Relation et rétroaction entre les changements du LULC et la variabilité hydroclimatique en Amazonie

Relationship and feedback between LULC changes and hydroclimatic variability in Amazonia

• Auteur / Autrice : Omar Gutierrez Cori
• Direction : Laurent Li, Hervé Le Treut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie
• Date : Soutenance le 06/05/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Codron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Simeoni-Sauvage, Sebastiaan Luyssaert, Yves Tramblay
• DOI : 10.70675/c0b27205zdad9z4c2azaf24z18aabd10eb56

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatologie -- Recherche

Amazonie

Hydrologie forestière

Interaction sol-atmosphère

Changements climatiques

Modèles mathématiques

Utilisation du sol

Télédétection

Mots clés libres

Déforestation en Amazonie

Système végétation-atmosphère

Limité par l'eau et l'énergie

Transition biophysique

Conditions de sécheresse

Modèles ORCHIDEE et LMDZ

Amazon Deforestation

Vegetation-Atmosphere System

Water and Energy limited

Biophysical transition

Dryness condition

ORCHIDEE and LMDZ models

Résumé

La forêt amazonienne joue un rôle essentiel en tant que régulateur du système climatique et principal puits de carbone terrestre. Il contrôle les processus hydroclimatiques et atténue les effets des sécheresses grâce au couplage végétation-atmosphère. En fait, les forêts amazoniennes peuvent potentiellement affecter les régimes de précipitations grâce à des processus biophysiques tels que le recyclage de l'eau. Cependant, ces capacités ont été réduites au cours des dernières décennies en raison des perturbations du système climat-végétation ainsi que de l'intensification des sécheresses. Cela a accentué un processus de transition biophysique d'un écosystème à prédominance forestière vers une savane. Par conséquent, compte tenu de ces complexités, il est extrêmement important de comprendre la direction des changements.À l'aide de plusieurs ensembles de données et du modèle couplé ORCHIDEE-LMDZ, cette thèse approfondit l'étude des interactions entre l'hydroclimatologie et la végétation amazonienne. En outre, il cherche à élargir notre compréhension des modifications du système végétation-atmosphère et de ses liens avec le climat et des changements du LULC. De même, en tenant compte des taux croissants de déforestation, il étudie les effets et les rétroactions résultant d'un scénario de perte forestière à grande échelle sur les processus hydrologiques.Les résultats montrent que, dans le sud-ouest de l'Amazonie, les forêts passant d'un état influencé par la disponibilité énergétique à un état dépendant de la disponibilité en eau tout au long de l'année. Pendant la saison des pluies, la croissance de la végétation est principalement influencée par la disponibilité en énergie plutôt que par la disponibilité en eau. Cependant, en dehors de cette période, les forêts réagissent positivement aux précipitations et au stockage terrestre de l'eau, ce qui suggère que la végétation dépend principalement de l'approvisionnement hydrique. Toutefois, une analyse spatiale révèle que la déforestation récente modifie ces transitions et déstabilise l'équilibre naturel du système climat-végétation.La nature de ces déséquilibres en Amazonie n'est pas complètement claire. En examinant les liens entre les flux d'eau/énergie et les conditions de végétation, nous explorons si ces changements sont inhérents au climat ou résultent de processus anthropiques. 67% du sud-ouest a connu une transition vers un état majoritairement sec en raison du climat (forçage externe), tandis que 21% a connu une transition vers un état dominé par la déforestation (forçage interne). Cependant, les moteurs externes et internes entraînent simultanément des changements. En quantifiant les forçages, nous montrons que les synergies ont amené 74% du sud-ouest de l'Amazonie à un état de stress hydrique élevé. Or, ces dernières années, 30% des changements sont strictement dominés par des forçages internes. Cela suggère que les processus internes jouent un rôle croissant dans la transition vers des états caractérisés par un stress hydrique forestier élevé, particulièrement là où la déforestation et la pression anthropique augmentent.À l'aide du modèle couplé ORCHIDEE-LMDZ, les effets de la déforestation projetée de l'Amazonie d'ici 2050 sur le cycle de l'eau et la sécheresse sont examinés. La déforestation diminue les précipitations, réduit l'évapotranspiration et augmente le ruissellement. De plus, elle accentue le stress hydrique, notamment dans le sud-ouest de l'Amazonie (retour positif). La demande en eau dans l'atmosphère, à la surface et même dans la zone racinaire du sol s'intensifie pendant la saison sèche. Pendant la saison des pluies, le déficit d'humidité atmosphérique devient encore plus aigu vers les Andes tropicales, sur la région de l'Altiplano. Ces résultats permettent de mieux comprendre les effets possibles du déboisement massif sur la disponibilité en eau et la résilience de l'Amazonie dans un contexte où les changements se produisent à un rythme accéléré.

The Amazon rainforest plays a vital role by functioning as a regulator of the climate system and as the main terrestrial carbon sink. It drives hydroclimatic processes and mitigates the effects of droughts through vegetation-atmosphere coupling. Indeed, Amazon forests have the potential to impact rainfall patterns through biophysical processes like water recycling. However, these capacities have been reduced during the last decades due to disturbances in the climate-vegetation system together with the intensification of droughts. All this has accentuated a process of biophysical transition from a predominantly forested ecosystem to a Savanna. Therefore, given these complexities, understanding the direction of changes is of vital importance.Using multiple datasets and the coupled ORCHIDEE and LMDZ models, this thesis delves into the study of the interactions between Amazon hydroclimatology and vegetation. In addition, it seeks to expand our understanding of modifications in the vegetation-atmosphere system and its links with climate and LULC changes. Likewise, taking into account the increasing rates of deforestation, it investigates the effects and feedback resulting from a large-scale forest loss scenario on hydrological processes.The results show that, over the southwestern Amazon, forests undergo a transition from being influenced by energy availability to depending on water availability throughout the year. During the rainy season, vegetation growth is primarily influenced by energy availability rather than water availability. Nevertheless, outside of this period, forests respond positively to precipitation and terrestrial water storage, suggesting that vegetation is primarily dependent on water supply. However, a spatial analysis reveals that recent deforestation modifies these transitions and destabilizes the natural balance in the climate-vegetation system.The nature of these imbalances in the Amazon is not entirely clarified. Through an approach based on the relationships of water/energy fluxes and vegetation conditions over the last four decades, it is explored whether these changes are intrinsic to climate variability or are driven by anthropogenic processes. 67% of the southwestern Amazon has experienced a transition towards a predominantly dry state due to climatic factors (external forcing), while 21% has transitioned towards a state dominated by deforestation (internal forcing). However, external and internal forcings are not independent processes, as both mechanisms drive changes simultaneously. By weighing the magnitudes of these forcings, we show that the synergies have led 74% of the southwestern Amazon toward a state of greater water stress. Nevertheless, during recent years, although combined external-internal processes continue to exert significant control over changes, 30% of these are strictly dominated by internal forcing. This suggests that internal processes are playing an increasingly relevant role in the transition towards a state characterized by high forest water stress, especially in areas where deforestation and anthropogenic pressure are increasing.Using the coupled ORCHIDEE and LMDZ models, the effects of projected Amazon deforestation by 2050 on the hydrological cycle and dryness are examined. Deforestation decreases precipitation, reduces evapotranspiration and increases runoff. Furthermore, deforestation accentuates water stress especially in the southwestern Amazon (positive feedback). Water demands in the atmosphere, on the land surface and even in the soil root zone intensify during the dry season. During the wet season, the deficit of specific atmospheric humidity becomes even more acute towards the tropical Andes over the Altiplano region. These findings provide a more thorough understanding of the possible effects of massive forest removal on the water availability and resilience of the Amazon in a context where changes are occurring at an accelerated rate.