Variarional data assimilation in the land surface model ORCHIDEE using YAO

Un modèle de surface continentale (LSM en anglais) est un modèle numérique décrivant les échanges d'eau et d'énergie entre la surface terrestre et l'atmosphère. La physique de la surface de la terre comprend une vaste collection de processus complexes. L'équilibre entre la complexité du modèle et sa résolution, confronté à des limitations de calcul, représente une question fondamentale dans le développement d'un LSM. Les observations des phénomènes étudiés sont nécessaires afin d’adapter la valeur des paramètres du modèle à des variables reproduisant le monde réel. Le processus d'étalonnage consiste en une recherche des paramètres du modèle qui minimisent l’écart entre les résultats du modèle et un ensemble d'observations. Dans ce travail, nous montrons comment l'assimilation variationnelle de données est appliquée aux bilans d'énergie et d'eau du modèle de surface continentale ORCHIDEE afin d’étalonner les paramètres internes du modèle. Cette partie du modèle est appelé SECHIBA. Le logiciel YAO est utilisé pour faciliter la mise en œuvre de l'assimilation variationnelle 4DVAR. Une analyse de sensibilité a été réalisée afin d'identifier les paramètres les plus influents sur la température. Avec la hiérarchie des paramètres obtenue, des expériences jumelles à partir d'observations synthétiques ont été mises en œuvre. Les résultats obtenus suggèrent que l'assimilation de la température de surface a le potentiel d'améliorer les estimations de variables, en ajustant correctement les paramètres de contrôle. Enfin, plusieurs assimilations ont été faites en utilisant des observations de données réelles du site SMOSREX à Toulouse, France. Les expériences faites en utilisant différentes valeurs initiales pour les paramètres, montrent les limites de l'assimilation de la température pour contraindre les paramètres de contrôle. Même si l'estimation des variables est améliorée, ceci est dû à des valeurs finales des paramètres aux limites des intervalles prescrit de la fonction de coût. Afin de parvenir à un minimum, il faudrait permettre aux paramètres de visiter des valeurs irréalistes. Les résultats montrent que SECHIBA ne simule pas correctement simultanément la température et les flux et la relation entre les deux n’est pas toujours cohérente selon le régime (ou les valeurs des paramètres que l’on utilise). Il faut donc travailler sur la physique pour mieux simuler la température. En outre, la sensibilité des paramètres à la température n’est pas toujours suffisante, donnant une fonction de coût plate dans l’espace des paramètres prescrit. Nos résultats montrent que le système d'assimilation mis en place est robuste, puisque les résultats des expériences jumelles sont satisfaisants. Le couplage entre l'hydrologie et la thermodynamique dans SECHIBA doit donc être revu afin d'améliorer l'estimation des variables. Une étude exhaustive de l'erreur des mesures doit être menée afin de récupérer des termes de pondération dans la fonction de coût. Enfin, l'assimilation d'autres variables telles que l'humidité du sol peut maintenant être réalisée afin d'évaluer l'impact sur les performances de l’assimilation.A land surface model (LSM) is a numerical model describing the exchange of water and energy between the land surface and the atmosphere. Land surface physics includes an extensive collection of complex processes. The balance between model complexity and resolution, subject to computational limitations, represents a fundamental query in the development of a LSM. With the purpose of adapting the value of the model parameters to values that reproduces results in the real world, measurements are necessary in order to compare to our estimations to the real world. The calibration process consists in an optimization of model parameters for a better agreement between model results and a set of observations, reducing the gap between the model and the available measurements. Here we show how variational data assimilation is applied to the energy and water budgets modules of the ORCHIDEE land surface model in order to constrain the model internal parameters. This part of the model is denoted SECHIBA. The adjoint semi-generator software denoted YAO is used as a framework to implement the 4DVAR assimilation. A sensitivity analysis was performed in order to identify the most influent parameters to temperature. With the parameter hierarchy resolved, twin experiments using synthetic observations were implemented for controlling the most sensitive parameters. Results obtained suggest that land surface temperature assimilation has the potential of improving the output estimations by adjusting properly the control parameters. Finally, several assimilations were made using observational meteorology dataset from the SMOSREX site in Toulouse, France. The experiments implemented, using different prior values for the parameters, show the limits of the temperature assimilation to constrain control parameters. Even though variable estimation is slightly improved, this is due to final parameter values are at the edge of a variation interval in the cost function. Effectively reaching a minimum would require allowing the parameters to visit unrealistic values. SECHIBA does not correctly simulates simultaneously temperature and fluxes and the relationship between the two is not always consistent according to the regime (or parameter values that are used). We must therefore work on the physical aspects to better simulate the temperature. Likewise, the parameter sensitivity to temperature is not always sufficient, giving as a result a flat cost function. Our results show that the assimilation system implemented is robust, since performances results in twin experiments are satisfactory. The coupling between the hydrology and the thermodynamics in SECHIBA must be reviewed in order to improve variable estimation. An exhaustive study of the prior errors in the measurements must be conducted in order to retrieve more adapted weighing terms in the cost function. Finally, the assimilation of other variables such as soil moisture should be performed to evaluate the impacts in constraining control parameter