Aperçu

Ce document fournit un aperçu des données de ruissellement d'ERA5-Land, dans le contexte de l'ensemble plus vaste de données ERA5-Land. ERA5-Land est une variante pour de la composante terrestre de la réanalyse atmosphérique globale ERA5 utilisant une résolution spatiale plus fine et incluant une série d'améliorations la rendant plus précise pour tous les types d'applications terrestres. ERA5-Land est produit par l’ECMWF encadré par le Service des changements climatiques de Copernicus (C3S). Les données couvrent une période allant de janvier 1950 à aujourd'hui. Elles fournissent des données horaires pour de nombreux paramètres atmosphériques et de la surface terrestre proches de la surface.

Coordonnées du fournisseur

ERA5-Land est produit par le Service des changements climatiques de Copernicus (C3S) à l’ECMWF.

Support aux utilisateurs de Copernicus (copernicus-support@ecmwf.int (externe à C3S)).

Licences

Licence : Copernicus (Les informations sur l'accord de licence peuvent être trouvées ici ou ici).

Jeu de données doit être cité comme : Muñoz Sabater, J., (2019) : « ERA5-Land hourly data from 1981 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). (Accessed on < DD-MMM-YYYY >), 10.24381/cds.e2161bac ».

Nom de la variable et unités :

Une partie de l'eau provenant des précipitations, de la fonte des neiges ou de la profondeur du sol, reste stockée dans le sol. Sinon, l'eau s'écoule, soit à la surface (ruissellement de surface), soit sous le sol (ruissellement souterrain) et la somme de ces deux phénomènes est simplement appelée "ruissellement". ERA5-Land offre des données pour ces trois variables sous forme de sous-ensembles horaires et mensuels :

- Ruissellement en m

- Ruissellement souterrain en m

- Ruissellement de surface en m

Ces trois variables représentent la quantité totale d'eau accumulée depuis le début du temps de prévision jusqu'à la fin de l'étape de prévision. Les unités des trois variables de ruissellement sont la profondeur en mètres. Il s'agit de la profondeur qu'aurait l'eau si elle était répartie uniformément sur la maille. De plus amples informations sur le calcul du ruissellement sont données dans la documentation « IFS Physical Processes ».

Ces produits peuvent être trouvés en sélectionnant leur nom dans la catégorie "Évaporation et ruissellement" sur les pages ci-dessous :

- données horaires de 1950 à aujourd'hui,

- données moyennes mensuelles de 1981 à aujourd'hui,

Couverture et résolution spatiales :

ERA5-Land est un jeu de données global sur la surface terrestre. Les données atmosphériques sont disponibles sur une grille régulière de latitude-longitude à une résolution de 0,1o x 0,1o (convertie à partir d’une grille gaussienne native à une grille d'environ 9 km x 9 km), et sur 4 couches de surface. Les océans ont été masqués et des données sont disponibles sur les masses terrestres et les lacs intérieurs.

Couverture et résolution temporelles :

Les données de température à 2 m d'ERA5-Land sont disponibles de 1950 à aujourd'hui. Les données sont disponibles à l'échantillonnage horaire et mensuel (voir ci-dessus).

Les mises à jour des données de température à 2 m d'ERA5-Land sont effectuées de manière synchrone avec les mises à jour d'ERA5, avec environ 2 à 3 mois de retard sur le temps réel.

Informations sur les observations (nombre, homogénéité)

ERA5-Land n'est pas directement influencé par les observations, mais plutôt indirectement par les forçages atmosphériques d'ERA5. L'assimilation de données d'ERA5 utilise des observations pour plusieures les quantités géophysiques à partir d'environ 0,75 million d'observations par jour en 1979 et d'environ 24 millions en 2018. La 2D-OI utilise des observations de surface. La documentation technique en ligne (uniquement en anglais) fournit des tableaux avec les observations satellitaires et in-situ utilisées comme entrée dans ERA5. De plus amples détails peuvent également être trouvés dans le document ERA5 précédemment présenté dans ce document.

Méthodologie

ERA5-Land est produit dans le cadre d'une simulation unique de la composante terrestre pilotée par la réanalyse climatique ERA5, sans couplage avec le module atmosphérique du système intégré de prévision (IFS) de l’ECMWF et sans assimilation de données. Le forçage de la basse atmosphère est fourni par la réanalyse ERA5, avec une correction supplémentaire du gradient vertical. Le cœur d'ERA5-Land est le « Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land » incorporant l'hydrologie de la surface terrestre (H-TESSEL). Comme il fonctionne sans assimilation de données, il est abordable sur le plan informatique pour des mises à jour relativement rapides. Par exemple, si des améliorations significatives du modèle de surface terrestre sont mises en œuvre, l'ensemble ou une partie du jeu de données peut être retraité dans une période relativement courte. Les mises à jour sont possibles dans le cas où des jeux de données auxiliaires améliorés sont utilisés comme entrée pour la production.

La production d'ERA5-Land n'est pas réalisée comme un seul segment continu, mais plutôt comme trois segments : Segment-1 (à partir de 2001), Segment-2 (1981-2000), et Segment-3 (1950-1980). Cela permet une production en parallèle des données, ce qui permet un accès plus rapide aux données, et parce que les forçages atmosphériques utilisés par ERA5-Land sont dérivés d'ERA5, ce qui nécessite un segment ERA5 complet correspondant. Chaque flux est initialisé avec divers champs météorologiques d'ERA5 (température, précipitation, humidité, radiation, etc.). Alors que ERA5-Land n'assimile pas directement les observations, celles-ci sont introduites via les forçages atmosphériques d'ERA5. Ces forçages sont ajustés à l'aide des gradiens dérivés d'ERA5 avant d'être intégrés au modèle de surface de l’ECMWF « Carbon Hydrology-Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land » (CHTESSEL). Cela se fait par cycles de 24 heures, générant des sorties horaires et l'évolution de l'état de la surface terrestre et des flux d'eau et d'énergie. Pour plus de détails sur le système d'assimilation utilisé pour obtenir les forçages atmosphériques de l'ERA5, veuillez consulter le document ERA5 présenté dans ce document.

Dans le schéma H-TESSEL d'hydrologie de surface terrestre, chaque maille terrestre est divisée en fractions (tuiles), avec jusqu'à six fractions (sol nu, végétation basse et haute, eau interceptée, neige ombragée et exposée). Chaque fraction a ses propres propriétés définissant des flux de chaleur et d'eau distincts utilisés dans une équation de bilan énergétique résolue pour la température de la peau de la tuile. De nouveaux schémas d'infiltration et de ruissellement sont introduits avec une dépendance à la texture du sol et à l'écart type de l'orographie. Le manteau neigeux est traité en tenant compte de ses propriétés d'isolation thermique et d'une représentation plus réaliste de la densité, de l'interception de la pluie liquide et d'un schéma révisé pour les processus de vieillissement de l'albédo et du métamorphisme. Une nouvelle formulation pour représenter les masses d'eau intérieures, à la fois pour les lacs résolus et les eaux côtières sous-grille à l'état liquide et gelé, est introduite avec une nouvelle tuile d'eau dédiée. Un document de référence est fourni au ECMWF : Une hydrologie révisée pour le modèle de l’ECMWF : Vérification du site de terrain au stockage de l'eau terrestre et impact dans le système de prévision intégré.

Estimation de l'incertitude : Actuellement, les estimations d'incertitude des variables ERA5-Land sont celles correspondant à ERA5. L'estimation de l'incertitude d'ERA5 est échantillonnée par un ensemble d'assimilation de données (EDA) de 10 membres à plus basse résolution qui fournit des estimations de l'erreur de fond pour le système déterministe d'assimilation de données 4D-Var du HRES. La méthode d'analyse est la même pour chaque membre de l'EDA et suit celle du HRES. Chaque membre (sauf le contrôle) est exécuté avec différentes perturbations aléatoires ajoutées aux observations. De même, les tendances physiques du modèle sont perturbées dans les prévisions courtes qui relient les fenêtres d'analyse ultérieures. La moyenne et l'écart de l'ensemble ont été pré-calculés pour des raisons de commodité. Ces estimations d'incertitude sont étroitement liées au contenu en information du système d'observation disponible, qui a considérablement évolué au fil du temps. Elles indiquent également les zones sensibles dépendant du débit. Pour faciliter de nombreuses applications climatiques, les moyennes mensuelles ont également été précalculées, bien que les moyennes mensuelles ne soient pas disponibles pour la moyenne et la dispersion de l'ensemble.

Le plan initial était d'appliquer la même méthodologie que pour ERA5-Land afin de fournir une estimation des champs d'incertitude, comme cela a été fait pour ERA5. Cependant, l'incertitude a été estimée comme étant extrêmement faible, et aurait attribué un niveau de confiance irréaliste aux variables d'ERA5-Land. Il est donc recommandé d'utiliser les estimations d'incertitude correspondantes d'ERA5 pour le moment, jusqu'à ce que d'autres études soient effectuées.

Informations concernant la qualité technique et scientifique

ERA5-Land représente l'un des produits de la dernière réanalyse atmosphérique globale produite par le Service des changements climatiques de Copernicus au ECMWF. Elle est archivée à un pas de temps plus court (horaire), a une résolution spatiale fine, utilise un système d'assimilation plus avancé et inclut plus de sources de données que les versions précédentes (par exemple, ERA-Interim-Land). Il est accompagné d'une documentation technique complète et de deux documents de documentation scientifique principaux. Une liste des "problèmes connus" est tenue à jour dans la documentation en ligne (https://confluence.ecmwf.int/display/CKB/ERA5-Land%3A+data+documentation). La validation par rapport à de multiples ensembles de données in situ est présentée dans le document de référence Muñoz-Sabater et coll. 2021.

Informations sur le modèle de surface terrestre : Le modèle de surface terrestre de l'ERA5-Land était opérationnel en 2018 avec le cycle de modèle IFS 45r1. Bien que la plupart des changements par rapport à l'IFS Cy41R2 utilisé dans ERA5 soient principalement techniques, quelques améliorations ont été apportées à divers domaines : 1) la paramétrisation de la conductivité thermique du sol a été mise à jour pour prendre en compte la composante glace des sols gelés, 2) la conservation de l'équilibre sol-eau a été corrigée et améliorée, et 3) la pluie sur la neige est désormais prise en compte et n'est pas accumulée dans le manteau neigeux. De plus, un bug existant dans IFS Cy41R2, qui affecte les calculs de flux d'évapotranspiration potentielle (ETP) sur les forêts et les déserts, a été corrigé dans ERA5-Land, et contrairement à ERA5, ERA5-Land ETP est un jeu de données disponible. Cependant, la ETP est maintenant déterminée en supposant un type de végétation de cultures et aucune contrainte d'humidité du sol. Ces hypothèses ne sont pas toujours réalistes, et la ETP doit donc être utilisée avec précaution. Il est peu probable que cela affecte la température ERA5-Land à 2 m dans le nord du Canada, mais l'utilisateur doit être conscient de la raison de cette mise à jour. De plus amples informations sur le modèle de surface terrestre CHTESSEL utilisé dans ERA5-Land peuvent être trouvées dans Muñoz-Sabater et coll. (2021, preprint).

Contraintes et atouts pour l’application dans le nord du Canada

ERA5-Land est une réanalyse de la surface terrestre plus récente et il existe peu d'évaluations scientifiques du jeu de données consacrées spécifiquement au nord du Canada. Cependant, il faut noter que dans le nord du Canada, il n'y a actuellement aucun enregistrement sous-quotidien sur une longue période historique pour de nombreuses stations météorologiques. ERA5-Land vise à fournir une meilleure description des cycles de l'eau et de l'énergie au niveau de la surface, répondant ainsi à la demande croissante des communautés d'utilisateurs des terres qui souhaitent avoir accès à des ensembles de données à long terme de plus haute résolution. Le schéma amélioré d'hydrologie de surface à haute résolution intègre le ruissellement et le drainage de surface avec des dépendances fonctionnelles sur l'orographie et la texture du sol, respectivement.

Comme pour toutes les données sur grille, les valeurs observées des différents paramètres à l'échelle locale peuvent différer des valeurs fournies par l'ensemble des données maillées, qui représentent un résumé statistique de la zone entourant un point de grille. Il convient d'être prudent lors de la comparaison des variables du modèle avec les observations. Les observations sont également souvent prises dans des unités différentes, telles que mm/jour, plutôt que les mètres accumulés produits ici pour le ruissellement.

Comme pour toutes les données de "réanalyse", les changements dans les quantités et les types de données d'observation qui sont assimilées peuvent avoir un impact négatif sur les tendances ou la variabilité.

Références aux documents décrivant la méthodologie ou/et le jeu de données

Muñoz Sabater, J., 2019 : « ERA5-Land hourly data from 1981 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). (Accessed on < DD-Month-YYYY >), https://doi.org/10.24381/cds.e2161bac ».

Muñoz-Sabater, J., E. Dutra, A. Agustí-Panareda, C. Albergel, G. Arduini, G., Balsamo, S. Boussetta, M. Choulga, S. Harrigan, H. Hersbach, B. Martens, D. G. Miralles, M. Piles, N. J. Rodríguez-Fernández, E. Zsoter, C. Buontempo, et J.-N. Thépaut, 2021 : « ERA5-Land : A state-of-the-art global reanalysis dataset for land applications. Earth System Science Data », 13(9), 4349-4383. https://doi.org/10.5194/essd-2021-82

Hersbach, H., B .Bell, P. Berrisford, S. Hirahara, A. Horányi, J. Muñoz-Sabater, J. Nicolas, C. Peubey, R. Radu, D. Schepers, A. Simmons, C. Soci, S. Abdalla, X. Abellan, G. Balsamo, P. Bechtold, G. Biavati, J. Bidlot, M. Bonavita, G. Chiara, P. Dahlgren, D. Dee, M. Diamantakis, R. Dragani, J. Flemming, R. Forbes, M. Fuentes, A. Geer, L. Haimberger, S. Healy, R.J. Hogan, E. Hólm, M. Janisková, S. Keeley, P. Laloyaux, P. Lopez, C. Lupu, G. Radnoti, P. Rosnay, I. Rozum, F. Vamborg, S. Villaume, et J.-.N. Thépaut, 2020 : « The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society », 146(730), 1999-2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803.

Lien pour télécharger les données et format des données :

Accès aux données : Copernicus | ECMWF (nécessite une connexion)

ERA5-Land est disponible en formats GRIB et NetCDF.

Lien pour télécharger des données horaires et mensuelles sur Copernicus :

- données horaires de 1950 à aujourd'hui,

- données moyennes mensuelles de 1981 à aujourd'hui

Publications comprenant l'évaluation de l'ensemble des données ou la comparaison avec d'autres données au Canada.