ISBA

 Description

ISBA (Interaction Sol-Biosphère-Atmosphère) est un modèle permettant de représenter les surfaces continentales dans les modèles atmosphériques et hydrologiques. ISBA est développé par le CNRM en collaboration avec plusieurs laboratoires de recherche.

ISBA est une composante de la plateforme de modélisation SURFEX, qui représente aussi les surfaces urbaines, les lacs et les océans.

ISBA comporte plusieurs modules permettant de simuler les transferts d’eau et de chaleur dans le sol, la végétation, la neige, et l’hydrologie superficielle (drainage et ruissellement).

Schéma des principales versions d’ISBA

 ISBA-standard

ISBA standard utilise un nombre limité de variables pour décrire l’état du sol et les échanges sol-plante-atmosphère. Une seule température de surface caractérise l’ensemble de la maille (végétation et sol nu). Cette température de surface est rappelée vers une température profonde. Du point de vue hydrologique, le sol est représenté par 2 ou 3 couches.

Schéma des transferts hydriques dans la version 2L d’ISBA

Publications :

    • Noilhan, J. and S. Planton, 1989 : A simple parameterization of land surface processes for meteorological models. Mon. Weather Rev., 117, 536-549.
    • Mahfouf, J.-F., Manzi, O., Noilhan, J., Giordani, H., Déqué, M. (1995) : The land surface scheme ISBA within the Météo-France climate model ARPEGE. Part I : Implementation and preliminary results. J. Climate, 8, 2039-2057.
    • Noilhan, J. and J.-F. Mahfouf, 1996 : The ISBA land surface parameterization scheme. Global and Planetary Change, 13, 145-159.
    • Boone A., J.C. Calvet and J. Noilhan, 1999 : Inclusion of a third layer in a land surface scheme using the force restore. J. Appl Meteor, 38(11), 1611-1630.

 ISBA-A-gs

ISBA-A-gs simule la photosynthèse et son lien avec la conductance stomatique, ce qui permet de décrire l’effet de la concentration en dioxide de carbone de l’atmosphère sur la transpiration foliaire et permet de quantifier au premier ordre l’incertitude de la réponse des plantes au changement climatique. Il utilise aussi une formulation originale de la réponse des plantes au stress hydrique, distinguant deux types de comportement (évitement et tolérance).
ISBA-A-gs calcule de manière interactive la biomasse aérienne et le LAI (surface totale des feuilles par unité de surface du sol), grâce à un modèle de croissance simple.

<center Schéma de principe du calcul des flux de surface par ISBA-Standard et ISBA-A-gs

Publications :

    • Albergel C., Calvet J.-C., Gibelin A.-L., Lafont S., Roujean J.-L., Berne C., Traullé O., Fritz N., 2010 : Observed and modelled gross primary production and ecosystem respiration of a grassland in southwestern France, Biogeosciences, 7, 1657-1668.
    • Calvet J.C., J. Noilhan, J.L. Roujean, P. Bessemoulin, M. Cabelguenne, A. Alioso and J.P. Wigneron, 1998 : An interactive vegetation SVAT model tested against data from six contrasting sites. Agr. For. Meteorol., 92, 92-95.
    • Calvet J.-C., 2000 : Investigating soil and atmospheric plant water stress using physiological and micrometeorological data, Agr. For. Meteor., 103, 229-247.
    • Calvet J.-C., Soussana J.-F., 2001 : Modelling CO2-enrichment effects using an interactive vegetation SVAT scheme, Agric. For. Meteorol., 108(2), 129-152.
    • Calvet J.-C., Rivalland V., Picon-Cochard C., Guehl J.-M., 2004 : Modelling forest transpiration and CO2 fluxes - response to soil moisture stress. Agric. For. Meteorol., 124(3-4), 143-156, doi : 10.1016/j.agrformet.2004.01.007.
    • Calvet J.-C., Gibelin A.-L. , Martin E., Le Moigne P., Douville H., Noilhan J., 2008 : Past and future scenarios of the effect of carbon dioxide on plant growth and transpiration for three vegetation types of south-western France, Atmos. Chem. Phys., 8, 397–406.
    • Calvet J.-C., V. Rivalland, C. Picon-Cochard and J.-M. Guehl, 2004 : Modelling forest transpiration and CO2 fluxes-response to soil moisture stress, Agric. For. Meteorol., 124,143-156.
    • Gibelin A.L., Calvet J.C., Roujean J.L. Jarlan L. and S. Los, 2006 : Ability of the land surface model ISBA-A-gs to simulate leaf area index at the global scale : Comparison with satellites products. J. Geophys. Res., 111, D18102.

 L’hydrologie

La version standard d’ISBA a été améliorée pour mieux représenter les flux d’eau (ruissellement et drainage) dans des applications hydrologiques. Les principales améliorations on porté sur les points suivants :

  • Introduction d’une répartition sous maille des précipitations afin de mieux prendre en compte leur hétérogénéité sur une grande maille,
  • Paramétrisation du ruissellement sous maille,
  • Introduction d’un drainage sous-maille,
  • Prise en compte d’un profil exponentiel de la conductivité hydraulique avec la profondeur.

Publications :

    • Decharme B., Douville H., 2006 : Introduction of a sub-grid hydrology in the ISBA land surface model. Climate Dynamics 26(1), 65 - 78, doi : 10.1007/s00382-005-0059-7
    • Decharme B. and Douville H., 2006 : Uncertainties in the GSWP-2 precipitation forcing and their impacts on regional and global hydrological simulations. Climate Dynamics, 27(7-8), 695-713, doi : 10.1007/s00382-006-0160-6.
    • Decharme B., Douville H., Boone A., Habets F., Noilhan J., 2006 : Impact of an exponential profile of saturated hydraulic conductivity within the ISBA LSM : simulations over the Rhône basin. J. Hydrometeorology , 7, 61-80.
    • Etchevers, P., C. Golaz, F. Habets, J. Noilhan, 2002 :Impact of a climate change on the Rhône river catchment hydrology. J. Geophys. Res., 107(D16), 10.1029/2001JD000490.
    • Habets F., J. Noilhan, C. Golaz, J.-P. Goutorbe, P. Lacarrère, E.Leblois, E. Ledoux, E. Martin, C. Ottlé and D. Vidal-Madjar, 1999 : Implementation of the ISBA surface scheme in a distributed hydrological model applied to the Hapex-Mobilhy area. Part I : model and database, J. Hydrol., 217, 75-96.
    • Habets F., J. Noilhan, C. Golaz, J.-P. Goutorbe, P. Lacarrère, E.Leblois, E. Ledoux, E. Martin, C. Ottlé and D. Vidal-Madjar, 1999 : Implementation of the ISBA surface scheme in a distributed hydrological model applied to the Hapex-Mobilhy area. Part II : simulation of streamflows and of annual water budget, J. Hydrol., 217, 97-118.
    • Habets, F., A. Boone, J. Noilhan, 2003 :Simulation of a Scandinavian Basin using the diffusion transfer version of ISBA, Gobal and Planetary change, 38, 137-149.
    • Mahfouf, J.-F. and Noilhan, J. (1996) : Inclusion of gravitationnal drainage in a land surface scheme based on the force-restore method. J. Appl. Meteor. 35, 987-992.

 La neige

La neige peut être représentée par plusieurs schéma de complexité différentes. Les schéma les plus simples sont destinés à être utilisés dans les modèles météorologiques et climatiques pour des raison de temps de calcul. Ils représentent le manteau neigeux par un seul réservoir et utilisent très peu de variables pronostiques. Le schéma multicouches ISBA-ES décrit le manteau neigeux en distinguant trois couches de neige. Il décrit la plupart des phénomènes gouvernant l’évolution du manteau neigeux (accumulation, fonte, tassement, regel, ...), à l’exception des métamorphoses de la neige, qui sont gérées par des modèles plus détaillés, comme CROCUS.

<center Schéma de principe du calcul des flux énergétiques de surface avec un bilan d’énergie séparé pour le manteau neigeux

Publications :

    • Douville, H., Royer, J.-F. and Mahfouf, J.-F. (1995a) : A new snow parametrization for the Météo-France climate model. Part I : Validation in stand-alone experiments, Clim. Dyn. 12, 21-35
    • Douville, H., Royer, J.-F. and Mahfouf, J.-F. (1995b) : A new snow parametrization for the Météo-France climate model. Part II : Validation in a 3-D GCM experiments, Clim. Dyn. 12, 37-
    • Bazile, E., M. El Haiti, A. Bogatchev and V. Spiridonov, 2002 : Improvement of the snow parametrisation in ARPEGE/ALADIN. In : Proceedings of SRNWP/HIRLAM Workshop on surface processes, turbulence and mountain effects, 22-24 October 2001, Madrid, HIRLAM 5 Project, 14-19.
    • Boone A. and P. Etchevers, 2001 : An intercomparison of three snow schemes of varying complexity coupled to the same land surface model : local scale evaluation at an alpine site. J. Hydrol., 2, 374-394.