Les variations climatiques observées et potentielles à l'échelle de 2 Zones Ateliers : Alpes et Armorique Perrimond Benoit Sous la direction de : Sylvain Bigot et Hervé Quénol (LETG-Rennes Costel) Thèse BDI CNRS INSU-INEE
Localisation et thématiques scientifiques des Zones Ateliers Paysages, climat, écologie et usages 11 Zones Ateliers SOERE inter-za ZA Armorique (création en 1993) ZA Alpes (création en 2008) ZA Armorique LTER europe European Long-Term Ecosystem Research Network ZA Alpes LTER : Long Term Ecological Research 2
Pourquoi l'étude croisée de ces 2 zones? Des problématiques différentes, mais des enjeux et des objectifs complémentaires : - La Zone Atelier Armorique étudie les relations entre les structures du paysage, l'exploitation des terres agricoles et les processus écologiques - La Zone Atelier Alpes étudie les dynamiques couplées des écosystèmes alpins, de leurs usages et du climat Des contextes et des problématiques différentes, mais un déterminant commun : la variabilité climatique. 3
Contexte et prévisions climatiques Constat : une modification des saisons de végétation allongement de la période végétative depuis 1950 avancement significatif de la période de débourrement retard de la période de sénescence (Menzel et Fabian, 1999 ; Menzel et al., 2006). 4
Contexte et prévisions climatiques Constat : une modification des saisons de végétation allongement de la période végétative depuis 1950 (Menzel et Fabian, 1999 ; Menzel et al., 2006). Évolutions des températures minimales (en bleu), maximales (en rouge) et moyennes annuelles (en violet) à Brest de 1960 à 2010. Lignes pointillées : observations ; lignes continues : valeurs modélisées (calculé d après les données Arpège-Climat, scénario A1B, données régionalisées par la méthode quantile-quantile). 5
La sensibilité de la phénologie des ZA aux variations climatiques Exemple de constat à l échelle du massif du Vercors : le suivi de la productivité végétale arborée (via le NDVI) est très sensible aux variations climatiques intra- et interannuelle : Printemps et été humides, T fraîches Printemps et été peu humides, T normales D après Rome et al., 2011 6
Problématique et approche méthodologique de ma thèse Améliorer la compréhension des interactions entre le climat et la phénologie végétale, en tenant compte des spécificités régionales et des contraintes climatiques d échelle supérieure des deux Zones Ateliers ; Utiliser la même méthodologie, basée à la fois sur l analyse de séries issues de l observation mais aussi, de manière complémentaire, sur la modélisation régionale pour l analyse de certaines situations climatiques influençant très significativement les dynamiques végétales des 2 espaces étudiés. 7
Principaux objectifs de ma thèse Objectif 1 : Décrire le climat actuel (1958-2011) à l échelle des 2 ZA - Comprendre la variabilité spatio-temporelle des principales variables atmosphériques (notamment T et P) : modes intra- et interannuels ; - Identifier et distinguer les forçages d échelle synoptiques et les variations d échelle régionales (notamment types de circulation et téléconnexions) ; - Établir une typologie saisonnière des épisodes à fort impact climatique régional (notamment variations thermiques, pluviométriques/hydriques, nivales). 8
Principaux objectifs de ma thèse Objectif 2 : Déterminer le poids du climat sur les variations phénologiques régionales - Diagnostiquer les influences du climat sur la phénologie végétale aux échelles saisonnières et interannuelles ; Préciser l impact des principales anomalies climatiques régionales sur la saisonnalité (précocité/durée) et la productivité végétale (qualité) ; - Établir les contrastes de sensibilité en fonction des principales occupations du sol (espaces agricoles, espaces pâturés, espaces arborés). 9
Principaux objectifs de ma thèse Objectif 3 : Avoir recours à la modélisation régionale pour reproduire certains processus climatiques - Déterminer statistiquement, à partir de prévisions climatiques régionales à moyen terme (2021-2050) les variations attendues pour les 2 ZA ; - Simuler certains épisodes climatiques étudiés à fort impact sur la phénologie végétale des 2 ZA, pour préciser les variations du bilan climatique (hydrique, thermique, aérologique) ; - Valider ces résultats en utilisant les climatiques mesurées par les réseaux des ZA. 10 données
Principales caractéristiques physiques des 2 Zones Ateliers Deux espaces très contrastés : Armorique : Altitude [0-360 m] 70 % de surfaces agraires Alpes : Altitude [0-4800 m] 65 % de surfaces naturelles Armorique Alpes Des enjeux différents : - Espaces fortement anthropisés / agricoles - Territoires préservés (PR, PN, Réserves) Calculé d après Corine Land Cover (2010) 11
Milieu «armoricain» caractéristiques du paysage végétal Occupation du sol : principalement agricole (70 %) Organisation spatiale : 1) présence de bocages 2) rotation des cultures gestion de paysages anthropisés Cartes d'occupation des sols en Bretagne pour la période 2001-2008 (Lecerf, 2008) Répartition de la densité bocagère en Bretagne (Vanier, 2011) 12
Milieu «armoricain» caractéristiques du paysage végétal Un paysage typique de la ZA Armorique 13
Milieu «alpin» caractéristiques du paysage végétal Occupation du sol : principalement naturelle (65 %) Organisation spatiale : étagement de la végétation gestion de paysages naturels (Parcs et réserves) Répartition altitudinale de la végétation dans les Alpes (Corine Land Cover 1990) Courbe hypsométrique (fréquence d'altitude) dans les Alpes (BD Alti, IGN) 14
Milieu «alpin» caractéristiques du paysage végétal Un paysage typique de la ZA Alpes (le massif du Vercors) 15
Données climatiques disponibilité et méthode de traitement Mars 2012 16
Données climatiques disponibilité et méthode de traitement 17
Les données climatiques sélectionnées pour ma thèse Réseau Météo-France utilisés pour : - définir le climat actuel ; - valider les réanalyses Safran-France. Réseau armoricain Réseau alpin Réseaux des ZA utilisés pour valider les simulations numériques. 18
Étude de la variabilité climatique temporelle Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009) Anomalies thermiques 1 rupture détectée en 1979 1958 1979 : absence de tendance 1980 2010 : tendance positive (~ 1,25 C par décade) Tests effectués pour la détection de rupture : Pettit (1979), Alexanderson (1986) et SNHT (1995) Test effectués pour la détection de tendance : Mann-Kendall (1945) 19
Étude de la variabilité climatique temporelle Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009) Anomalies pluviométriques absence de rupture absence de tendance Tests effectués pour la détection de rupture : Pettit (1979), Alexanderson (1986) et SNHT (1995) Test effectués pour la détection de tendance : Mann-Kendall (1945) 20
Et qu'en est-il de la variabilité fréquentielle? Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009) Transformée en ondelettes (Torrence et al., 1998) Données : anomalie annuelle des précipitations Objectif : caractériser les différents modes périodiques dans un signal temporel. Résultats : deux périodes significatives 1958-1990 : 2-4 ans 1990-2010 : 6-8 ans Armorique Alpes lien possible avec un forçage synoptique de type NAO ou AO (Jevrejeva, 2005) 21
Données climatiques disponibilité et méthode de traitement 22
Validation des données climatiques Alpes et Armorique (pas de temps mensuel, 1959-2009) Comparaison données SAFRAN / Stations : Réseau de mesure Météo-France en Bretagne disponible entre 59-09 Réseau de mesure Météo-France dans les Alpes disponible entre 59-09 [1] Quintana et al., 2008 23
Validation des données climatiques Alpes et Armorique (pas de temps mensuel, 1959-2009) Comparaison données SAFRAN / Stations : Réseau de mesure Météo-France en Bretagne disponible entre 59-09 Pour les Alpes (problème de résolution spatiale) : interpolation des températures par rapport à l'altitude Réseau de mesure Météo-France dans les Alpes disponible entre 59-09 Présenté lors du 24ième colloque de l'aic à Rovereto (Italie) ; Article en préparation dans 'Internationnal Journal of Climatology' 24
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle Échelle régionale et synoptique, SAFRAN NCEP/NCAR, 1959-2009 Relation échelle locale / échelle synoptique (Décomposition en Valeur Singulière = SVD) Données analysées : - les champs régionaux de précipitations/température - champs synoptiques de pression (SLP). Objectifs : identifier des couples de structure spatiale entre deux champs géophysiques (interactions entre échelle régionale et échelle synoptique : caractériser les principaux modes de variabilité spatio-temporelle couplées entre les deux champs (pression/précipitations et pression/température) déterminer la fenêtre synoptique montrant les relations les plus fortes entre le champs de pression et les variables régionales (en cours). 25
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle Échelle régionale et synoptique, SAFRAN NCEP/NCAR, 1959-2009 Exemple d un résultat : SVD pour les champs de pression et les champs pluviométriques (Alpes) en hiver (DJF) 26
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle Échelle régionale, 1959-2009 Approche multivariée (Analyse en Composante Principale) Données analysées : - champs régionaux normalisés de T, P, - champs synoptiques normalisés de pression (SLP) Objectifs : - extraire les principales variations spatiales pour chacun des champs - retenir un nombre optimal de facteur pour chaque variable (analyse parallèle) Analyse effectuée pour chacun des 3 champs pour chaque saison 27
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle Échelle régionale, 1959-2009 Exemple pour les précipitations - ZA Armorique au printemps - nombre de facteurs retenus (pour l'exemple) : 3 (~73 %) Interprétation : 1ère composante factorielle (var = 26.48 %) Carte d'anomalie pluviométrique correspondant aux dates où la série temporelle est positive (resp. négative) Il reste à analyser la variabilité temporelle associée 28
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle Échelle régionale, 1959-2009 Exemple pour les pressions au niveau de la mer - champs de pression (Europe, hiver) - nombre de facteurs retenus (pour l'exemple) : 4 (~75 %) A partir des diagnostics multivariés, construire des composites basées sur des situations climatiques saisonnières «anormales» : déterminer leurs potentielles influences sur les phénophases régionales 29
Analyses en cours et étapes prévues Renforcer et finaliser le diagnostic climatique (SVD, classifications) : classer et lister par saisons les contraintes/forçages ; Analyser le décalage temporel climat-végétation (inertie saisonnière et inter-annuelle) et les contrastes intra-régionaux : sélection de situations spécifiques (sècheresses, températures extrêmes,...) à reproduire par simulation. Utiliser le modèle climatique WRF pour préciser les interactions climatiques régionales : valider ces résultats grâce aux observations climatiques menées sur les 2 ZA depuis 2005. 30
Données phénologiques déjà pré-traitées Stades phénologiques (échelle d'une association végétale = approche régionale) : 1) Date d'apparition des feuilles (débourrement) 2) Date de disparition des feuilles (sénescence) 3) Longueur de la saison végétative NDVI ( Indice foliaire) Spot-Vgt (1999-2011, 1km²) Analyse par «PhenoSat» Cartes de stades phénologiques 31
Le modèle régional sélectionné : WRF Weather Regional Forecast - Modèle à aire limitée - Développé par le NCEP/NCAR - Installé sur la plateforme CIMENT (Grenoble) Expertise dans la modélisation : - collaboration avec HMCI - collaboration avec COSTEL (modèle RAMS utilisé depuis plusieurs années) 32
Valorisation et collaborations Participer aux phases 2012-13 du programme européen CAMELEON de la ZAA (changement climatique et modélisation biogéophysique via ORCHIDEE à l échelle des hauts plateaux du Vercors) : proposer des expériences à partir de mes résultats. Finaliser l article en cours de rédaction dans Int. J. of Climatology. Participation à l EGU2012 (mai) et AIC2012 (septembre). Participer à l organisation des Rencontres Inter-ZA des doctorants et jeunes chercheurs (hiver 2012). 33
Merci de votre attention 34
Enjeux pour ces espaces sensibles au changement climatique Étude des changements phénologiques sous l influence des variations climatiques : compréhension des futures désynchronisations des interactions bioclimatiques? anticipation pour l analyse des capacités adaptatives des espèces, des paysages et des usages. Les phénophases saisonnières et interannuelles seront affectées par les changements de variabilité climatique : mais plutôt par le biais de relations bioclimatiques non-linéaire, entre l augmentation de la température et certaines modifications phénologiques («effets de seuil» et modifications brutales). 35
La complexité des relations entre les dynamiques végétales et le climat Analyse phénologique : Les indices de végétation issues de la télédétection permettent d'étudier la phénologie d associations végétales et leurs dynamiques temporelles (ex : le NDVI). NDVI et stades phénologiques (Zhang et al., 2001) Les différentes phénophases contrôlent le cycle de vie des végétaux et sont dépendent des conditions climatiques. Mais certains seuils bioclimatiques complexifient le cycle (gel, faible température, sécheresse). T ( C) P (mm) Schéma conceptuel du taux de survie d'une espèce végétale (Chuin, 2010) 36