Calcul intensif pour l'évaluation de la vulnérabilité en utilisant une approche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles : application à la vulnérabilité des prairies au changement climatique sous contraintes de plans d'expériences

par Romain Lardy

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de David R. C. Hill et de Gianni Bellocchi.

Le président du jury était Michel Duru.

Le jury était composé de Eric Ramat, Jean-Christophe Soulié, Bruno Bachelet.

Les rapporteurs étaient Eric Ramat, Jean-Christophe Soulié.


  • Résumé

    La vulnérabilité est le degré de stress ou de perturbation qu’un système humain et environnemental est capable de supporter avant d’être endommagé. Au cours des dernières années, c’est devenu un sujet central de l’étude du changement global (incluant le changement climatique), et l’évaluation de la vulnérabilité des agro-écosystèmes aux changements climatiques s’inscrit en effet dans les axes prioritaires de l’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA). La littérature sur le changement climatique contient de nombreuses explications de la vulnérabilité, basée sur la notion de sensibilité et faisant éventuellement appel à des idées plus complexes, depuis la prise en compte de l’exposition jusqu’aux impacts résiduels du changement climatique après mise en place de mesures d’adaptation. Dans le cadre des activités de l’Unité de Recherche sur les Ecosystèmes Prairiaux (UREP), l’intérêt porte sur la vulnérabilité des systèmes prairiaux et d’élevage face aux risques de réduction de la production laitière et herbagère, ainsi que la problématique de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre qui accompagne la production des services d’un écosystème prairial.Compte-tenu du fait que l’analyse de vulnérabilité s’apparente à une forme d’analyse de sensibilité et de la cascade d’incertitudes lors des évaluations des impacts du changement climatique, un grand nombre de simulations sont nécessaires. Dans ce cadre, afin de réduire le temps d’attente utilisateur, la conception d’un plan expérimental approprié est nécessaire, ainsi que l’utilisation du calcul à haute performance. De plus, l’analyse de vulnérabilité peut se composer de nombreuses étapes parmi lesquelles on trouve la conception (choix du modèle agro-écologique, des variables d’intérêt, des scénarii et des seuils de référence, la distribution des paramètres, …), la génération de plans expérimentaux, la création de surfaces de réponse, le calcul de métriques (par exemple des indices de vulnérabilité) et l’optimisation (à travers la conception et l’évaluation de mesures d’adaptation) de la vulnérabilité. À notre connaissance, aucun outil spécifique n’a été conçu ou validé dans le but de faciliter l’exécution de la majeure partie des tâches énoncées précédemment. Ainsi, la problématique de cette thèse a été de proposer une méthode générique pour la réalisation d’une analyse de vulnérabilité sous changement climatique. Le travail réalisé dans cette thèse a donc commencé par une révision du concept de vulnérabilité et la proposition d’une démarche générique, en s’appuyant sur une synthèse critique des notions de l’état de l’art. Ensuite, avec une approche d’Ingénierie Dirigée par les Modèles, nous avons conçu un outil informatique pour l’analyse de vulnérabilité. Cet outil, implémenté avec le cadriciel Eclipse Modeling Framework (EMF),est générique, modulaire et permet la distribution et l’interprétation des simulations. Enfin,des exemples applicatifs d’analyse de vulnérabilité au changement climatique ont été réalisés à l’aide des solutions proposées précédemment. Cette démarche s’est notamment appuyée sur l’utilisation du modèle biogéochimique d’écosystème prairial PaSim ([Riedo et al., 1998], [Vuichard 2007a], [Graux 2011]).

  • Titre traduit

    Intensive calculation for vulnerability assessment using a Model Driven Engineering approach : application to prairie vulnerability to climate change under experimental design constraints


  • Résumé

    Vulnerability is the degree to which human or environmental systems are likely toexperience harm due to a perturbation or a stress. In the last years, it has become a centralfocus of the global change (including climate change). Assessing the vulnerability of agroecosystemsto climate change is one of the priority areas of the French National Institute ofAgronomic Research (INRA). The climate change literature contains many explanations ofvulnerability, stemming from the notion of sensitivity to more complex ideas, yet takinginto account the exposure history of the system up to residual impacts of climate changeafter adaptation. In the framework of the activities of the INRA’s Grassland EcosystemResearch Unit (UREP) of Clermont-Ferrand, interest is on vulnerability of grassland andlivestock systems against the risk of reduced milk and forage production, and against theproblem of increased greenhouse gas emissions that comes with the production ofgrassland ecosystem services.Vulnerability assessment has similarities with sensitivity analysis and is based onsimulations of the target system, forced to respond to the changes of stress factors. Due tothe cascade of uncertainties in climate change impacts assessment, a large number ofsimulations are necessary. In this context, the need to reduce user waiting time calls for theconception of an appropriate experimental plan, as well as the use of high performancecomputing. Moreover, vulnerability assessment may consist of many steps, such asdesigning the experiment (choice of agro-ecological model, variables of interest, scenarios,reference thresholds, parameters distribution …), designing of the experimental plans,regressing response surfaces, computing metrics (e.g. vulnerability indices) and optimizingvulnerability (through designing and evaluating adaptation measures). To our knowledge,no specific tool has been built or validated, in order to facilitate the implementation ofmost of these tasks. Thus, the goal of this thesis was to propose a generic method toperform a comprehensive vulnerability analysis to climate change. The work in this thesishas begun with a review of the concept of vulnerability and the proposal of a genericapproach, based on a critical synthesis of the state of the art. Then, with a Model DrivenEngineering approach, we have developed a computer tool for vulnerability analysis. Thistool, implemented with the modelling framework Eclipse Modeling Framework (EMF) isgeneric, modular and allows the distribution and interpretation of simulation results.Finally, application examples of climate change vulnerability assessment were achievedwith the previously proposed solutions. This approach relied, in particular, on the use ofthe grassland ecosystem biogeochemical model PaSim ([Riedo et al., 1998], [Vuichard2007a], [Graux 2011]).


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