La modélisation, un outil pour reconstituer (et prédire) climat et végétation

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1 La modélisation, un outil pour reconstituer (et prédire) climat et végétation Quels rôles jouent les surfaces continentales dans le système climatique? Nathalie de Noblet-Ducoudré

2 Le climat a, bien sûr, un impact sur la croissance de la végétation Précipitation Température de l'air Concentration en CO2 Vitesse du vent Humidité de l'air Végétation = crystallised, visible climate (le climat rendu visible) Köppen (1939)

3 D'où une très grande variété de paysages

4 Mais la biosphère échange continuement avec l atmosphère Précipitation Température Rayonnement Evapotranspiration solaire Concentration en CO2 Vitesse du vent IR Photosynthèse nette Interception par la canopée Flux de CO2 Respiration de croissance & maintenance Allocation des assimilats ruissellement de surface litière Infiltration, stockage, drainage Bilan de carbone et de nutriments

5 La présence de végétation modifie donc, entre autres, le partitionnement de l énergie reçue (figure extraite de l ouvrage publié par Kabat et al.: Vegetation, Water, Humans, and the Climate, IGBP BAHC)

6 La présence de végétation : modifie le partitionnement de l énergie reçue participe activement au contenu en CO 2 de l'atmosphère module la composition chimique de l'atmosphère, et donc sa capacité oxydante... a donc le potentiel de modifier en retour le climat

7 pour étudier ces interactions : des modèles Qsol = P ETR R t

8 L'histoire de ces modèles débute dans les années 1970 : les modèles de première génération Flux de chaleur sensible Flux de chaleur latente Ra F(W) * Ra Contenu en eau: W ruissellement Sol = seau d eau Manabe (1969) La végétation n est pas explicitement décrite un albédo, une rugosité fonctions de la surface

9 Les modèles de deuxième génération (~ 1985 / 1990) Plusieurs grosses feuilles Réservoir d interception de l eau de pluies STOMATES LAI Des flux turbulents Des modèles mieux calculés hydrologiques plus complexes cohabitation de plusieurs types de végétation sur un même site

10 Aujourd'hui : des modèles globaux de dynamique de la végétation (DGVMs) INTERMEDIAIRE RAPIDE état du système LENT

11 des processus couvrant de nombreuses échelles de temps vulnerability, competition between species allocation processes nitrogen cycle, nutriment availability growth and maintenance respirations photosynthesis, leaf respiration CO2 N

12 des processus couvrant de nombreuses échelles spatiales Watershed outflow Soil-plant water budget interception loss transpiration leaf transpiration infiltration runoff

13 de nombreux processus qui interagissent

14 interactions bidirectionnelles entre DGVMs et le reste du système

15 -0- par ailleurs, l Homme modifie la composition de la végétation extension actuelle des zones cultivées extension actuelle des pâturages Ramankutty & Foley (1999, et en préparation)

16 et l Homme s approprie de plus en plus de biomasse produite, et modifie ainsi les propriétés des surfaces continentales HANPP = Human Appropriation of NPP Kleidon, Global and Planetary Change

17 Cette appropriation a un coût en termes de productivité en termes de bilan hydrologique Kleidon, Global and Planetary Change 2006

18 en résumé sur les modèles de biosphère Des échelles de temps très variées : de quelques minutes à plusieurs siècles De nombreux processus de l'échelle des stomates au biome tout entier de l'échelle des stomates au bassin versant Un début de prise en compte de la composante anthropique (cultures, prairies & forêts gérées, irrigation,...)

19 Pour quoi utilisons-nous nos DGVMs used for? (1) COMPRENDRE le fonctionnement de la Biosphère PREDIRE les impacts du changement global sur les ressources en eau, le puits de carbone biosphérique, la productivité, les perturbations régionales à globales de la distribution des écosystèmes,... ATTRIBUER les évolutions historiques du ruissellement à la surface du globe, de la productivité,..., à la perturbation de la composition chimique atmosphérique, et/ou au climat, et/ou au changement d'usage des sols,...

20 Pour quoi utilisons-nous nos DGVMs used for? (2) AMELIORER (?) les modèles régionaux de prévision ou globaux de climat en y incluant des processus et des rétroactions plus réalistes PRENDRE en compte des RETROACTIONS de + en + nombreuses dans les scénarios de changement climatiques passés et futurs ==> une représentation plus réaliste de l'évolution du climat

21 Quelques exemples illustrant le rôle de la végétation sur le climat

22 En l absence de végétation, un cycle de l eau très différent Terres émergées=désert Terres émergées=forêt ATMOSPHERE km km km km km km km km3 OCEANS km km3 Kleidon et al. (2000) CONTINENTS 22

23 Rôle important joué par la végétation lors de la dernière entrée en dernière glaciation il y a ans de Noblet et al., GRL, 1996

24 Il y a ans: la configuration orbitale de la Terre Equinoxe d automne Solstice d hiver Solstice d été Equinoxe de printemps ACTUELLEMENT IL Y A ans Il y a ans: une plus grande excentricité

25 L entrée dans la dernière glaciation: ans Un contraste saisonnier plus faible qu aujourd hui dans l hémisphère Nord des étés plus froids et des hivers plus doux Hypothèse de Milutin Milankovitch: La neige ne fond pas totalement en certains points la neige se pérennise début de la formation des calottes glaciaires Régions susceptibles d être englacées (bleues) quand la végétation est maintenue fixe

26 L entrée dans la dernière glaciation: ans Régions susceptibles d être englacées (bleues) après rétroactions climat-végétation

27 Une extension progressive, vers le Sud, de la toundra Un confinement au Sud des forêts boréales de Noblet et al., GRL, 1996

28 une rétroaction positive entre refroidissement estival et croissance des forêts boréales Augmentation de l'albédo de surface en été comme en hiver Refroidissement estival induit par la configuration orbitale de la Terre par rapport au Soleil + Recul vers le Sud des forêts boréales, au détriment de la toundra Le refroidissement se renforce en été / printemps + les hivers se refroidissent également

29 La participation de la biosphère terrestre au cycle du carbone futur Friedlingstein et al., 2006

30 Le changement climatique futur: scénario type du GIEC Concentration en CO2 Atm CO2 dans l atmosphère = Forçage externe Scénario IPCC (GIEC) 1860 CLIMAT 2100

31 Dans la réalité Concentration en CO2 Atm CO2 dans l atmosphère = Forçage externe Scénario IPCC (GIEC) 1860 CLIMAT 2100 Impact Impact Géochimique Climatique Land Ocean Modifications des flux de CO2 émis par les océans et continents vers l atmosphère

32 Le changement climatique futur: scénario réaliste CO2 atmosphérique Fossil Fuel CLIMAT Atm CO2 = Forçage externe = calculé Rétroaction Impact Impact Géochimique Climatique Land Ocean

33 Concentration en CO2 atmosphérique simulée par différents modèles projet C4MIP (SRES A2) 1020 ppm 730 ppm Friedlingstein et al., 2006

34 La biosphère terrestre absorbera moins de CO2 dans le futur une augmentation encore plus dramatique de la concentration atmosphérique 1020 ppm 830 ppm 730 ppm Friedlingstein et al., 2006

35 Incertitudes liées à modèles climat + carbone L'incertitude sur l'intensité du réchauffement futur augmente quand on autorise les biosphères (terrestre & marine) à interagir avec le climat Incertitudes liées aux modèles climatiques anomalies de température moyenne annuelle de surface ( C) Friedlingstein et al., 2006

36 Un rôle important attribué aux écosystèmes continentaux anomalies de puits de CO2 (GtC/an) Continents Océans Friedlingstein et al., 2006

37 Un comportement différent selon la latitude 90 N-60 N 60 N-30 N puits puits ou source? 30 N-équateur équateur - 30 S source source IPSL-CM2_C IPSL_CM4_LOOP HadCM3_C

38 une compétition entre plusieurs effets Augmentation du CO2 atmosphérique une fertilisation accrue des écosystèmes un assèchement pluviométrique un réchauffement des surfaces une augmentation de la saison de croissance de la végétation une diminution de la saison de croissance de la végétation une augmentation de la respiration des sols & de la végétation une augmentation de la fonction 'puits' de CO2 une diminution de la fonction 'puits' de CO2 une diminution de la fonction 'puits' de CO2 de la végétation de la végétation de la végétation rétroaction positive ou négative?

39 Le rôle de la biosphère terrestre sur la persistance d'événements pluvieux / secs Quel rôle joue l interaction végétation-atmosphère sur la persistance de la sécheresse au Sahel?

40 1) entre 1968 et 1997: diminution des précipitations de 25 à 40% au cours du 20ième siècle: les conditions sèches comme humides ont duré assez longtemps au Sahel SAHEL Anomalies de précipitations normalisées: observations Quel(s) mécanisme(s) peut(vent) expliquer a) la sécheresse récente, persistance de cette sécheresse pendant plusieurs décennies? b) la

41 Anomalies de précipitations simulées Atmosphère humidité des sols prescrite Atmosphère humidité des sols calculée mais cycle saisonnier et interannuel de la végétation imposée Atmosphère + dynamique de végétation Zeng et al. (Science 1999)

42 Anomalies de précipitations simulées Ce n est que lorsque la végétation est autorisée à interagir que le modèle parvient à simuler une persistance d événements secs et Atmosphère humidité des sols prescrite Atmosphère humidité des sols calculée mais cycle saisonnier et interannuel de la végétation imposée humides Pluies Atmosphère + dynamique de végétation Croissance de la végétation Zeng et al. (Science 1999)

43 Précipitations et productivité primaire nette simulées au Sahel en réponse à une dégradation des sols imposée entre 1950 et 1960 Précipitations (mm/an) sans végétation interactive avec végétation interactive NPP (kg C/m2/an) sans végétation interactive avec végétation interactive Wang et Eltahir (Geophysical Research Letters 2000)

44 une rétroaction positive entre intensité des pluies et croissance de la végétation en zone semi-aride changement de température de surface des océans ou dégradation des surfaces liée à l usage des sols modifications de la végétation naturelle (cycle saisonnier, présence/absence d herbacées) modification du régime des pluies au Sahel + modification des propriétés de la surface (albédo et capacité de recyclage de l eau)

45 Cette persistance s explique car il existe 2 états possibles des conditions hydriques au Sahel: 1 état sec et 1 état humide précipitations vég e ed c n e rés p e d mi hu ion t a ét seuil critique de précipitations pour la croissance végétale ion p as de ar i de at t é vég Paramètre climatique (usage des sols, océans, ) Une modification lente des conditions externes peut faire basculer rapidement le Sahel d un état à un autre Foley et al. (Ecosystems 2003)

46 Conclusions La végétation participe activement au climat, à ses changements, à sa variabilité Elle semble être à l'origine de rétroactions systématiquement positives, i.e. elle amplifie la perturbation initiale Elle ne doit donc plus être ignorée des scénarios de changements climatiques De nombreux processus restent encore insuffisamment modélisés dans les DGVMs Il est nécessaire que les climatologues travaillent plus avec les scientifiques spécialistes de la biodiversité

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