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Évaluation de l’impact du changement climatique sur la thermique d’un petit lac urbain : exploration numérique via le modèle GLM

Description: 

Contexte

Les lacs, naturels ou de barrage, renferment la majeure partie de l’eau douce liquide disponible sur Terre. Les flux de nutriments et de polluants issus des activités humaines impactent fortement les écosystèmes aquatiques. La qualité de l’eau se dégrade, la biodiversité décline et les biens et services écosystémiques fournis par les lacs (ressource en eau potable, ressource piscicole, attrait paysager, zone de baignade ….) sont affectés. D’après l’Agence européenne pour l’environnement (AEE), 40% des masses d'eau de surface européennes seulement présentaient un état écologique bon ou élevé en 2018 (Kristensen et al. 2018). Ainsi la préservation des écosystèmes lacustres qui constitue déjà un enjeu majeur, sera plus cruciale encore lors des prochaines décennies.

En France, le premier système d’évaluation de la qualité de l’eau, instauré en 1971, permettait de définir à quelle utilisation pouvait être destiné un plan d’eau. En 2000, avec la Directive Cadre Européenne sur l’Eau (DCE), l’objectif est d’atteindre un bon état écologique pour l’ensemble des plans d’eau européens et de le maintenir. Pour cela, des campagnes de mesures sont effectuées régulièrement sur l’ensemble des lacs de surface supérieure à 50 hectares: en France cela représente environ 500 plans d’eau qui comptent pour 65 % de la superficie totale des plans d’eau métropolitains (voir base de données CarTHAge http://www.sandre.eaufrance.fr).

En plus des pollutions d’origine anthropique, les écosystèmes lacustres sont soumis au changement climatique. Plusieurs études ont mis en avant l’impact du réchauffement climatique sur la stratification thermique ainsi que sur la température de l’eau des lacs au cours de ces dernières décennies. Le taux de variation de la température de l’eau étant souvent plus important que celui de la température de l’air, les lacs sont considérés par certains comme des "sentinelles" du changement climatique (Adrian et al. 2009).

La thermique des lacs impacte à son tour la dynamique biogéochimique qui connaît de fortes modifications comme le montrent les phénomènes de proliférations cyanobactériennes (potentiellement toxiques). Ces derniers sont en effet de plus en plus fréquents et de plus en plus intenses. Si l’on sait que l’eutrophisation (due à un apport excessif de nutriments) est en partie responsable de ces phénomènes, le réchauffement climatique y participe également. Les cyanobactéries sont en effet favorisées par une température d’eau assez chaude et par la faible turbulence dans la masse d’eau lors des épisodes de stratification thermique plus fréquents ou longs. De plus, le changement climatique se manifeste également, dans certaines régions hydro-climatiques, par des pluies plus abondantes ce qui peut amener à une augmentation des flux de nutriments provenant des bassins versants, ou des nappes d’eau souterraines. Il participe ainsi à l’eutrophisation des lacs et favorise là encore la prolifération des cyanobactéries.

Dans ce contexte, il est donc important de comprendre et quantifier les contributions relatives des activités anthropiques locales et des changements globaux dans les réponses inter-annuelles des écosystèmes lacustres (qualité des eaux, biodiversité…). Pour cela, la modélisation numérique est un outil intéressant et même indispensable qui permet de comprendre, évaluer et anticiper l’évolution des écosystèmes lacustres.

Objectifs du stage

Durant ce stage on se propose d’étudier la thermique d’un petit lac urbain en mettant en œuvre une approche de modélisation déterministe décrivant les processus thermiques et hydrologiques essentiels.

L’approche proposée sera appliquée sur le lac expérimental de Champs-sur-Marne (Ile-de-France) sur lequel des mesures à haute-fréquence (météorologie, thermique, qualité de l’eau) sont collectées par le LEESU (Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains, Ecole des Ponts ParisTech). Le fonctionnement thermique du plan d’eau sera modélisé avec le modèle unidimensionnel vertical, GLM (General Lake Model), modèle de référence appliqué sur de nombreux plans d’eau, à l’échelle mondiale (e.g. Bruce et al., 2018).

L’objectif est d’évaluer l’impact du changement climatique sur la thermique du lac de Champs-sur-Marne en utilisant le modèle thermique et hydrologique GLM, les données météorologiques passées (données SAFRAN depuis 1960)et les données DRIAS(http://www.drias-climat.fr/) de projections climatiques futures (jusqu’à 2100).


Travaux prévus :

  1. Analyse des données météorologiques SAFRAN (depuis 1960) et des données DRIAS de projections climatiques futures (jusqu’à 2100) pour le site du lac de Champs-sur-Marne, qui seront récupérées via le portail SICLIMA de l’INRAE (https://agroclim.inrae.fr/siclima/).

  2. Simulation rétrospective de la thermique du lac de Champs-sur-Marne en utilisant les données météorologiques SAFRAN de 1960 à 2020. On comparera les résultats avec ceux obtenus dans le cadre de la thèse de F. Piccioni au moyen du modèle 3D Delft3D-FLOW (Piccioni et al. 2021).

  3. Exploration numérique visant à déterminer l’impact du changement climatique futur sur la thermique de l’écosystème. Pour cela, nous ferons varier certains paramètres caractéristiques du climat en fonction de son évolution prévue (température moyenne, précipitation moyenne, ou température maximale, etc.) et étudierons comment la thermique du lac réagit et quel est l’impact sur certains indicateurs tels que ceux étudiés lors de la simulation rétrospective (Piccioni et al. 2021). Les méthodes utilisées seront basées sur des analyses de sensibilité des sorties de modèle. Plus précisément, une méthode développée dans MISTEA combinant analyse de sensibilité et clustering (Roux et al 2021) sera étudiée et adaptée à notre problématique.

    Un second stage portant sur la calibration d’un modèle écologique complexe pour la simulation du cycle biogéochimique du lac de Champs-sur-Marneest également proposé par les mêmes encadrants (voir mail de contact en bas de page pour obtenir des renseignements complémentaires). Le modèle écologique calibré sera basé sur la librairie AED (Aquatic Ecological Dynamics) de processus biogéochimiques en accès libre et couplé avec le modèle thermique et hydrologique GLM. Les deux stagiaires seront accueillis à MISTEA et travailleront en même temps sur leurs sujets respectifs. Ils seront amenés à collaborer pour la prise en main des logiciels, la mise en œuvre du modèle et le traitement des données.

Références

Adrian, R., O'Reilly, C. M., Zagarese, H., Baines, S. B., Hessen, D. O., Keller, W., ... & Winder, M. (2009). Lakes as sentinels of climate change. Limnology and oceanography, 54(6part2), 2283-2297.

Bruce, L. C., Frassl, M. A., Arhonditsis, G. B., Gal, G., Hamilton, D. P., Hanson, P. C., ... & Hipsey, M. R. (2018). A multi-lake comparative analysis of the General Lake Model (GLM): Stress-testing across a global observatory network. Environmental Modelling & Software, 102, 274-291.

Kristensen, P., Whalley, C., Zal, F. N. N., & Christiansen, T. (2018). European waters assessment of status and pressures 2018. EEA Report, (7/2018).

Piccioni, F., Casenave, C., Lemaire, B. J., Le Moigne, P., Dubois, P., & Vinçon-Leite, B. (2021). The thermal response of small and shallow lakes to climate change: new insights from 3D hindcast modelling. Earth System Dynamics, 12(2), 439-456.

Piccioni, F. (2021). Écosystèmes lacustres dans un contexte de changement climatique: stratégie de modélisation couplée hydrodynamique et biogéochimique. Thèse soutenue le 14 octobre 2021.

Roux, S., Buis, S., Lafolie, F., & Lamboni, M. (2021). Cluster-based GSA: Global sensitivity analysis of models with temporal or spatial outputs using clustering. Environmental Modelling & Software, 140, 105046.

Profil recherché

Etudiant(e) en sciences environnementales, hydrologie ou écologie numérique en Master 2, en stage de fin d'études, ou en césure (niveau bac+4) avec un goût pour la modélisation et la simulation numérique. Un bon niveau en programmation est requis (R et/ou python et/ou matlab).

Modalités du stage

La ou le stagiaire sera accueilli(e) au sein de l’UMR MISTEA (Mathématiques Informatique et Statistiques pour l’Environnement et l’Agronomie), sur le campus de la Gaillarde de Montpellier SupAgro – 2 place Pierre Viala, 34090 Montpellier. Le stage sera encadré par Céline Casenave, chercheuse INRAE (Institut National de Recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement) à l’UMR MISTEA (Mathématiques Informatiques et Statistiques pour l’Environnement et l’Agronomie), Gilles Le Moguédec, chercheur INRAE à l’UMR AMAP (botAnique et Modélisation de l’Architecture des Plantes et des végétations) et par Brigitte Vinçon-Leite, chercheuse au LEESU-ENPC (Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbains, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées).

 

La durée du stage sera de 6 mois et pourra commencer dès février 2023 en fonction des disponibilités du(de la) stagiaire. Le(la) stagiaire bénéficiera d’une gratification de stage ainsi qu’un tarif cantine réduit.

Contacts :

Merci d’envoyer votre dossier de candidature (CV, derniers relevé de notes et lettre de motivation) à :

Céline Casenave : , Gilles Le Moguédec et Brigitte Vinçon-Leite :  

 

 

Type de l'offre: 
Date limite de la candidature: 
30/09/2022
Période d'emploi: 
01/02/2023 - 31/07/2023
Email du contact: 
Unité de recherche d'affectation: 
Localisation CR INRA: