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Le Modèle des surfaces continentales ORCHIDEE Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone (Composante du modèle du système terre IPSL)

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Page 1: Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone - … · Le Modèle des surfaces continentales ORCHIDEE Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone (Composante du modèle

Le Modèle des surfaces continentales ORCHIDEE

Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone (Composante du modèle du système terre IPSL)

Page 2: Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone - … · Le Modèle des surfaces continentales ORCHIDEE Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone (Composante du modèle

SECHIBA   ORCHIDEE  

Carbon  Cycle  (STOMATE)  

Dynamic  Veg.  (LPJ)  

+ Nitrogen Cycle + Permafrost

80s

(Krinner et al., 2005)

Toward a single shared tool

2009

Specific “Project Group” across

IPSL & few other labs.

Few Scientists

at LMD (3-4)

Mod

el

Proj

ect /

Use

rs 2000

(Viovy et al., 1997)

(Polcher et al., 1998)

(Ducoudré et al., 1993)

90s

Small group btw LMD/LSCE

(5-10)

Increasing number of developers & users

(15-25)

Natural grass

Bare soil / desert

Multi-layer soil hydrology’

Forest

Crops

Managed grass

+ Crops module

+ Forest management

+ new hydrology

+ river routing

(Laval et al., 1981)

organization LMD/LSCE LMD

More than 20-yr of development..

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More than 20 permanents.. Few laboratories LSCE – Paris (Biogeochemistry and Biophysic) : 10 permanents N. Viovy, N. De Noblet, P. Ciais, P. Peylin, F. Maignan, J. Lathierre, N. Viuchard, S. Luysaert, C. Ottle, A. Cosic ; 10-15 Post-Doc / PhD IPSL (Engeniry) : J. Ghattas, MA Foujols LMD – Paris (Energy and Water balance): J. Polcher, F. Cheruy, C. Risi; 2-3 Post-Doc / PhD SISYPHE – Paris (Water cycle): A. Ducharne + 2 Post-doc / PhD LGGE - Grenoble (High latitude processes): G. Krinner ; 2 PhD / Post-Doc Univ. of Pekin – China (Biogeochemical cycle): S. Piao; 5 PhD / Post-doc Univ. of Antwerp / Ghent – Belgium (Biogeochemical cycle): H. Verbeeck, I. Jansen; 3 Post-doc / PhD

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Main features of ORCHIDEE

•  Vegetation defined as PFT’s (12 currently) A mosaic of vegetation in each grid cell

-  One Energy budget for the whole grid box -  Fully implicit coupling with the Atmospheric LMDz model -  Coupled with snow & soil energy budget

•  A “big leaf approach”

-  Solve the Heat Diffusion Equation ; 7 layers ; up to 5.5m -  fully coupled with the calculation of surface temperature -  “new” 11-layers soil hydrology scheme

•  Soil energy and hydrology

-  Farquhar & Ball and Berry model -  Computation a several levels (light decrease) è integration..

•  Photosynthesis

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Hydrological Processes in ORCHIDEE

•  Par$$on  of  throughfall  between  infiltra$on  and  runoff  •  Water  fluxes  in  soils  (soil  moisture  and  drainage)  

•  RouBng  of  runoff  into  river  discharge  •  Human  pressures,  e.g.  irrigaBon  

•  InteracBons  with  floodplains  (fluxes  and  storage)  •  Wetlands  

•  Snow  pack  processes  •  Permafrost  (freeze/thaw  in  the  soil)  

•  Interac$ons  with  groundwater  tables  (fluxes  and  storage)  

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“Slow biogeochemical” processes

•  Phenology - Budburst based on GDD, soil water,.. •  Senescence: Based on leaf Age, Temp,.. •  Carbon Allocation :

•  8 pools of living biomass •  4 litter pools and 3 soil carbon pools (CENTURY)

•  Autotrophic respiration: Maintenance & Growth •  Heterotrophic Respiration •  Fire module (SPITFIRE) •  Turnover : death of plants etc.

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Recent improvements of ORCHIDEE

Natural grass

Bare soil / desert

Multi-layer soil hydrology’

Assimilation Of variables

Modules implementation

Forest

Crops

Managed grass Temperate Crops

grassland

Tropical crops

Forest management module Nitrogen

cycle

-  Generalisation of PFT concept (number not limited) -  Scientific documentation

ORCHIDEE

NPP Rh

Atmosphere

Land

Changes to the C-cycle 1.9.5.1 - FM

Land

Atmosphere

NPP Rh F Harvest

NECB

ORCHIDEE-FM

NEP

- Age related decline in NPP- Age related limitation of LAI- Age related allocation between stem and roots- Branch mortality- Coarse woody litter compartment- Individual growth of trees- Generic management

Fires

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Multi-layer soil moisture in ORCHIDEE Double bucket scheme

11 layers scheme including vertical diffusion of

water using the Richard equation.

Ø  Soil properties from the Zobler map. Ø  3 columns of soil moisture (forests, grass, bare soil)

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Comparison with SMOS: soil moisture evolution

Guadalquivir area : lon : -6:-4, lat : 37.2:38.

3 days average to

reduce instrument noise

l  The ERA-Int rainfall forcing ORCHIDEE is rather good. l  The general annual cycle is rather well captured. l  The amplitude of the response to the rainfall events is more

spiked in SMOS than the 0-5cm layer in ORCHIDEE è Impact of new hyrdo. on climate: specific talk (F. Cheruy)

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High latitude processes •  Permafrost & Clim. change

(soil heating)

•  Wetlands hydrology è CH4 emissions

•  Snow: Adaptation of ISBA-ES + Soil freezing En H LE

Kin Lin

K1

K2

K3

Q1, T1, D1, ρ1

Q2, T2, D2, ρ2

Q3, T3, D3, ρ3

J1

J2

J3

Qp

Heat Water P

P1

P2

P3

Ws1, Wl1, D1, ρ1

Ws2, Wl2, D2, ρ2

Ws3, Wl3, D3, ρ3

Top soil layer Top soil layer Separate Separate

Snow : adaptation of ISBA-ES model to Orchidee (T. Wang)

New ORCHIDEE (ORC-N, 3-layers)

Number of snow layers Freezing and refreezing processes Water flow Variable snow density

ORC-O ORC-N Obs. Obs (survey).

Snowmelt runoff

Col de Porte (1994-1995)

SWE

Wang et al. (in prep.) 17

Obs ORC std ORC new

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Change in Northern Hemisphere spring LAI

•  A) detection

Piao et al., GRL, 2006

LAI trend (1982-2002)

ORCHIDEE offline NOAA data

•  B) Attribution

–  Temperature –  CO2

Factors: Temperature is dominant

> CO2 > Precipitation

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Nitrogen Cycling in ORCHIDEE

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Nitrogen Cycling in ORCHIDEE

CO2 response (NPP): Elevate - ambiant

Obs ORC + N

ORC standard

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A Forest Management Module for ORCHIDEE

ORCHIDEE

NPP Rh

Atmosphere

Land

Changes to the C-cycle 1.9.5.1 - FM

Land

Atmosphere

NPP Rh F Harvest

NECB

ORCHIDEE-FM

NEP

- Age related decline in NPP- Age related limitation of LAI- Age related allocation between stem and roots- Branch mortality- Coarse woody litter compartment- Individual growth of trees- Generic management

ORCHIDEE

NPP Rh

Atmosphere

Land

Changes to the C-cycle 1.9.5.1 - FM

Land

Atmosphere

NPP Rh F Harvest

NECB

ORCHIDEE-FM

NEP

- Age related decline in NPP- Age related limitation of LAI- Age related allocation between stem and roots- Branch mortality- Coarse woody litter compartment- Individual growth of trees- Generic management

ORCHIDEE ORCHIDEE - FM

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Simulation des flux de carbone pour l’UE 25

Source: Luyssaert et al., 2010; Bellassen et al., in prep

-­‐250

0

250

500

750

1000

NPP HR NEP

gC  m

-­‐2  yr-­‐1

National  Forest  inventories Site  studies Eddy  covarianceLPJ LPJ  with  age ORCHIDEEORCHIDEE  with  age  (FM)

Net uptake Uptake Release

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Développements en cours…

•  Bilan d’énergie multi-couches

•  Nouveau schéma du transfert radiatif

•  Nouveaux types de plante fonctionnels (PFTs)

•  Couplage avec hydrologie souterraine

•  Couplage WRF

•  Isotopic module for Water and Carbon exchanges

•  Vegetation and chemistry: coupling INCA-ORC

è Intégration dans 2-3 ans

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Mid term improvement (1-2 yr)

Changes to the energy budget 1.9.6 under development

- Open canopy (under development)- Two way radiation scheme f(canopy)- Multi-layer energy budget (implicit)- Snow under the canopy f(snow age)

- Closed canopy (1.9.6)- Prescribed radiation scheme f(LAI)- Big-leaf energy budget (implicit)- Prescribed snow albedo f(snow age)

Allocation based tree growth 1.9.5.1 FM under development

#

dbh

Daily NPP = GPP – Ra - labile

#

dbh

σ

γ

fNPP

wNPP

rNPP

+

New energy budget

New C allocation scheme

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New multi-layers energy budget 1. Concept

2. Model design

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Forest management and climate unmanaged managed

years

albe

do (V

IS)

How does forest management affects - the surface albedo? - subsequently the climate ?

Years

Alb

edo

(VIS

)

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Interactions between the terrestrial biosphere and the atmospheric chemical composition - Coupling INCA and ORCHIDEE

Biogenic Compounds : •  VOCs (80%) •  NOx (10%)

Deposition at the surface : •  O3: 25% of photochemical production

•  Strongly linked to vegetation type

HIGH REACTIVITY

- SIGNIFICANT SINK - IMPACT ON

ECOSYSTEMS (pollution)

Ozone, OH, aerosols, GES lifetime

GLOBAL CHANGES ???

•  Climate, land-use, chemistry, etc.

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Data assimilation: parameter optimization..

22  

Soil depth (m)

prior optim

2.0 6.8

è  Higher  soil  depth  confirms  previous  studies:  e.g.  Kleidon  et  al.  1999    

è Optimization of 20 parameters using Latent Heat & Carbon Fluxes measured at one site in the Amazon basin

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ORCHIDEE tomorow… ORCHIDEE

yesterday…

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In summary….

•  Grassland module within ORC (Nicolas V.) •  Impact of climate variability over Africa (Abdoul K T.) •  Model-parameters optimization (Philippe P.) •  Cycle Hydrologique sur le bassin Amazonien (Matthieu G.) •  Continental hydrology and climate (Frederique C.) •  Nouvelle Hydrologie du sol : (Agnes D.) •  New multi-layer energy budget (James. R., poster) •  Water Isotopes (Francesca G., poster)

Additional presentations...

•  Component of IPSL E.S.M. & Stand alone model •  “Open tool” be used by the scientific community •  Few on-going collaboration with CNRM and ISBA-Ags

è could be strengthen…

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Water routing + irrigation

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Validation: 2 different datasets

Permanent monitoring plots: LERFOB Yield tables: Teobaldelli et al., 2009

RESULTS with Forest Module

Data

Model

Circumference distribution

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Cropland & Grassland Crops: STICS

Grass: PASIM Ø  Modules of Passim included in ORC Ø  Account for grazing Ø  Account for harvest Ø  Under evaluation

ORC ORC-GM PASIM

Ø  Currently: STICS and ORCHIDEE are coupled Ø  Inclusion of STICS modules in ORC will start ! Ø  Mainly using phenology of STICS

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Impact of management on stocks & fluxes

Ü  Effect of management on fluxes and stocks Ü  Periodic decrease of above-ground stocks Ü  Drop in GPP Ü  Slow changes in soil carbon during the rotation

Carbon fluxes at stand scale Carbon stocks at stand scale

RESULTS with Forest Module

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En H LE Kin Lin

K1

K2

K3

Q1, T1, D1, ρ1

Q2, T2, D2, ρ2

Q3, T3, D3, ρ3

J1

J2

J3

Qp

Heat Water P

P1

P2

P3

Ws1, Wl1, D1, ρ1

Ws2, Wl2, D2, ρ2

Ws3, Wl3, D3, ρ3

Top soil layer Top soil layer Separate Separate

Snow : adaptation of ISBA-ES model to Orchidee (T. Wang)

New ORCHIDEE (ORC-N, 3-layers)

Number of snow layers Freezing and refreezing processes Water flow Variable snow density

ORC-O ORC-N Obs. Obs (survey).

Snowmelt runoff

Col de Porte (1994-1995)

SWE

Wang et al. (in prep.) 17

Page 30: Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone - … · Le Modèle des surfaces continentales ORCHIDEE Modèle global des bilans Energie / Eau / Carbone (Composante du modèle

Scientific questions….

Climate impact & feedbacks: Energy & Water balances

Climate impact & feedbacks: Agrosystems

Attribution of global changes

(GHG balances, run-off,..) Tipping Points

•  Impact of surface heterogénéity •  Global climate impact •  Regional climate impact •  Climate Chg and fires •  Climate extreme impact

•  Régional impacts •  Land sharing mitigation potential •  Food supply

•  Carbon sink attribution (climate, N cycle, land use, forest management, fire) •  Change in run-off

•  Boreal regions: Permafrost melting.. •  Amazon: possible die back

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Trop chaud

Sans biais

SIRTA

Analyse des simulations LMDZ « zoomé-guidé » au SIRTA

ORC11 augmente la fraction évaporative

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Development of the 1D version of LMDZ coupled with Orchidee

LMDZ-1D LMDZ 3D zoomé guidé

surface