamment son contrôle sur le fonctionnement de la végétation). Ces flux de surface peuvent ensuite influer sur les conditions atmospheriques (temperature, nebulosite, precipitation...). Evidemment l'humidité du sol est directement déterminée par la pluie. On peut donc schématiquement représenter les choses de la sorte  - precisons qu''on va se situer en ete (quel que soit l'hemisphere), saison ou le couplage surface-atmosphere a plus de chance de jouer un role important, etant donne qu'il y a davantage d'energie disponible en surface et que le regime atmosphere y est plus sensible aux conditions de surface :

 

soil moisture precip feedback-copie-1

Representation simplifiee de la retroaction entre humidite du sol (soil moisture) et precipitation. On peut distinguer une branche "terrestre", entre humidite du sol et flux d'energie surface-atmosphere, et "atmospherique", entre ces flux de surface et precipitation. La pluie pilote directement les variations d'humidite du sol.

 

Notons que l'épaisseur des flèches, ici, ne cherche pas tant à représenter des flux d'eau (quantitativement) que, qualitativement, dans quelle mesure ces relations sont directes et donc, bien comprises. Les liens entre precipitation et humidité du sol, d'une part, et entre humidité du sol et partitionnement des flux d'énergie turbulents de surface, d'autre part, sont relativement bien compris. Pour cette dernière, pour faire simple, lorsque l'humidité du sol est le facteur limitant pour l'évapotranspiration, moins d'humidité du sol mène assez linéairement à moins d'évapotranspiration, et donc plus de flux de chaleur sensible; en revanche si le sol est sature en eau, ou si le facteur limitant l'evapotranspiration devient principalement l'energie disponible en surface (le rayonnement solaire, en gros), comme proche de l'Equateur, ou la demande atmospherique, la relation entre humidite du sol et flux de surface s'estompe. Notons que dans le cas limite par l'humidite du sol, davantage de flux de chaleur sensible mène alors directement à des températures de surface plus élevées, et qu'il y a donc une influence certaine, et bien documentée, de l'humidité du sol sur les températures en surface, en particulier durant les épisodes de sécheresse - d'où les corrélations saisonnieres négatives observées sur les continents entre températures et précipitations (en été).

En revanche, l'impact de l'humidité du sol sur la pluie nécessite d'aller un cran plus loin, et d'intégrer l'impact des flux d'énergie turbulents sur la précipitation - autrement dit, si l'on se situe en été où l'essentiel de la pluie est d'origine convective, sur la convection. Notons que pour qu'un couplage existe entre l'humidite du sol et precipitation, il faut que les deux branches - "terrestre" et " atmospherique" sur le schema - soient actives simultanement. Si la branche "terrestre" est, comme indiquee precedemment, plutot bien comprise, l'impact des flux de surface sur la precipitation reste, lui, bien moins cerne.

 

Theorie, observations, modeles.

Une réponse intuitive à cette question - et que, de fait, j'obtiens parfois en réponse à la question du titre de ce post - est que davantage d'évaporation apporte plus de vapeur d'eau à l'atmosphère, et que cela favorise donc davantage de pluie. Cette vision, qu'on peut qualifier de "recyclage" - j'en reparlerais plus loin - est peut-etre le processus dominant à très grande échelle (disons, superieur au millier de kilomètre). Mais lorsqu'on s'intéresse au couplage à une échelle plus locale - à l'échelle typique d'une anomalie d'humidité du sol, disons la dizaine km - elle n'est plus nécessairement adaptée: il faut plus précisément évaluer l'impact des flux de surface sur l'évolution de la couche limite atmosphérique et le déclenchement de la convection. En effet, pour faire très simple, disons que pour de la pluie convective se produise, il faut de l'humidité et du mouvement vertical : les flux de surface, respectivement de chaleur latente (évaporation) et de chaleur sensible, apporte les deux, mais de façon anti-corrélée (un sol sec produira beaucoup de chaleur sensible, un sol humide beaucoup de chaleur latente). Selon que les conditions atmosphériques "préfèreront" davantage d'apport d'humidité ou de mouvement vertical pour que de la convection se déclenche, un sol sec ou un sol humide pourra donc en théorie être plus favorable au déclenchement de la pluie. Notons aussi que l'organisation spatiale des anomalies de flux de surface - causee par les pattern d'humidite du sol ou de vegetation -  a ces echelles (10-10^2 km), peut aussi theoriquement participer a organiser des circulations atmospheriques dites de meso-echelle, qui peuvent alors faire converger les masses d'air vers les zones seches, y favorisant l'apparition de pluie.

 

En d'autres termes, la physque derrière l'impact des flux de surface sur la convection n'est pas évidente (au sens propre). Notons ici que la question du couplage humidité du sol-précipitation est étudiée de longue date en climatologie - depuis, quasiment, les premiers modèles de climat dans les années 60. Idéalement, la question pourrait être tranchée par des observations. Cependant, d'une façon générale, il y a peu de mesures d'humidité du sol, qui de plus est un champs très hétérogène spatialement. Il est donc difficile d'obtenir des observations d'humidité du sol et de précipitation cohérentes spatialement, à suffisamment long terme et à des échelles de temps suffisament fines - bien que, j'en reparlerai plus bas, les dernières missions satellite soient à ce niveau d'un apport précieux. D'autre part, dans un système couplé, démêler les influences des variables les unes sur les autres à partir d'une seule réalisation du climat n'est pas aisé - les approches statistiques uselles, telles que des corréations laggées, peuvent être dans le cas présent contaminée par des artéfacts liés par exemple aux différentes échelles de temps dans la variabilité de la pluie. Jusqu'à récemment, une approche empirique de la question n'apportait donc pas vraiment de résultats concluants.

 

Une grande partie des études sur le sujet se basent donc la modélisation climatique, en comparant par exemple des simulations avec ou sans interactivité de l'humidité du sol avec l'atmosphère. A ce titre, il semble que l'étude principale quant à la définition des zones de fort couplage sol-pluie, et sur laquelle le consensus actuel de la communauté s'appuie encore principalement, reste cette étude multi-modèle de Koster et al. (2004) dans Science, dont je parlais ici (il y a longtemps...). 

 

koster1.jpeg

"Hotspots" de couplage humidite du sol-precipitation dans Koster et al. (2004), en ete boreal, moyenne intermodele (12 modeles) - les encarts indiquent la force de couplage (sans entrer dans les details de la metrique utilisee) pour les differents modeles. Bien que la methode utilisee n'indique en fait pas clairement si le couplage est positif ou negatif, il semble que dans l'interpretation des auteurs ce soit un couplage positif (i.e., retroaction positive entre humidite du sol et precipitation).

 

Il reste néanmoins un certain nombre de limitations attachées à cette etude, parmi lesquelles la principale est que les modèles y diffèrent fortement les uns des autres (voir les encarts sur la carte). Et au-delà de cette étude, on trouve en effet dans la littérature des résultats de modèles -  allant de modele-colonne 1D a des modeles de climat complets - qui diffèrent dans les patterns, l'amplitude ou même le signe de ce couplage : si le consensus s'établit qualitativement plutôt dans le sens d'une rétroaction positive (pluie favorisée sur les sols humides), la question est donc loin dêtre tranchée d'une seule voix par les modèles de climat (et si l'on considère que ce couplage est lié à des procussus d'échelle fine liés à la dynamique de la couche limite, à la convection, cela n'est guère étonnant).

 

Je poursuivrai sur le sujet dans un second post, en presentant notamment quelques études parues récemment sur le sujet.

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