Prospective du Projet 3 : «Sahel» Approche Multi-Echelle du Fonctionnement et de la Dynamique des Surfaces Sahéliennes

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1 Prospective du Projet 3 : «Sahel» Approche Multi-Echelle du Fonctionnement et de la Dynamique des Surfaces Sahéliennes Participants : F. Baup*, E. Ceschia, V. Demarez, P. De Rosnay, L. Kergoat, F. Lavenu, V. Le Dantec, P. Hiernaux*, S. Mangiarotti*, B. Mougenot, E. Mougin, O. Samain*, F. Timouk. * thésitifs, post-docs, CDDs. 1. Motivations : Pourquoi le Sahel? L Afrique sub-saharienne dans son ensemble est la région dans le monde qui a connu la plus forte diminution relative des précipitations au cours des 50 dernières années. La bande sahélienne et soudano-sahélienne, située entre la latitude 10 Nord au Sud et le Sahara au Nord, zone de fort gradient méridien de pluviosité, a été particulièrement touchée par cette évolution (Figure 1). Les fluctuations des précipitations sahéliennes au cours du XXème siècle ont connu une forte variabilité, en particulier à partir de 1950 sur une échelle multi-décennale combinant l occurrence d une période d une vingtaine années excédentaires suivies d une trentaine d années déficitaires, marquées par 2 grands épisodes de sécheresse extrême en et Figure 1 : Anomalies des précipitations au Sahel ouest africain (10 20 N) au cours du XX ème siècle. La compréhension de cette évolution ( désertification ) a suscité de nombreuses études depuis une trentaine d années et encore aujourd hui toutes les réponses ne sont pas connues. Les mécanismes du fonctionnement du système de mousson qui affecte le Sahel, fortement couplé aux conditions de surface océanique et continentale, restent en fait encore très largement méconnus. Dans ce contexte, le Sahel, avec ces trois millions de km², a un rôle qui doit être précisé. Le rôle joué par les surfaces continentales, en particulier par la végétation, dans ce phénomène reste une source d interrogations majeures (e.g. Charney et al., 1974) et pose notamment la question de l influence des pratiques anthropiques (mises en culture et surpâturage) et du changement global sur cette tendance (e.g. Nemani et al. 2003). Le Sahel est aussi une région qui a un impact important sur le système climatique global, en particulier sur le bilan radiatif de la planète, car elle est une source importante de chaleur, d émission naturelle et anthropogénique de gaz à effet de serre et d aérosols atmosphériques. En retour, le fonctionnement et la dynamique des écosystèmes sahéliens sont particulièrement affectés par les fluctuations climatiques (précipitations principalement) qui sont observées à différentes échelles de temps : saisonnière, interannuelle et décennale. L impact de la péjoration actuelle des précipitations sur une durée aussi longue est forcément important sur le fonctionnement des surfaces, sur les ressources hydrique et végétale et donc sur les populations. Cet impact doit être précisé. Se pose, en particulier, la question de l évolution à long terme de cette région. 261

2 Le projet Sahel est donc motivé par des problématiques scientifiques fondamentales et par un très fort besoin sociétal concernant l impact de la variabilité pluviométrique sur les ressources alimentaires des pays de l Afrique de l ouest. Comme conséquence du changement climatique et de l expansion démographique, la vulnérabilité de cette région à la variabilité climatique pourrait s accroître dans les décennies à venir. Le CESBIO possède déjà une bonne expertise du Sahel acquise au cours de différents projets nationaux et internationaux (Hapex-Sahel, SALT, AMMA) soutenus par de nombreux programmes (ECCO/PNBC, PNTS) et organismes (CNRS, CNES, IRD) et au cours de nombreuses missions et séjours effectués dans plusieurs pays sahéliens par les chercheurs IRD, en particulier. Le CESBIO continue d entretenir des liens étroits avec différents organismes nationaux et régionaux des pays ouest-africains (AGRHYMET, IER-Mali, CSE-Dakar, ). Enfin, grâce à l impulsion donnée par le programme international AMMA, initié en 2002 et qui doit se prolonger jusqu en 2010 (Redelsperger et al., 2005), le projet Sahel bénéficie d'un contexte de collaborations nationale et internationale très favorable. 2. Questions scientifiques et Objectifs Le projet Sahel a pour objectif principal d améliorer nos connaissances et notre compréhension de la réponse des surfaces sahéliennes, en particulier de la végétation, à la variabilité climatique. Les questions scientifiques qui se posent sont, en particulier, les suivantes : - Quels sont les effets de la variabilité climatique (principalement des précipitations) sur le fonctionnement des surfaces sahéliennes? - Quelle est l évolution à long terme qui se dessine au Sahel dans le contexte du changement global et de l expansion démographique? - Comment expliquer la résilience des surfaces sahéliennes, si résilience il y a? - Quel est le rôle du Sahel dans le système climatique global et en particulier sur le système de mousson qui affecte l Afrique de l ouest dans son ensemble? Le projet Sahel tentera d apporter des réponses aux questions précédentes. Pour cela, l accent sera mis sur la zone pastorale sahélienne. Les raisons de ce choix sont doubles : d une part, la région nord sahélienne borde le plus grand désert sur terre. Elle est donc susceptible d être très affectée par le changement climatique, comme cela a été le cas par le passé. D autre part, cette zone représente un enjeu économique important dans une partie du monde en pleine expansion démographique (2 à 4% par an), car c est la seule région d Afrique de l ouest où un élevage extensif est encore possible du fait de l absence de concurrence avec les cultures. Les travaux porteront principalement sur les écosystèmes naturels. L accent est mis sur la végétation et les sols. L hydrologie de surface sera abordée comme une composante déterminant le fonctionnement et de la végétation et des sols par l intermédiaire de la disponibilité hydrique. Les expérimentations de terrain ainsi que les observations satellitaires seront principalement conduites sur le site atelier Sahel-Gourma au Mali qui est sous la responsabilité du CESBIO. Une comparaison sera faite avec les études menées sur le site méso-échelle AMMA positionné dans la zone agropastorale au Niger (coordination HSM et LTHE). Les atouts majeurs du projet Sahel sont la conjugaison des études in situ à long terme (réseaux de mesures), de l'expertise sur les données satellites nouvelles et historiques, et sur les études de processus complètes et multidisciplinaires, renforcées par des collaborations nationales et internationales autour du site atelier Sahel-Gourma. 262

3 3. Thèmes identifiés Pour tenter de répondre aux questions précédentes, 3 thèmes de recherche ont été identifiés : - Thème 1 : Variations interannuelles des surfaces sahéliennes et Evolution à Long Terme - Thème 2 : Fonctionnement des surfaces sahéliennes / Etude de processus - Thème 3 : Interactions Surfaces Atmosphère 3.1. Caractéristiques de la zone sahélienne Le Sahel s étend au sud du Sahara, de l Atlantique à la mer Rouge, sur environ 6000 km de long, pour seulement 400 à 600 km de large. Le Sahel traverse 10 pays parmi les plus pauvres du monde et abrite 50 millions de personnes dont la majorité pratique une agriculture de subsistance. Sur cette région, les surfaces cultivées ont augmenté depuis 50 ans dans des proportions similaires à la croissance démographique, au détriment des surfaces naturelles vouées à l élevage. L ensemble de la zone est soumis à un climat aride à semi-aride. Encadré par le domaine désertique saharien au nord et les savanes soudaniennes au sud, le Sahel est couramment défini par les isohyètes 100 et 600 mm/an (Le Houérou, 1989). Ces limites nord et sud sont connues pour avoir fluctué largement en latitude au cours des temps historiques en relation avec les changements climatiques à grande échelle (phases glaciaires et interglaciaires). Le Sahel est touché pendant les mois d été par un système de mousson en provenance du Golfe de Guinée. Les précipitations sont centrées sur le mois d août et durent de 2 mois dans le nord, jusqu à 5 mois au sud. La saisonnalité de la mousson est très régulière mais la distribution spatiale et temporelle des précipitations est fortement irrégulière et imprévisible. La longue saison sèche est caractérisée par de très faibles humidités atmosphériques accompagnées de températures élevées. La végétation naturelle sahélienne est principalement composée d un couvert d herbacées annuelles et d arbres et d arbustes clairsemés. Contrairement aux autres régions arides, les herbacées pérennes sont rares à l exception des limites nord et sud du gradient bioclimatique. Si la saisonnalité phénologique des annuelles est essentiellement réglée par la distribution des pluies et par leur sensibilité photopériodique, celle des ligneux et des herbacées pérennes est beaucoup plus variée suivant les espèces et affiche donc une large gamme de comportements. Les peuplements d herbacées annuelles varient dans de très larges proportions d une année sur l autre en densité, masse et composition floristique, essentiellement en réponse à la distribution des pluies et au régime d humidité du sol qui en résulte modulé par les capacités de ruissellement et d infiltration des surfaces. Les changements de peuplements de pérennes se produisent sur des pas de temps beaucoup plus long, ce qui n exclut pas des changements brutaux de densité, et de composition floristiques suite à des évènements extrêmes d origine climatique (sècheresses, inondations) ou anthropique (coupes, défrichements, feux). Herbacées annuelles et pérennes sont largement concurrentes pour l utilisation de l eau et des éléments minéraux qui limitent la productivité, azote et phosphore. Les surfaces cultivées concernent principalement les céréales de base (mil) et quelques cultures de rente (niébé ). Souvent défini comme une seule entité, le Sahel présente des situations très contrastées entre sa partie septentrionale (< 300 mm de précipitations par an) à vocation pastorale et sa partie sud (>300 mm) où la pression démographique entraîne d importants changements dans le mode d occupation et de gestion des terres (mise en cultures, diminution des jachères,..). De manière schématique, nous sommes donc en présence d un système soumis à un forçage climatique prépondérant au nord accompagné d un impact anthropique faible, et au sud d un milieu subissant à la fois un forçage climatique et anthropique en forte interaction ; les deux zones étant en forte interaction Thème 1 : Variations interannuelles des surfaces sahéliennes et Évolution à long terme La région sahélienne est caractérisée par une forte variabilité interannuelle des précipitations à laquelle se superpose une variabilité à moyen terme à l échelle de 2 ou 3 décennies (Figure 1). Cette 263

4 forte variabilité temporelle existe, sans doute, depuis les temps historiques et l on sait, d après certains documents et récits anciens, que la région a périodiquement connu des périodes déficitaires, ponctuées d années de sécheresse intense, suivies de périodes à pluviométrie excédentaire (e.g. Nicholson, 2001). En réponse à cette variabilité des précipitations, le fonctionnement et la dynamique de la végétation naturelle sont aussi soumis à de fortes fluctuations interannuelles et décennales. Ainsi, la période sèche que connaît le Sahel depuis la fin des années 60 s est accompagnée d une réduction généralisée de l activité végétale estimée en terme de Productivité Primaire Nette (PPN). Cette diminution de la PPN a été détectée à la fois par les mesures in situ et par les observations délivrées par les satellites d observation de la terre comme NOAA/AVHRR (e.g. Tucker et al., 1991). Des années très sèches comme 1984, au cours desquelles le couvert végétal herbacé ne s est pratiquement pas développé, se traduisent sur les images NDVI par une anomalie fortement négative (e.g. Anyamba & Tucker, 2005). L inverse est aussi observé pour des années particulièrement humides comme La très forte variabilité interannuelle de la PPN observée, caractéristique intrinsèque du domaine sahélien, masque cependant la tendances sur le long terme. Il faut pour cela découpler les effets ponctuels dus à une augmentation des précipitations des effets sur le long terme liés aux propriétés des milieux. Pourtant, l analyse des séries de données NOAA/AVHRR/NDVI, acquises depuis 1981, révèle une amélioration de la situation depuis le milieu des années 90, de sorte que l on a pu parler de reverdissement du Sahel. Cette tendance positive est à mettre en rapport avec la remontée des cumuls pluviométriques annuels au niveau de l Afrique de l ouest (Nicholson, 2005). Toutefois, certains auteurs montrent que l amplitude de cette tendance ne peut pas être expliquée par la seule remontée des précipitations (Olsson et al., 2005) et invoquent d autres causes liées à l action anthropique (meilleure utilisation des terres, apports d engrais aux cultures, etc). Cette hypothèse peut être avancée pour la zone sahélienne agro-pastorale, mais ne tient pas pour la zone pastorale qui nous intéresse, pour laquelle la pression anthropique reste faible dans l ensemble. Par ailleurs, certaines études ont montré que l interprétation des données les plus anciennes de la série NOAA/AVHRR, est confronté à des problèmes de qualité de la mesure (dérives d orbites non maîtrisées, problèmes d étalonnage, imprécision de la géolocalisation, absence de corrections atmosphériques, ), de sorte qu il reste toujours délicat d extraire une tendance à long terme. Concernant l évolution des zones boréales, par exemple, des conclusions contradictoires ont pu être tirées à partir du même jeu de données (Myneni et al.,1997 ; Gutman, 1999). L objectif de ce thème est d étudier la réponse des surfaces sahéliennes à la variabilité climatique (précipitations principalement) interannuelle et décennale. Comme indiqué précédemment, l accent est mis sur la zone pastorale sahélienne soumise à un forçage principalement climatique, mais une comparaison sera faite avec la zone agro-pastorale du Niger pour laquelle de longues séries de mesures de terrain sont aussi disponibles. Cette comparaison permettra d analyser et de découpler éventuellement les effets climatiques des effets anthropiques. Pour cela, les travaux s articuleront autour de deux volets : 1. Documentation de la variabilité interannuelle et décennale des indicateurs du fonctionnement et de la dynamique des surfaces, principalement de la composante végétation. 2. Interprétation de cette variabilité en liaison avec la variabilité climatique Documentation de la réponse des surfaces sahéliennes à la variabilité climatique La documentation de la réponse des surfaces sahéliennes à la variabilité des précipitations sera abordée à la fois par le biais des (longues) séries temporelles de données satellites et des séries de mesures de terrain disponibles et acquises dans le cadre de ce projet. L accent sera mis sur le suivi de la PPN et des variables associées du couvert végétal (LAI, fpar, fcover) qui seront utilisées comme traceur du fonctionnement des surfaces. En particulier, la PPN c est-à-dire l accumulation de biomasse dans le temps est un indicateur du fonctionnement des surfaces qui résulte de l interaction entre d une part le forçage climatique et d autre part l hydrologie, les sols et le couvert végétal (e.g. Prince, 2002). 264

5 Suivi par télédétection satellitaire L objectif est d exploiter de longues séries temporelles, seules à même de faire ressortir du bruit de fond des tendances évolutives claires ou l impact d évènements marquants plus ou moins périodiques. Les données qui seront utilisées sont celles issues de divers instruments à large champ opérant dans des domaines de longueur d ondes différents : spectre visible pour NOAA/AVHRR; domaine des hyperfréquences pour les diffusiomètres spatiaux (ERS, QuickScat, METOP) mises à disposition de la communauté scientifique (e.g. archives GIMMS, PathFinder, CTIV). Les archives plus récentes (VEGETATION et MODIS), qui offrent des données plus variées et de meilleure qualité, seront également étudiées, ne serait-ce que pour faciliter l'interprétation des archives les plus longues. Pour les données visibles, les analyses seront basées sur l utilisation de l indice de végétation NDVI qui fournit une indication de l activité chlorophyllienne des couverts végétaux. Seront également utilisés les produits biophysiques (LAI, fpar, fcover, PPN) dérivés des mesures satellites et qui sont maintenant facilement disponibles. Une évaluation de ces produits sera réalisée en préalable à leur utilisation. Pour cela, des campagnes de mesures spécifiques seront conduites dans le cadre du projet VALERI. La démarche générale est détaillée plus loin dans le document (voir section 6). Après évaluation, des analyses par EOF permettront d'identifier les modes de variabilité spatiaux et temporels, sans a priori. On recherchera également les tendances et les évolutions décennales des propriétés de surface. En parallèle, un deuxième axe de recherche visant à l amélioration des jeux de données existants sera mené. La qualité de différents types de traitement, en particulier pour la correction atmosphérique et les techniques de synthèses des données, ainsi que les possibilités d inter-étalonnage entre capteurs (différentes missions AVHRR, VEGETATION / AVHRR) seront étudiés. Cette étape nécessite le développement d'outils de traitement de données satellites permettant la comparaison de différents traitements. Une collaboration est déjà en place avec POSTEL sur ce sujet. Elle sera renforcée à l avenir, grâce à un soutien du CNES. L étude prévue s appuie sur des jeux de données plus ponctuels acquis sur le site atelier Sahel-Gourma, pendant quelques années. Enfin, afin de faciliter l interprétation des tendances observées, des longues séries temporelles d images à très haute résolution seront analysées. Cela concerne, en premier lieu, les photographies aériennes acquises depuis 1950 de façon plus ou moins régulière jusqu en 2000 et enfin les données satellites SPOT (2,50m) et IKONOS (1m) acquises en 2005 sur le site atelier. L analyse de ces séries temporelles permettra d étudier les variations, sur une période de plus de 50 ans, des modifications de la structure des écosystèmes (densité de ligneux par exemple), des états de surface (zones d érosion) ainsi que de l hydrologie de surface (mares). Ce sont des données complémentaires essentielles à l interprétation des séries temporelles basées sur l utilisation du seul NDVI et qui devraient permettre de découpler les effets liés à l évolution de la structure d une part et à celle du fonctionnement, d autre part. Suivi à long terme sur le terrain Nous disposons, d ores et déjà, au niveau du site atelier de 20 ans de données acquises sur 25 sites d une superficie de 1 km². Ces sites sont localisés dans tout le gradient bioclimatique du site atelier et couvrent les principaux types de sol et de pression de pâture. Les mesures effectuées concernent les paramètres de la végétation herbacée et ligneuse : PPN, fcover, composition floristique, phénologie, densité des arbres, etc. L acquisition de ces paramètres sera poursuivie au cours des prochaines années (voir section 4). Depuis 2005, les variations spatiales et temporelles de l indice foliaire LAI, du recouvrement et du PAR intercepté ont été suivies sur 2 sites représentatifs à l aide d une méthodologie d échantillonnage associant la prise et le traitement de photos hémisphériques. Après évaluation cette méthode sera progressivement étendue à l ensemble des sites de la fenêtre Gourma Interprétation de la variabilité des surfaces en liaison avec la variabilité climatique En zone semi-aride, la réponse de la végétation, surtout composée de plantes annuelles, à la variabilité climatique est plus complexe qu il n y paraît à première vue. S il existe une relation entre cumul des précipitations et production végétale, le fonctionnement des couverts végétaux et la 265

6 production de biomasse qui en résulte sont reliés à la disponibilité hydrique du sol, elle même fonction de la distribution temporelle des précipitations et des capacités d infiltration/ruissellement des surfaces. De plus, comme indiqué précédemment, la réponse de la végétation dépend des formes biologiques (ou types fonctionnels de plantes) considérées (annuelles/pérennes) mais aussi de la dynamique propre du couvert végétal avec ses effets mémoires, ses phénomènes d hystérésis, et ses catastrophes. Ceci est particulièrement vrai pour la végétation pérenne herbacée et ligneuse. Une façon d'aborder cette question est d'analyser les longues séries de données recueillies pendant les dernières décennies, en combinant les archives satellitaires, quand cela est possible, avec les données climatiques et les mesures de terrain. L'idée est d'identifier les éventuels effets mémoires et les tendances liés aux surfaces continentales puis si possible d'attribuer ces effets à des processus. Pour répondre à ces questions, on peut par exemple, documenter l'influence des conditions de surface des années précédentes sur les relations entre les précipitations et le développement des couverts végétaux. Cela permettrait d'isoler des 'effets mémoire', sur tout ou partie de la zone d'étude. Cette démarche s applique bien à la PPN, LAI, fcover et fpar dont une estimation est accessible depuis l espace. Par contre, l évolution de la composition floristique et celle des types fonctionnels de plantes qui y sont associés (espèces en C3 et C4 par exemple) ne peut être étudiées à partir des observations satellitaires (du moins jusqu à présent) mais seulement à partir des longues séries temporelles de mesures de terrain dont on perçoit bien l intérêt ici. Une façon complémentaire d analyser les réponses repose sur l utilisation des modèles de surfaces à la condition que ces derniers intègrent non seulement une description réaliste des différents processus qui surviennent en milieu semi-aride mais aussi une représentation de la dynamique des populations permettant de simuler l évolution des écosystèmes sur le long terme. Enfin, ces modèles devront être capables d intégrer les conséquences d éventuels changements des états de surface sur la redistribution de l eau. Une fois évalués sur la période pour laquelle les mesures sont disponibles au niveau du site atelier (20 ans de mesures), ces modèles seront utilisés pour retracer les variations du fonctionnement et de la dynamique de la végétation en réponse à la variabilité des précipitations sur une période longue (50 ans). 3.3 Thème 2 : Fonctionnement des surfaces sahéliennes - Etudes de processus Le cycle de l'eau est de manière évidente au centre du fonctionnement des surfaces continentales au Sahel. Réciproquement, ce cycle est également très dépendant des végétaux (ligneux, herbacés) qui eux-mêmes sont reliés aux cycles de l'azote et du carbone. Or, particulièrement en zone tropicale semiaride, la connaissance et la représentation des processus et de leurs interactions restent pour l'instant sommaires car l étude des processus eux-mêmes ainsi que leurs couplages à différentes échelles spatio-temporelles a été peu abordée jusqu à présent, entraînant des blocages conceptuels ou méthodologiques dans la modélisation. Le cycle du CO 2, par exemple, fait l'objet d'études intensives aux latitudes tempérées, mais il est extrêmement mal connu dans les zones tropicales, de même que ses liens avec le cycle de l'eau et de l azote. Il en est de même pour les processus qui le gouvernent (bilan carboné des végétaux, fonctionnement des communautés microbiennes). Les objectifs principaux de ce thème sont (1) de mieux comprendre la variabilité spatiotemporelle des processus qui déterminent les flux et les stocks d'eau, ainsi que leur couplage avec le bilan carboné à une échelle locale, (2) d'utiliser les connaissances et les mesures de ces processus pour tester et améliorer les modèles existants, (3) de renseigner ces modèles à différentes échelles au moyen d une bases de données et de la télédétection satellitaire pour (4) simuler les flux et les stocks hydriques, la dynamique de la végétation (phénologie de l indice foliaire ou LAI en particulier) et les flux carbonés à différentes échelles spatiales, du local à la méso-échelle et éventuellement à la région (Sahel). L objectif final est de fournir des connaissances et modèles permettant d expliquer les variabilités interannuelles et décennales de la végétation (thème 1) et de fournir les éléments (mesures, modèles) nécessaires à l étude des Interactions Surfaces Atmosphère (thème 3). 266

7 L approche proposée repose sur l étude de points, jugés critiques, du fonctionnement des écosystèmes sahéliens : d'une part, le couplage des flux et des cycles (CO 2, H 2 O, N), et, d'autre part, le rôle de l'organisation spatiale sur l'intensité des processus de surface. Ce point sera abordé par une des études à différentes échelles spatiales et temporelles et par une hiérarchie de modèles, permettant le passage successif de l'individu au couvert puis au paysage. Au cours de ces études, des types fonctionnels seront déterminés, et une réflexion sur les facteurs d'organisation spatiale et temporelle des types fonctionnels sera menée. Les études de processus seront principalement effectuées sur le site local d Agoufou, en veillant à coordonner et à co-localiser les instrumentations et les expérimentations. Ces études s'appuieront en partie sur les dispositifs expérimentaux déjà installés, en particulier dans le cadre du projet AMMA, et sur les mesures de dynamique de la végétation. Les campagnes de mesures intensives se dérouleront pendant la saison de croissance de la végétation (juillet-août), et se focaliseront sur les mesures d'échanges gazeux (H 2 O, CO 2, NO) à différentes échelles : depuis la feuille jusqu au couvert. L'intégration à une échelle spatiale supérieure est envisagée grâce aux mesures acquises sur le même site par les stations de flux et par ballon captif Fonctionnement de la végétation à l échelle locale Les principaux points qui seront abordés concernent les flux hydriques au travers des plantes, la photosynthèse, la phénologie des végétaux et son déterminisme, et au niveau du sol, la décomposition de la matière organique, la respiration et les émissions NO. Photosynthèse et flux hydriques au travers des plantes : Au niveau foliaire, ces études se feront principalement dans le cadre de collaborations nationale (ESE-Orsay) et internationale (CEH-Wallingford, Durham-University, UK). Des mesures de photosynthèse foliaire, de conductance et de potentiel hydrique foliaire seront conduites en parallèle sur les ligneux et les herbacées. Il s'agira d'identifier des groupes d'espèces, d'acquérir un jeu de données suffisant pour paramétrer et valider les modèles biochimiques de photosynthèse et des modèles de conductance stomatique des plantes en C3 et C4 (modèles de type Farquhar et al., 1980 et Collatz et al., 1992). Par ailleurs, les mesures de PAR diffus et direct acquises par les stations météorologiques automatiques permettront d étudier les relations entre la fraction de PAR diffus et la photosynthèse du couvert. Cette question est actuellement un point bloquant de la modélisation (Farquhar et Roderick, 2003). Au niveau de l individu et des couverts végétaux, des suivis journaliers en conditions naturelles seront menés pour déterminer la réponse de l'assimilation du CO 2 par le couvert aux facteurs environnementaux (eau du sol, déficit de vapeur d'eau, rayonnement. Pour les ligneux, des mesures de transpiration foliaire seront mises en relation avec celles des flux de sève, indicateur de l'alimentation hydrique de la plante. On cherchera ici à caractériser les flux et les états hydriques en fonction des paramètres environnementaux, des types fonctionnels, de l'accès aux ressources en eau. Phénologie et structure de la végétation : Les variations interannuelles de la couverture végétale sont souvent mal représentées dans la plupart des modèles. Ceci est particulièrement vrai pour les espèces ligneuses. Comme cela est réalisé depuis 1984, le suivi des variations saisonnières et interannuelles des caractéristiques de la végétation herbacée (phytomasses, recouvrement, LAI, composition floristique, ) et ligneuse (densité, recouvrement, feuillaison, ) sera réalisé, tous les mois pendant la saison des pluies, au niveau du site atelier Sahel-Gourma (environ 40 sites de 1 km²). Ce suivi sera effectué à un pas de temps plus fin (10 jours) sur le site local d Agoufou. Sur ce site, seront aussi effectués des travaux visant à caractériser la variation saisonnière des racines des herbacées. Pour les ligneux, les profondeurs d enracinement seront mesurées pour les espèces dominantes ainsi qu une estimation des masses racinaires en identifiant les racines fines fonctionnelles. Ce sont, en effet, des données indispensables pour la compréhension du fonctionnement de la végétation, des stress hydriques et des flux échangés. 267

8 3.3.2 Fonctionnement du sol à l échelle locale De manière générale, la dynamique et la variabilité spatiale des échanges de carbone du sol sont encore mal connues. Ceci est particulièrement vrai en zone tropicale semi-aride. Ce flux varie considérablement dans le temps, du fait de la dynamique saisonnière de la croissance racinaire et du développement microbien. S'y ajoute une forte variabilité spatiale, qui peut s'exprimer à des échelles très fines tant pour les processus physiques que biologiques. Ici, l'objectif est triple : 1) étudier et quantifier les variations spatio-temporelles à l échelle intra- et interjournalière et à l'échelle locale (transect dune-interdune) 2) estimer la contribution des composantes autotrophe (racines) et hétérotrophe (microbes) et 3) quantifier la part de la respiration du sol dans le flux nets de carbone à l'échelle de l'écosystème. Il s agira aussi d'approfondir la connaissance des déterminants de la respiration du sol et des réponses des microorganismes et des racines vis à vis des variations des paramètres du sol (températures et humidité). Pour cela, des mesures conjointes de NO et CO 2 seront réalisées en collaboration le Laboratoire d'aérologie de Toulouse (D. Serca et C. Delon) de façon à établir les liens entre émissions de CO 2, de NO, potentiels microbiens, caractéristiques du sol et de la végétation. Un effort sera porté sur l'étude des phénomènes de «pulses» (flux très intenses sur des périodes très courtes) qui se produisent juste après un évènement pluvieux afin de quantifier les sources et de comprendre les facteurs responsables de ces fortes émissions (stimulation de la minéralisation du carbone et de l azote et/ou déstockage de CO 2 ). L'échelle d'étude de la variabilité spatiale de la respiration du sol sera étendue à l échelle du site atelier de façon à couvrir le gradient climatique Nord-Sud. L'objectif est de quantifier et de comprendre les modifications des flux carbonés du sol dans des conditions pédo-climatiques et d'intensité de pâturage, différentes. En effet la charge pastorale a une action directe sur l'incorporation de la matière organique de la litière dans le sol et donc dans la vitesse de minéralisation Fonctionnement aux échelles supérieures( paysage, super-site, méso-échelle, régionale) Approche expérimentale : A une échelle supérieure qui est celle des couverts végétaux, les variations saisonnières de l activité des écosystèmes seront analysées par le biais des mesures de flux turbulents carbonés et hydriques réalisées par les stations de flux. Parallèlement, une description de la proportion des différents types fonctionnels et de sa dynamique saisonnière sera menée dans la zone moyenne du "foot-print". Elle permettra de pouvoir soit par comparaison directe avec les mesures par chambre soit par modélisation, de quantifier la participation de la strate herbacée dans le flux net de carbone sur quelques hectares. A une échelle encore supérieure (>10 km), les flux de CO 2 seront étudiés à partir d un ballon captif déployé sur le site d Agoufou. Contrairement au cycle de l'eau, qui dispose avec les bassins versants et les nappes, de flux et de stocks mesurables, le cycle de CO 2 souffre d'un manque de mesures intégratrices. Les mesures de tour par fluctuations turbulentes concernent des surfaces de l'ordre de quelques hectares, les mesures dans la troposphère libre représentent quasiment un continent, d'où l'intérêt de mesures intermédiaires. La différence entre 2 profils de concentration en CO 2 à deux instants donnés bien choisis peut-être attribuée aux flux de surface ainsi qu'à l'advection verticale et horizontale. Il s'agira ici de tester cette méthodologie pour échantillonner l'atmosphère à l échelle du super-site de Hombori qui du fait de son relief peu marqué constitue une région favorable. A méso-échelle, l étude du fonctionnement des écosystèmes sahéliens reposera sur l analyse des données fournies par les réseaux de mesure déployés dans le cadre du projet AMMA et par la spatialisation des processus et flux via les techniques d assimilation de données satellites. Modélisation L accent sera mis sur la modélisation d une part du fonctionnement des écosystèmes sahéliens, et d autre part de la dynamique des populations végétales herbacées et ligneuses sahéliennes. Il est aussi envisagé de coupler ces deux types de modèles de façon à analyser les variations du fonctionnement et de la dynamique de la végétation à moyen et long terme. 268

9 Au niveau de la modélisation du fonctionnement, nous continuerons à travailler autour du développement du modèle STEP (Mougin et al., 1995 ; Tracol et al., 2005) et de son couplage avec le SVAT SETHYS (Ottlé et al., 1993) développé au CETP. Le modèle STEP sera paramétré sur les données foliaires (photosynthèse, échanges gazeux) et les modèles couplés seront évalués au niveau stationnel à l aide des mesures disponibles (fluctuations turbulentes, flux de sèves, séries de phytomasses). La priorité sera mise sur l intégration d une composante ligneuse qui fait défaut dans la version actuelle, ainsi que sur le couplage avec un module hydrologique. Sur ce dernier point, il est aussi envisagé d utiliser le modèle SEVE, développé par l équipe 2 du CESBIO, dès que celui-ci sera disponible. Enfin, il est aussi prévu d intégrer un modèle de décomposition de la matière organique, de type CENTURY. Au niveau de la modélisation de la dynamique : Le suivi de la végétation, ligneuse, comme herbacée, depuis 1984, associé au suivi du stock semencier sur une partie de cette période, et le suivi des principaux évènements environnementaux : pluies, incendie, pâture, établit une base de donnée qui permettra de tester un ensemble de modèles de la dynamique des populations végétales. Un modèle stochastique de type basé sur une matrice de succession a déjà été proposé pour expliquer les changements interannuels de la flore herbacée classée en grands groupes fonctionnels. Un modèle conceptuel des états et transitions des peuplements ligneux et des populations herbacées a été développé pour une sélection des types de sols et zones climatiques rencontrés. L objectif est d élargir le domaine d application de ces modèles conceptuels, d élaborer un modèle de compétition/facilitation entre les grandes formes végétales qui explique la diversité des situations rencontrées, et les tendances observées dans l évolution de leur contribution. Assimilation de données satellites Nous utiliserons principalement les modèles couplés STEP-SETHYS. Les observations satellitaires identifiées regroupent les données acquises à haute résolution spatiale par les capteurs SPOT HRV, LANDSAT et ASAR et à basse résolution spatiale par les capteurs VEGETATION, MERIS, MSG, ASAR. Nous tirerons également partie des travaux sur les données acquises en micro-ondes passives par les capteurs AMSR et SMOS. Le développement d'une stratégie d'assimilation originale, basé sur un algorithme multi-critères d'optimisation par stratégie d'évolution (collaboration INRIA et LEGOS), permettra de corriger simultanément l'évolution temporelle de plusieurs variables pronostiques du modèle couplé et ainsi de pallier les déficiences de la modélisation. L'utilisation combinée de données de télédétection haute et basse résolution permettra d'appréhender l'effet de la forte hétérogénéité de la surface sahélienne sur les flux d'eau et d'énergie simulés par le modèle couplé après assimilation. Les données à très haute résolution (1m avec IKONOS) serviront à caractériser l organisation spatiale de la composante ligneuse Thème 3 : Interactions Surfaces Atmosphère Pourquoi étudier les interactions surfaces - atmosphère? L'Afrique de l'ouest est sous l'influence d'un climat de mousson. La remontée de l'air humide vers le Nord est due au contraste entre l'océan, au sud, et les masses continentales au Nord. Bien que l'ensemble du phénomène soit encore mal compris, les surfaces continentales, qui engendrent ce gradient sud/nord, ont une responsabilité dans l'intensité de la mousson, et dans son évolution à l'échelle décennale, inter et intra annuelle. Dans ce contexte de système couplé climat / surface, la compréhension et la prédictabilité de la mousson ouest-africaine est confrontée à l'existence de rétroaction entre les composantes du système. 30 années de débats: L existence de telles rétroactions a été avancée après la sécheresse catastrophique de Des débats intenses ont été provoqués par l'hypothèse de Charney (1975) selon laquelle la sécheresse entraînerait une augmentation de l'albédo qui inhibe les précipitations. Cette hypothèse a été partiellement réfutée (Jackson parmi d'autres) et un deuxième débat s'est ouvert sur l'origine de la sécheresse et les pratiques agro-pastorales sahéliennes, qui conduiraient au surpâturage, et donc à la dégradation des surfaces, puis du climat, par le mécanisme de Charney. 269

10 D'autres thèses ont avancé qu'au contraire les types d'utilisation des ressources sont adaptés au climat sahélien, sans que le débat ne soit tranché. Depuis, un autre épisode de sécheresse catastrophique en 1984 et la persistance de précipitations bien en dessous de la normale ont attisé les recherches, tant du point de vue de l'expérimentation que de la modélisation numérique. Parmi les résultats les plus frappants, citons Zeng et al. (1999), qui ont montré que la prise en compte d'une végétation interactive, en plus de la variation des températures de surface océaniques, dans un modèle de climat permet de mieux représenter la persistance des anomalies sèches (Fig.2). La représentation des interactions végétation-climat par un modèle couplé montre que la dynamique de la végétation renforce la variabilité basse fréquence (décennale) des précipitations. Le temps de réponse pluriannuel des écosystèmes et de l'évapotranspiration propage les anomalies sèches sur plusieurs années en réduisant le recyclage de l'eau. Ces résultats sont confirmés par Wang & Eltahir (2000) et montrent l importance de l effet mémoire à long terme de la végétation. Cependant les processus de surface éventuellement responsables de temps de réponse ne sont pas identifiés. Figure 2 : Anomalies des précipitations observées et modélisées par un modèle de climat : atmosphère + océan (AO) + surface continentale (AOL) + végétation interactive (AOLV). Seule la prise en compte de le végétation interactive permet de reproduire l'alternance des décennies humides (50-60) et sèches (70-90). Zeng et al. Science, Les enjeux actuels Actuellement, le débat sur l'influence des surfaces continentales n'a pas été tranché. Ni du point de vue de l'observation, ni du point de vue de la modélisation. Cette situation traduit le manque de consensus sur les mécanismes physiques et biologiques responsables de ces changements à long terme. Un enjeu majeur de la décennie à venir est de relier les changements de surfaces sur la période historique, c'est-à-dire depuis la seconde moitié du XX eme siècle, à des changements de flux de surface. Pour mesurer la difficulté et l'importance de cette question, on peut décrire ce qui apparaît de plus en plus comme le paradoxe Sahélien. La période de sécheresse actuelle s'accompagne, au moins localement, d'une remontée de nappes phréatiques (Favreau et collègues sur le Niger). De manière plus générale, il semble que les rivières de la zone sahélienne aient vu leur débit augmenter, malgré 270

11 des précipitations moindres, à l'inverse des rivières de la zone soudanienne (Mahé et al.). De la même façon, la sécheresse de 1984 a vu l'apparition de mares permanentes, sur des sites qui ne connaissaient que des mares temporaires. On mesure bien, d'une part, l'impact de ces changements d'écoulement sur les échanges d'eau avec l'atmosphère, sur le fonctionnement des écosystèmes, et sur les sociétés humaines. Jusqu'à présent, l'hypothèse d'un changement de surface accompagnant la mise en culture des terres a été proposée comme cause possible de ce changement (Niger). Cependant, cette explication ne tient pas en zone pastorale, où le facteur déclencheur doit être d'abord être climatique entraînant un changement des états de surface et un changement de la végétation. Les questions alors sont les suivantes : Quels sont les changements observés au cours de ces dernières décennies? Comment ces changements ont-ils pu se traduire en terme de bilan d'eau, d'énergie et d'hydrologie de surface? Approche a) Analyse sur la période historique Pour aborder ces questions, nous disposons d'un suivi historique des recouvrements herbacés et ligneux sur le site atelier Sahel-Gourma, ainsi que de suivis effectués au Niger (voir thème 1). A partir de ces données, on peut dégager des règles d'évolution des sites après une perturbation comme sécheresse intense, en terme de composition floristique, recouvrement, densité de ligneux, dynamique des ligneux, stades d'érosion, états de surface, type d'écoulement. Ces règles d'évolution permettent d'identifier les propriétés de récupération, de résilience des différents écosystèmes sahéliens. Il s'agit ensuite de généraliser ce schéma conceptuel à l'ensemble des conditions rencontrées au Sahel, puis d'y associer des changements quantitatifs de bilan d'énergie, de bilan d'eau et d'hydrologie de surface. Pour ce faire, une première phase consistera à analyser les données d'albédo METEOSAT sur l'ensemble de ces sites, afin connaître les déterminants de l'albédo en zone sahélienne, et si possible soudanienne. Là aussi, il faut s'attendre à des paradoxes. Par exemple, il apparaît de plus en plus qu'une large bande de végétation soudanienne a un cycle d'albédo inversé, avec un maximum en saison des pluies, contrairement aux idées admises et incluses dans les modèles (Ba et al. 2001). De la même façon, il est important de relier les variations du signal des archives AVHRR aux changements observés en surface. La seconde phase consistera à modéliser ces changements d'albédo, les changements de végétation qui les provoquent et les changements d'états de surface et de flux latent qui les accompagnent. On se rend compte que les modèles actuels ne peuvent pas représenter ces changements, qui pour la plupart ne sont pas encore bien identifiés. Cette phase se basera à la fois sur les études à long terme précédemment décrites mais tirera aussi partie de l'effort important d'observation et de modélisation déployé dans ou en parallèle du projet AMMA. b) Les interactions surfaces - atmosphère de la seconde à l'interannuel On peut être raisonnablement optimiste sur une amélioration de la compréhension, de la quantification et de la modélisation des flux d'eau et d'énergie à une échelle de temps courte, de une à plusieurs années. Ce thème, abordé au cours de l'expérience Hapex-Sahel au Niger pour des périodes relativement courtes en 1992, bénéficiera des apports de l'expérience AMMA, sur l'ensemble du gradient golfe de Guinée-Sahara, sur une période couvrant plusieurs années. Dans ce cadre, le CESBIO se focalisera sur le fonctionnement de la végétation et l'humidité du sol en liaison avec la dynamique de la mousson. La fenêtre du Gourma constitue une zone d étude privilégiée pour l étude des processus de surface. La validation des modèles et des produits satellites devrait permettre d étendre l analyse des processus à l ensemble de la zone sahélienne d une part puis à l ensemble de la région ouest-africaine d autre part. Plusieurs aspects des interactions surface-atmosphère seront abordés : c) Flux turbulents et radiatifs Les interactions surface/atmosphère dépendent en grande partie du bilan radiatif de la surface, somme du flux solaire incident, réfléchi et du flux infrarouge thermique atmosphérique et émis par la surface. La seconde propriété importante est la partition de l'énergie radiative disponible en flux de 271

12 chaleur sensible et latent, sous forme de flux turbulents, et de conduction dans le sol. Ces flux dépendent des propriétés de la surface, de la végétation et de la disponibilité en eau. La connaissance des flux turbulents est essentielle pour les interactions surface atmosphère, mais ces flux sont également des révélateurs du fonctionnement des écosystèmes et permettent de caractériser le stress hydrique par exemple et bien davantage quand on mesure également les flux de CO 2. Le dispositif instrumental déployé et maintenu par le CESBIO sur le site atelier Sahel-Gourma en collaboration d'autres équipes a pour objectif d'identifier les déterminants de ces différents flux. La stratégie déployée sur la fenêtre du Gourma permet d'échantillonner de manière complète les surfaces présentes, en partie parce que la région est relativement favorable à ces approches multi-échelles, en partie parce que l'effort instrumental déployé est important et coordonné. Parmi les questions qui se posent, il s'agira de quantifier : l'importance de l'humidité du sol (superficielle, zone racinaire) sur les flux turbulents, l'effet du couvert végétal sur les flux radiatifs et turbulents, les modes d'extraction racinaire, la transpiration des ligneux, les effets de la phénologie sur les flux. Deux étapes sont ensuite nécessaires : la modélisation et la spatialisation qui sont traitées par le thème 2. L objectif de décrire la variabilité spatiale sur le Sahel, la variabilité temporelle du cycle diurne au multi-décénal, et d'utiliser au maximum les données satellitaire par des techniques d'assimilation afin d'estimer les flux de surface spatialisés sur la fenêtre du Gourma. D'autre part, le CESBIO organise, en collaboration avec le CNRM, un projet d'intercomparaison des modèles de surface. Ce projet, ALMIP (AMMA Land Model Intercomparison Project) a d'abord pour objectif de faire le point sur les connaissances de la communauté internationale sur la modélisation des échanges surface/atmosphère en milieu tropical (aride, semi-aride, tropical humide). ALMIP abordera 3 échelles spatiales : locale, méso-échelle et régionale (Afrique de l'ouest). Les modèles impliqués seront d'une part les modèles intégrés de surface utilisés pour le climat la prévision numérique ou les modèles de complexité intermédiaire, et d'autre part les modèles 'spécialisés', en végétation (STEP), culture ou hydrologie. L'idée étant de discerner les processus plus ou moins bien représentés par les différents modèles à différentes échelles. d) Eau du sol L humidité des sols est une variable clé des processus de surface. L Afrique de l ouest, en particulier la bande sahélienne, est montrée comme une région du globe où les rétroactions entre l humidité du sol et les précipitations sont les plus importantes (Koster et al. 2004). La qualité des prévisions saisonnières est ainsi fortement dépendante de la précision de la connaissance de l humidité des sols. Celle-ci interagit avec la végétation et le climat sur des échelles de temps diverses allant de l intra-horaire (flux d eau et d énergie) à la saison (flux et phénologie), à l inter-annuel (dynamique de la végétation, effets de mémoire des surfaces). La caractérisation de l humidité des sols reste cependant très difficile. Combinés aux outils de modélisation et d observation satellite, notamment SMOS à partir de 2007, les mesures réalisées dans le cadre des activités menées sur le site atelier, permettront d appréhender et de valider l estimation de l humidité du sol à diverses échelles spatiales, du local, à la méso-échelle et à la région. Cet effort particulier permettra d'aborder deux points précis des interactions surface/atmosphère : 1) l'impact des surfaces humides, après le passage d'une ligne de grains par exemple, sur l'atmosphère et les précipitations qui suivent : Y a-t-il un feed-back positif comme postulé par Taylor & Lebel (1998)? Y a-t-il au contraire inhibition de la convection, comme proposé par Taylor et al. (1997) également? 2) l'existence des effets 'mémoires' permettant de renforcer les périodes de sécheresses (Zeng et al. 1999, Philippon, 2002)? Pour cela, il faut connaître l'humidité du sol de la zone racinaire et le fonctionnement des ligneux. e) Cycles biogéochimiques et aérosols Les questions sur les interactions surface/atmosphère se posent également en terme de cycle, comme le cycle du carbone, de l'azote. On s'écarte ici de l'étude du système surface/mousson, parce que carbone et azote n'entrent dans les rétroactions surface/climat localement, bien que ces cycles 272

13 jouent sur le climat global. Néanmoins, l'atmosphère intervient dans la mesure et parfois dans l'intensité des flux de matières à la surface. L'intérêt premier est de voir le carbone comme un traceur du fonctionnement des écosystèmes (thème 2). Néanmoins, les dispositifs de mesures des flux et des concentrations sont à considérer dans un système surface/atmosphère. Les flux turbulents (méthodes des fluctuations turbulentes) dépendent de l'état de l'atmosphère (turbulence) et parfois de la surface (flux de drainage en condition stable, circulation de méso-échelle). Pour l'étude des concentrations de CO2 (station de mesures de précision) ainsi que pour les mesures de flux par bilan de couche limite nocturne et diurne (ballon captif), l'interprétation des données nécessite de connaître les basses couches de l'atmosphère. Réciproquement, ces expériences permettent de comprendre et modéliser ces basses couches, en particulier le flux de mousson, qui est à la base du système couplé surface/mousson. Pour le cycle de l'azote, ce sont essentiellement les dépôts, mesurés par la station IDAF qui dépendent de la circulation atmosphérique et des sources de surface. Enfin, un autre type d'interaction surface atmosphère sera abordé par une collaboration avec le LISA, concernant l'influence de la végétation (phénologie, recouvrement, dynamique à long terme) sur les soulèvements de poussière en milieu sahélien. La encore, il existe des rétro-actions surface-atmosphère via l'influence des poussières et aérosol sur le climat. 4. Le site atelier Sahel-Gourma 4.1 Présentation générale Le site atelier Sahel-Gourma, sous la responsabilité du CESBIO, est localisé au nord Mali dans une zone principalement pastorale. Ce site comprend 3 échelles spatiales emboîtées qui renferme les réseaux d instruments de mesures et qui font l objet dun suivi par satellites à différentes résolutions, de la très haute (1m) à la très basse (50 km) (Figure 3): La fenêtre méso-échelle (~30,000 km², N; 2-1 W). Cette grande fenêtre recoupe les 3 zones écoclimatiques rencontrée au Sahel (saharo-sahélien, sahélien, soudano-sahélien) entre els isohyètes annuels 100 et 400mm. Les cultures sont présentes uniquement dans la partie sud. Le super site de Hombori (~200 km², N; W). C est à cette échelle que sont étudiés principalement les intéractions entre l hydrologie et la vegetation, et les effets des hétérogénéités spatiales sur les flux. Le site local d Agoufou (1 km², 15.3 N W). La pluviométrie annuelle moyenne est de 370 mm. Ce site rassemble une concentration d instruments de mesures : fosses d humidité du sol, station météorologique automatique, station de mesures de flux, station IRT, photomètre solaire (AERONET) et une station IDAF. Les données recueillies servent à paramétriser et initialiser les modèles de surface. De plus, le site d Agoufou sert de site principal pour la validation des produits satellitaux (LAI, PPN, soil moisture) Déploiement instrumental La stratégie générale repose sur le déploiement à plusieurs échelles spatiales emboitées de l échelle stationnelle à la méso-échelle- de réseaux d instruments dédiés au suivi et la documentation d un grand nombre de variables caractérisant le climat, la variabilité spatio-temporelle des propriétés de la surface comprenant les variables décrivant la végétation, l humidité du sol, les dépôts atmosphériques et les flux d énergie. L ensemble du dispositif fournit les paramètres et les variables de forçage qui doivent servir à initialiser et tester les modèles de surfaces à différentes échelles spatiales. - Variables de forçages atmosphériques:. Précipitations : c est la variable de forçage principale, aussi une attention particulière est mise sur l estimation des précipitations. L intensité des pluies est suivie à l aide d un réseau de pluviographes et de pluviomètres, installés depuis 2004 dans la fenêtre méso-échelle selon un transect nord-sud. 273

14 . Variables météorologiques: Deux stations automatiques localisées sur le site local d Agoufou (15.3 N) et sur le site de Bamba (17.1 N), fournissent l ensemble des variables de forçage nécessaires à l initialisation des modèles de surface. Ces mesures sont complétées 4 séries d instruments analogues installés au niveau des 4 tours à flux. Enfin, le photomètre du réseau AERONET installé sur le site d Agoufou fournit des mesures sur les aérosols et le contenu en vapeur d eau. - Paramètres atmosphériques. Chimie atmosphérique: la composition chimique des eaux de pluies et des dépôts secs et des gaz est déterminée par l analyse des données recueillies par le réseau IDAF (ORE) sur le site d Agoufou.. CO2: les concentrations précises de CO2 atmosphériques sont mesurées en continu sur le site d Agoufou (collaboration avec l Université du Colorado, projet GlobalView CO2 ). - Cycle de l eau. Humidité du sol: L humidité du sol est documentée à l aide d un réseau de 8 fosses disposées à l intérieur de la fenêtre méso-échelle. Il s agit de mesures automatiques de la surface jusqu à 2,50 mètres.. Flux hydrique et d énergie : 4 stations de mesures de flux comprenant 2 stations CO2/H2O/énergie et 2 stations de mesures de flux de chaleur sensible ont été installées en Trois d entre elles ont été positionnées à l intérieur du super-site de Hombori sur des surfaces représentatives: dune sableuse, forêt d acacia et surface d érosion. La quatrième station est positionnée à l extrême nord de la fenêtre méso-échelle sur le site de Bamba.. Flux de sève: Deux stations seront installées sur le site d Agoufou sur des arbres dominants (Acacia sp., Balanites aegyptiaca et Combretum glutinosum). Ces stations renseigneront sur la dynamique temporelle de la transpiration des arbres. - Végétation. Phénologie et Productivité primaire: A méso-échelle, la caractérisation de la dynamique de la végétation repose sur le suivi de 43 sites de 1 km² distribués selon un transect nord-sud entre la transition saharo-sahélienne et la transition soudano-sahélienne. Les mesures sont effectuées tous les mois pendant la saison des pluies. Sur le site d Agoufou, le suivi est effectué tous les 10 jours (LAI, biomasse, recouvrement, ) à l aide de méthodes destructives (coupes) et non destructives (photos hémisphériques). 4.3 Base de données Une base de données et un Système d Information Géographique sont alimentés par l ensemble des données acquises (terrain et satellites) dans le cadre du projet. Cette base de données regroupe aussi les relevés long terme effectués sur cette même région depuis 1984 (soit 20 ans de données). 274

15 Site atelier Sahel-Gourma Pluviométrie 50 mm Site local de Bamba (17.1 N, 1.3 W) 100 mm Niger Site méso-échelle du Gourma Supersite de Hombori 300 mm 350 mm Site local d Agoufou (15.3 N, 1.5 W) 450 mm Figure 3 : Site atelier du Sahel-Gourma montrant le réseau de sites de végétation (carrés vert), le réseau de pluviographes (symboles jaune et orange), le réseau de stations de flux (carrés bleu) et les stations météo automatiques (ronds rouge) 275

16 4.4. Intégration dans des réseaux nationaux et internationaux de suivi à long terme Le site atelier Sahel-Gourma est intégré depuis 2003 dans l Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) CATCH (Observatoire de la Variabilité Climatique Tropicale et de son impact Hydrologique en Afrique de l Ouest ; qui comprend deux autres sites au Niger et au Bénin. Cet ORE à vocation hydrologique lors de sa création, intègre désormais une composante végétation. L ORE CATCH, soutenu par l IRD, le Ministère de la Recherche et l INSU est une composante du programme GEWEX (Global Energy and Water EXperiment ; Par ailleurs, le site Sahel-Gourma fait partie de la zone atelier GLOBALSAV proposée par le laboratoire d Ecologie de l ENS dans le cadre de l AO du Programme Environnement Vie et Sociétés. La zone atelier concernée comprend une douzaine de sites de savanes localisées en Afrique de l Ouest entre la Côte d Ivoire et le Mali ( Le site Sahel- Gourma est le plus septentrional du réseau. Le site Sahel-Gourma fait partie de l ensemble des sites du Réseau d Observatoires de Surveillance Ecologique à Long Terme (ROSELT, coordination : J.M. d Herbes, IRD-Montpellier, Au niveau international, le site du Gourma est une des composantes du réseau -en cours de montage- Afriflux (Coordination Niall Hanan, Colorado State University ; et contribuera au réseau de mesures de précision du CO2 atmosphérique (installation en 2006) par le projet African Carbon Exchange (Coordination : Niall Hanan : Colorado State University; réseau GlobalView, Par ailleurs, les instruments suivants photomètre et station de mesures des dépôts secs et humides font partie respectivement des réseaux AERONET ( et IDAF Site du Gourma Figure 4 : Réseau global de mesures de précision du CO 2 atmosphérique. 276

17 5. Participation au projet AMMA 5.1 Objectifs et structuration du projet AMMA Le projet AMMA (Analyses multidisciplinaires de la Mousson Africaine) est un projet international, d initiative française, qui a pour objectif d améliorer notre connaissance et notre compréhension de la Mousson de l Afrique de l Ouest (MAO) et de sa variabilité de l échelle journalière à l échelle interannuelle (Redelsperger et al., 2005). Le programme AMMA rassemble en France des chercheurs des disciplines des sciences environnementales et est financé par l ensemble des agences françaises. Le programme AMMA regroupe maintenant des scientifiques de plus de 20 pays et de 40 agences et universités, bénéficiant de l existence de plusieurs projets AMMA fédérateurs dans d autres pays et de consortium pan-nationaux. Le projet AMMA a trois grands objectifs: Améliorer la compréhension de la MAO et de son influence sur l'environnement physique, chimique et biologique aux échelles régionale et globale. Produire les connaissances nécessaires pour relier la variabilité du climat aux problèmes de santé, de ressources en eau et de sécurité alimentaire pour les nations d Afrique de l ouest et définir les stratégies de surveillance appropriées. S assurer que les résultats des recherches multidisciplinaires du projet soient effectivement intégrés dans les activités de prévision et de décision. Pour tenir compte de ce caractère multi-échelle temporelle et spatiale de la MAO et de ses composantes, la stratégie générale du projet AMMA repose sur l imbrication de zones et périodes d observation. Le projet AMMA est structuré autour de 4 échelles spatiales d intérêt: 1) Echelle globale. C est l échelle à laquelle la MAO (Mousson d Afrique de l Ouest) interagit dans les deux directions avec le reste du globe avec une focalisation sur le rôle des anomalies de SST globales sur la variabilité de la MAO, l impact de cette variabilité sur l Atlantique tropical et la quantification des exports des particules (aérosols et espèces chimiques). Les échelles de temps correspondent à celle de la variabilité saisonnière à décennale. 2) Echelle régionale. C est à cette échelle que doivent être étudiés les processus et les interactions d échelles régissant la mousson. On se focalisera sur la compréhension des interactions entre atmosphère, surface continentale et océan (spécialement dans le Golfe de Guinée) en étudiant en particulier à cette échelle le rôle des rétroactions des surfaces continentales sur la variabilité de la MAO. C est aussi l échelle des transports des particules (aérosols et espèces chimiques) par le système de la MAO. Les échelles principales de temps vont des cycles annuel et saisonnier à l interannuel. 3) Mésoéchelle. C est l échelle des systèmes convectifs précipitants, composante météorologique majeure de la MAO. Cette échelle est centrale pour l étude de la variabilité des précipitations à l échelle saisonnière et le couplage entre hydrologie et atmosphère à l échelle des bassins versants. C est aussi à cette échelle qu il faut étudier le transport des aérosols et des espèces chimiques par les systèmes convectifs 4) Echelle sub-meso (<10km). D un point de vue atmosphérique, c est l échelle des cellules convectives auxquelles correspondent les maxima de précipitation; A ce titre, c est l échelle centrale pour l hydrologie du Sahel et des petits bassins versants plus au sud; et ainsi l échelle principale pour les études de processus au niveau de la végétation naturelle et cultivée. 277

18 Figure 5 : Echelles spatiales concernées par le projet AMMA. Le site atelier Sahel-Gourma, localisé au coeur de la bande sahélienne, est le plus septentrional des 3 sites de méso-échelle. Le projet AMMA repose sur trois périodes d observations complémentaires : 1) La période d observation à long terme ou LOP ( ). Il s agit ici de documenter et d analyser les variations des champs climatiques, des conditions de surface et de végétation sur une grande période de temps et à 3 échelles spatiales : régionale, méso et locale. 2) La période d observations renforcées ou EOP ( ). Il s agit de documenter le long d un transect géographique la variabilité saisonnière des conditions de surface et d étudier ainsi un possible effet mémoire en liaison avec les conditions continentales (stockage d eau dans les sols et la végétation). 3) La période d observations spécifiques ou SOP (2006). C est la période des mesures intensives qui seront réalisées tout au long de la saison des pluies. Les zones instrumentées spécifiquement ont été choisies pour documenter le gradient éco-climatique qui caractérise au premier ordre la région d'étude (Figure 5). 1) la région: mesures en mer, renforcement des capacités des réseaux opérationnels sur le continent, transect sahélien pour les aérosols, étude de plusieurs bassins versants et des sites de mésoéchelle assurant un bon échantillonnage de toute la région; 2) la méso-échelle, avec trois sites d'observations densifiées au Bénin, Mali et Niger; 3) l'échelle convective/locale, par le biais de super-sites et de sites intensifs locaux installés sur les trois sites de méso-échelle. 5.2 Implication du CESBIO dans AMMA Outre sa participation au Comité de Coordination du projet AMMA (CCMA), et à différents groupes de travail (groupes satellites, modélisation, LOP, EOP, AMMA-Biosphère ), le CESBIO s est fortement impliqué dans les observations à long terme (LOP) et les observations renforcées (EOP). En particulier, le CESBIO est responsable du site méso-échelle malien représenté par le site atelier Sahel-Gourma et à ce titre assurera la coordination entre les différentes équipes qui participeront aux campagnes de mesures EOP et SOP. 278

19 Les responsabilités exercées par les participants du projet Sahel, au niveau national et international, sont données ci-dessous : Eric Mougin : - Membre du Comité de Coordination de la Mousson Africaine, CCMA - Membre du AMMA International Coordination and Implementation Group, ICIG - Responsable des activités de la LOP sur le site du Gourma (Mali) - Responsable des Etudes Intégratrices sur le site du Gourma (Mali) pendant l EOP - Responsable du thème 2.3 : Processus Physiques et Biologiques des Surfaces Continentales (API- AMMA) - Co-responsable du thème WP 2.3 (Physical and Biological Processes) du Projet Européen AMMA- EU. Patricia de Rosnay - Membre du Comité de Coordination de la Mousson Africaine, CCMA - Responsable des WP 412 Modélisation des processus de surface (API-AMMA) et WP4.1.1 Land Surface models (AMMA-IP) - Responsable du réseau d humidité du sol sur le site du Gourma malien - Investigateur Principal des activités cal-val de SMOS sur AMMA Laurent Kergoat - Responsable des activités Satellites Surfaces Continentales (API-AMMA) - Co-Responsable du thème 2.3 : Processus Physiques et Biologiques des Surfaces Continentales (API-AMMA) 6. Validation des produits satellites Un grand nombre de produits satellites, se rapportant aux caractéristiques des surfaces continentales, sont actuellement disponibles. Ces produits concernent des variables biophysiques (i.e. LAI, humidité du sol), radiatives (rayonnement, albedo, etc.) ou des cartes thématiques (i.e. occupation du sol, type de végétation, densité d arbres, etc.). Jusqu à présent, les produits disponibles sont dérivés principalement des instruments à moyenne et basse résolution tels SPOT/VGT, MODIS ou AMSR, mais à l avenir un grand nombre de produits seront proposés à la communauté scientifique. L évaluation de ces produits constitue un enjeu important, tout spécialement pour les régions semiarides qui sont peu représentées dans les projets de validation. L évaluation des produits basse et moyenne résolutions disponibles constituera un axe de recherche majeur du présent projet. En effet, le site atelier du Gourma se prête bien à un tel exercice pour plusieurs raisons : a) il est représentatif des formations végétales naturelles sahéliennes, b) il couvre une surface importante renfermant une grande diversité de surfaces et de types d occupation du sol (steppes, formations boisées, cultures, ), c) les unités du paysage sont généralement de grande taille bien adaptées à un suivi à l aide des instruments à large fauchée, d)le site est bien instrumenté, e)l équipe a une bonne maîtrise des méthodes d échantillonnages adaptées à ce type de milieu. L accent sera mis sur : - les variables décrivant le couvert végétal et sa phénologie (LAI, fcover, fapar) - la Productivité Primaire Nette (PPN) - l humidité de surface des sols Une évaluation des cartes thématiques disponibles pour la zone d étude sera aussi réalisée. Cela concernera principalement les caractéristiques du couvert ligneux. 279

20 6.1. Produits végétation Le site atelier du Gourma fait déjà partie, depuis 2000, du réseau des sites de validation du projet VALERI Validation des produits issus des capteurs satellitaires à large champ (coordination : F. Baret, INRA-Avignon ; Parmi les 16 sites sélectionnés du réseau VALERI, le Gourma est le seul site de végétation naturelle localisé en Afrique. Au cours des années précédentes, une méthodologie d échantillonnage a été développée à l échelle d un pixel de 1km, associant des méthodes destructive (coupes) et non destructive (photos hémisphériques), à une échantillonnage aléatoire stratifié. A l avenir, cette méthodologie sera appliquée à des tailles de fenêtres plus importantes (~ 3km x 3km) de manière à prendre en compte à la fois la variabilité spatiale des variables concernées mais aussi l imprécision de la géolocalisation des données satellites. Par ailleurs, des liens existent déjà, via le projet VALERI, avec l équipe MODLAND (R. Myneni ; et le CEOS (Committee on Earth Observing Satellites ; J. Morisette) dont un des objectifs est l évaluation des produits MODIS. Ces liens seront renforcés (définition des protocoles de mesures, campagnes communes). Site du Gourma Figure 6 : Réseau de sites de validation proposé par le CEOS Land Product Validation group (Morisette et al., in press. Le site Sahel-Gourma est le seul site de végétation naturelle du continent africain. 6.2 Produits humidité du sol L objectif est de valider les champs spatialisés d humidité de surface issus des données AMSR et METOP/ASCAT dès que ces dernières seront disponibles. L accent sera mis sur les produits AMSR qui sont disponibles quotidiennement à la résolution de 50 km. Ce travail s inscrit dans le projet du SAF-hydro d'eumetsat. Les estimations d humidité de surface réalisées à différentes échelles (stationnelle et kilométrique) vont permettre de constituer des jeux de données de validation pertinents pour évaluer les produits humidité du sol. L'approche multi-échelle de l'estimation de la dynamique de l'humidité du sol s'articule autour de la combinaison (1) des mesures continues des profils verticaux d'humidité du sol par un réseau de stations répartis sur l'ensemble du site méso échelle, (2) des mesures spécifiques d'humidité de surface sur des transects kilométriques sur des périodes où les dynamiques spatiale et temporelle de l'humidité du sol sont marquées, (3) ainsi que sur des mesures satellitaires acquises par différents capteurs micro-ondes actifs et passifs, travaillant à différentes échelles spatiale (25 m à 50 km) comme le radar imageur ASAR sur ENVISAT. Dans la continuité de ce travail, les mesures locales par les stations d humidité du sol et les campagnes de mesures sur les transects kilométriques vont être poursuivies jusqu'en En effet, les sites méso-échelles du projet AMMA, dont le site atelier Sahel-Gourma, viennent d être sélectionnés comme sites de calibration-validation de la mission SMOS (ESA cal-val AO, de Rosnay et al. 2005). 280