Modélisation des flux de carbone, d'énergie et d'eau entre l'atmosphère et des écosystèmes de steppe sahélienne avec un modèle de végétation global

par Pierre Brender

Thèse de doctorat en Sciences de l'environnement

Sous la direction de Philippe Ciais et de Catherine Ottlé.

Soutenue le 29-05-2012

à Paris, AgroParisTech , dans le cadre de Ecole Doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (2000-2015 ; Paris) , en partenariat avec Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] (laboratoire) .

Le président du jury était Cyril Kao.

Le jury était composé de Philippe Ciais, Catherine Ottlé, Jérôme Demarty, Pierre Hiernaux, Jan Polcher.

Les rapporteurs étaient Thierry Lebel, Eric Mougin.


  • Résumé

    Compte tenu de la vulnérabilité de la population rurale de la région sahélienne aux aléas pluviométriques, et devant les ambitions de certains acteurs d’utiliser le levier de l’usage des terres pour contribuer à l’atténuation du changement climatique, il est important de comprendre les facteurs contribuant à la variabilité de la couverture végétale au Sahel.Une synthèse de la littérature expliquant l’évolution récente de la végétation au Sahel est donc d’abord présentée. Les études s’intéressant au paradigme qui souligne l’impact de l’usage des terres sur les précipitations en Afrique de l’Ouest évaluent principalement ces effets par le couplage de modèles dynamiques globaux de végétation – DGVM – avec des modèles de circulation générale. C’est à l’amélioration d’un tel DGVM, ORCHIDEE, développé à l’Institut Pierre Simon Laplace, que le reste du travail cherche à contribuer.Comme d’autres études ont montré qu’il était possible d’utiliser en première approximation les steppes pâturées et les jachères pour décrire le comportement global de la surface sahélienne, les écarts entre modèle et mesures sont caractérisés pour une jachère située à proximité de Wankama (Niger). Plus précisément, les forces et faiblesses de la paramétrisation et de la structure par défaut du modèle sont diagnostiqués, et l’importance de la réduction d’erreur permise par l’optimisation de certains des paramètres est donnée. En particulier, l’emploi d’une résolution aux différences finies de la diffusion de l’eau dans la colonne de sol est évalué, dans la mesure où cela permet de mieux simuler la réponse rapide du flux évaporatoire aux événements pluvieux que le schéma conceptuel utilisé par défaut dans ORCHIDEE.Le réalisme du modèle est également mesuré à l’échelle régionale, par la comparaison d’observations de NDVI GIMMS_3G à la couverture végétale simulée par le modèle en réponse à différents forçages climatiques . Si les modifications introduites au cours du travail ne permettent pas de mieux décrire les tendances de la végétation au cours des dernières décennies, tirer partie des leçons du présent travail pourra se révéler utile. Il en est de même des conclusions de l’étude de la transitivité des biais conditionnels du modèle réalisée avec Tao Wang et présentée en annexe B.

  • Titre traduit

    Modelisation of carbon, water and energy fluxes between the atmosphere and sahelian ecosystems with a dynamic global vegetation model.


  • Résumé

    The evolution of the land-surface conditions is often assessed through the use of “dynamic global vegetation models”, as is shown in a review of the current understanding of the factors of variability and of the recent evolution of the vegetation cover in the Sahel. Such models are also coupled to atmospheric general circulation models to evaluate the land feedback on precipitation in monsoonal climates.Thus, the improvement of the skills of such surface models to simulate the radiative and turbulent fluxes between the land of surface and the atmosphere in the Sahel over a range of scales from hourly to multi-annual has a potential to have significant implications. This is especially true considering the vulnerability of the rural population of the region, which largely relies on rainfed agriculture and the interest on the evolution of the carbon stocks of ecosystems in the context of climate change. Such a work on the ORCHIDEE model is presented here. In complement to croplands, rangelands and fallows represent a large share of the sahelian landscapes and have intermediate characteristics between erosion glacis and acacia bushes. As such, their evolution (in terms of albedo, roughness length,…) may be used to study the Sahel ecosystem behaviour as a first approximation. Differences between model outputs and field observations are quantified for a fallow close to Wankama (Niger). More precisely, some of the drawbacks of the standard parametrisation and structure of the model are diagnosed, and the range of reduction of the model-observation mismatch that results from optimizing some of the parameters are given (plant phenology,…). In particular, the use of a finite difference resolution of the soil water diffusion is considered as it enables to better simulate the fast response of evaporative fluxes to rainfall than the conceptual scheme routinely used in ORCHIDEE. The benefits of the use of such a “physical” hydrological scheme on the different outputs of the surface scheme is evaluated.The realism of the model is also measured at the regional scale, through a comparison with GIMMS_3G NDVI time series over West Africa. If the modifications that have been introduced in the model don’t improve its ability to describe the vegetation cover trends over the last decades in the region, several lessons can be kept from the analysis that has been realised, especially from the work on the transitivity of state-dependant model biases that has been conducted with Tao Wang and which is presented in annex B.


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