Évolution de la végétation

C

AOG+ TSM IMAGE foré par la simulation SA2 (pas d'utilisation du mo-dule de limat d'IMAGE)mais pas de ouplage interatif

IMB Simulationouplée AOG/IMAGE

IMB 1.5 IdemAOGmais avelemotifproduitpar IMB,etlasensibilité limatiqued'IMAGE xée à 1.5

◦ C IMB 4.5 IdemIMB 1.5ave une sensibilitéde 4.5

◦ C

Tab. 5.1- Tableau réapitulatifdes simulations IMAGE utilisées dans e hapitre.

5.3 Caratéristiques de la simulation IMAGE

Pourdéteter d'éventuellesinterationsnon-linéairesetloalesdanslesystèmeouplé IMAGE/AOG,ilestplusaiséd'analyserlesrésultatsdelasimulationIMAGE.La simula-tion oupléeIMBest omparée àdiversessimulationsIMAGElistéesdans letableau5.1. Certaines de es simulations ont déjàété présentées auhapitre2. Deux nouvelles simu-lations sont ajoutées : IMB 1.5 et IMB 4.5, qui sont des simulations du modèle IMAGE dans sa version standard (i.e. le module limatique simple d'IMAGE est utilisé pour le alul du limat), mais on utilise le motif produit par la simulation ouplée IMB et on xe lasensibilitédu limat respetivement à1.5

◦

C età 4.5 ◦

C. Ces deux valeurs ontété hoisies pour ouvrir une gamme un peu étendue de sensibilité. Il n'a malheureusement pas été possible de déterminer proprement la sensibilité de AOG. On note simplement que lesrésultats de IMB sont plus prohes de eux de IMB 4.5.

5.3.1 Évolution de la végétation

Étude globale

La arte de végétation obtenue pour l'expériene IMB en 2050 est omparée à elle simulée en utilisantlemotifde lasimulationSA2(simulationappelée AOG). Laarte de végétationnaturelle(gure5.10)reèteuniquementleshangementsdusàlamodiation du limat et à l'augmentation de la onentration en CO2. D'une manière générale, les

hangements obtenusdans lasimulationIMBsont trèsressemblants àeux obtenus pour lasimulationAOG. Partout,leslimitesdes zonesde végétation(éotones) sontmodiées defaçonsimilaire.Danslesrégionstropiales,l'extensiondutypesavaneboiséeauxdépens delasavaneestdueprinipalementàl'augmentationdel'eienedel'utilisationdel'eau. Demême sur l'Afrique,ledéalage vers le norddes typessavane,arbustes et steppesaux portes du désert est similaire dans les deux simulations et attribué à l'augmentation de l'eienede l'utilisationdel'eau.Auxhauteslatitudeslemodèleprévoitundéplaement verslenorddelaforêtboréaleetdelatoundraarborée.Onremarquequeesdéplaements sontunpeuplusimportantsdanslasimulationAOGquedanslasimulationouplée.Cette diérenesembledue àun réhauement un peu moins fortaunord de la Russiedans la simulationIMB.

Au nord de 50 ◦

N, les hangements de végétation réelle (gure 5.11) sont les hange-ments de végétation naturelle. Aux tropiques, les hangements de végétation naturelle sontpeu disernables.L'utilisationdes terresest lefateurdéterminantde laarte de vé-gétation.Danses régions,lesdeux simulationssemblentdonnerdes résultatsidentiques.

Sud de l'Afrique

Une des rares diérenes qui se dégage est une moindre extension des ultures sur le sud-ouestdel'AfriquedanslasimulationIMB.L'évolutiondelasurfaedesterresultivées sur ette région (gure 5.12) montre que ette diérene apparaît vers 2030. Celle-i est due à une augmentation des produtivités du maïs et des éréales tropiales à ette période. L'augmentation des produtivités reète l'apparition de onditions limatiques plusfavorablespouresulturesentre2020et2050danslasimulationIMB.Enpartiulier, ette simulation prévoit une augmentation des préipitations en moyenne sur la région (gure 5.12). Cette tendane moyenne reète surtout l'augmentation sur le nord-est de la région, tandis qu'il y a plutt une diminution sur l'ouest. De e fait, l'extension des ulturessefaitpréférentiellementsur l'estdelarégionetestmoindredufaitdeonditions plus favorables.

Cette diérene s'estompe dans la deuxième moitié du sièle, et la surfae des terres ultivées redevientéquivalenteen 2100.Cette onvergene s'expliquepar un dépassement de la température optimale de roissane des ultures rapide dans IMB qui limite le bénée de l'augmentation des préipitations. On note ii que la rédution des surfaes ultivéesenndesièlereèteuneforteaugmentationdesprodutivitésliéeàl'utilisation de fertilisants.

L'extension des ultures est majoritairement fontion de l'évolution éonomique et démographique proposée par le sénario et dépend peu du limat simulé. Cet exemple

Fig. 5.10- Carte de végétation naturelle en 1970 (en haut),en 2050 pour IMB làoù elle a hangé (au entre) et en 2050 pour la simulation nommée AOG (en bas) (utilisant le

Fig. 5.12 - Évolution de l'aire des terres ultivées(à gauhe), de la température moyenne (au entre) et des préipitations moyennes (à droite) sur la région du sud de l'Afrique.

Lesystème misen plaeapparaîtpeu propieàl'apparitiond'unerétroationimportante entre lelimat etl'utilisationdes sols.

Amérique du sud

Sur le nord de l'Amérique du sud, on a observé une tendane à la diminution des préipitationsmaiselane sembleavoirauunimpatsurlavégétation naturelleou ulti-vée de ette région. Ces résultats sont assez diérents de eux obtenus par ? (?). Ils ont réalisé une simulation sénario ave un modèle de végétation dynamique, mais sans évolution de l'utilisation des sols. Dans leur étude, ils obtiennent un dépérissement de la forêt amazonienne suite à une rédution des préipitationssur ette région. Leur mo-dèle simuleun assèhement de ette régionsimplementsous l'eet de l'augmentationdes GHGssans prise enomptede lavégétation dynamique.Lorsqu'ilsinluent lavégétation dynamique,l'assèhementprovoqueun stress auniveau de lavégétation etunerédution de l'ouverture des stomates. Cela se traduit par une diminution progressive de la pro-dution primaire brute (quantité de arbone absorbée par la végétation). La rédution de l'ouverture des stomates entraîne aussi une rédution de l'évaporation et entretient ainsi l'assèhement sur la région. La rétroation positive ainsi mise en plae aboutit au remplaement progressif de la forêtpar de lavégétation basse.

Dansleur modèle, etterétroation est initiéepar lefait quelemodèlesimuleune ré-dutiondespréipitationssuretterégionsimplementdue àl'augmentationdela onen-tration en CO2, e qui n'est pas le as dans notre modèle. Dans notre simulation, l'aug-mentation de CO2 favorise le développement de la forêt par fertilisation et la rédution des préipitations est trop faible pour diminuer la NPP de la végétation naturelle. En

le sol, suite au remplaement partiel de la végétation naturelle par des ultures, induise une rédution de l'évaporation et des préipitations. Toutefois, ela ne onerne qu'une petite région de l'Amazonie qui est partiulièrement humide. Ainsi, même après rédu-tion, lespréipitations restent à un niveau élevé (3mm.j−1

) qui ne sut pas à perturber ledéveloppement de laforêt.

Fréquene et types de transitions

La gure 5.13 permet de omparer le nombre de onversions de végétation sur la grille du modèle IMAGE entre 2000 et 2100. Les simulations No CO2 et SCC sont des simulationsde référene pourlesquelleslehangementdelimatn'estpas prisenompte. Dans la simulation No CO2, l'eet du CO2 est aussi désativé. Dans ette simulation, il n'y a pas de hangement de la végétation potentielle après 2000. En revanhe, ette simulation utilise le limat observé pour le XX

`eme

sièle, de sorte qu'elle simule enore des hangements de végétation naturelle au XXI

` eme

sièle, résultants des transitions de végétation ayant débuté auXX

`eme

sièle.

Pour lavégétationpotentielle,lenombre deonversions estdépendantduhangement limatique simulé. Le nombre de onversions augmente ave la sensibilité du modèle de limatàl'augmentationde laonentrationen GHGs.D'autre part,lesdeux simulations pour lesquelles le motif de hangement limatique évolue au ours du temps (IMB et AOG + TSM) omptabilisent le plus de onversions. L'impat du seul hangement de onentration en CO2 est assez faible, sauf pour les ouverts des latitudes tropiales : désert, steppe, arbustes et savane disparaissent au prot de la savane arborée et des arbustes.Lestypesdevégétationquisubissentleplusde onversionssonteuxdeshautes latitudes(toundra,toundraarbustiveetforêtboréale)arilssubissentaussilehangement de température le plus fort. Pour la végétation naturelle, on observe beauoup moins de onversions depuisouvers lesdiérentstypes de forêt.Cei reètel'inertiede es biomes quine se déplaent que très lentement.

Pour la végétation réelle, le nombre de onversions obtenu est beauoup moins dé-pendant du hangement limatique simulé. L'augmentation de la onentration en CO2

a très peu d'eet quel que soit le type de végétation. Le hangement de limat a, lui un eetnotablesurtoutsurlavégétationdes hauteslatitudes(toundra,toundra arbustiveet forêtboréale). Lesonversions sefontprinipalement vers lesultures. On remarqueque lenombre de onversions vers lesultures est limité par laprise en ompte de l'augmen-tationde laonentrationen CO2 (tiret grispar rapportauarrénoir) maisqueet eet est ontrearré par lehangement limatique.

(a) Végétationinitiale Végétationnale

(b)

()

Fig. 5.13 - Pourentage de points de grilleayant subi une onversion entre 2000 et 2100 depuis haque type de végétation (à gauhe) par rapport au nombre de point de grille ouverts par e type de végétation en 2000 et vers haque type de végétation (à droite),

tionAOG+TSM.CeisuggèrequelamodélisationdansIMAGEest surtoutdépendante de l'utilisation d'un motif de hangement limatique évolutif, qu'il soit presrit ou qu'il résulte d'un véritable ouplage ave AOG. La similarité des résultats obtenus pour les diérentes simulations IMAGE semble indiquer qu'il n'intervient pas de rétroation li-matiqueimportanteave lesystème ouplé AOG/IMAGE.

5.3.2 Évolution des émissions

Les émissions simulées par IMAGE dans l'expériene ouplée IMB sont globalement très similaires à elles fournies par d'autres simulations IMAGE non ouplées à AOG (gure 5.14). Les émissions de monoxyde de arbone et d'oxyde nitreux sont plus parti-ulièrement dépendantes du limat simulé(ommeela adéjà été montré auhapitre 2). Pour toutes lesespèes, lesémissions produitespar IMB sontà lalimite supérieurede la gammedes sénarios obtenus.

L'augmentation des émissions se traduit par une légère augmentation de la onen-trationglobaledes diérentes espèes. Lasimulationoupléesembleamplierlégèrement l'augmentation de onentration en GHGs. Pour l'oxyde nitreux, on obtient les mêmes onentrationsavelasimulationIMB4.5.CettesimulationutiliselemotifdeIMBmaisle modulelimatiqued'IMAGE est ativéave lefateurde sensibilitélimatiquexéà4.5. Lasimilaritédesréponsessembleindiquerquelesplusfortesonentrationsobtenuessont dues à l'intensité du réhauement plutt qu'à un eet du ouplage en lui-même. Pour lemonoxyde de arbone, les petites diérenes obtenues entre IMB et IMB 4.5résultent d'uneplus grandevariabilité induitepar l'évolutiondu motifdans IMB.

Par ailleurs, IMAGE évalue l'impat radiatif de es onentrations sur l'atmosphère (gure5.14).L'évolutiondel'impatradiatifestpeumodiéeparlesdiérenesde onen-tration simulées. Cela s'explique par le fait que les ontributions négatives des aérosols sontelles aussi ampliées dans lasimulation IMB.Il y aainsi globalementompensation par augmentation des ontributions positives etnégatives.

5.4 Conlusion

Le ouplage dynamique entre AOG et IMAGE a été réalisé et une simulation de dé-monstration de 150 ans montre la faisabilité d'un tel ouplage. Malheureusement, ette simulation test est entahée d'une rupture d'homogénéité du pas de temps qui limite la portéesientiquede lasimulation.Ilsembletoutefoisqueleshampsd'ARPEGEutilisés parIMAGEnesubissentpasréellementderupturemaispluttunedériveprogressive,liée

Émissions Conentrations

CO2

CH4

CO

N2O

Fig.5.15-Évolution duforçage radiatifatmosphériqueau ours du XXI

` eme

sièle, telque alulé par IMAGE.

danslasimulationIMAGE.Cettesimulationapporte ainsiun ertainnombre d'enseigne-ments.

D'une part, il semble que l'utilisation des sols soit dépendante de trop de fateurs autres que le limat pour qu'une rétroation ave le limat soit vraiment signiative. L'évolution de l'utilisation des sols est essentiellement due à des fateurs anthropiques (démographie, utilisationde fertilisants,...). Le as du sud de l'Afrique montre bien que le limat est un fateur seondaire de l'évolution des surfaes ultivées. D'autre part, l'évolutiondel'utilisationdessolsestlephénomèneprépondérantauXXI

` eme

sièle,sibien queleshangementsdelavégétation naturellenesontdominantsqu'auxhauteslatitudes. La végétation naturelleétant plus dépendante du limat, une rétroation pourrait avoir lieu dans es régions. Toutefois, l'éhelle de temps néessaire à un tel phénomène serait plutt de l'ordre de quelques sièles (le temps néessaire pour passer de la toundra à la forêtboréaleest de 60ans dans IMAGE). ?(?)ont réalisédes simulationsave un MCG oupléà un modèle de végétation dynamique et montrent que l'on n'atteint un équilibre qu'après plusieurssièles.

Compte tenudu faibleimpatdes hangementsde végétation dansARPEGE-Climat, mettreenévidenel'impatduhangementde végétationdansune simulationlimatique sénariode AOGnéessiterait de fairedes ensembles de simulationsave etsans hange-ments de végétation. Ce typed'étude serait fortoûteuxetnalementpeu utile àl'heure atuelle. En eet, à l'éhelle d'un sièle, la simulation ouplée IMAGE-AOG ne montre pas d'eet non-linéaire important. On peut don en première approximation onsidérer que l'impat de la végétation se superpose linéairement à l'impat des hangements de onentrationen GHGs.

Synthèse

Jusqu'à présent, les simulations limatiques du modèle de irulation générale du CNRM, et de beauoup d'autres entres, ne prenaient pas en ompte les modiations de lavégétation,ausées diretement(déforestation,agriulture)ouindiretement(viale hangementde limat)par l'homme.Cettethèse adononsistéàintroduireun nouveau modèle dans notresystème oupléoéan/atmosphère/himie/glae de mer an de repré-senter les hangements de distribution de la végétation. Le nouvel élément introduit, le modèled'impatintégréIMAGE2.2,esten faitunoutilplusompletquifournitaussides sénarios d'émissions/onentrations de GHGs et d'émissions d'aérosols sulfatés. Pour réaliser e ouplage, nous avons remplaé le module limatique simple ompris dans le modèle IMAGE2.2 par notre MCG AOG. Nousavons ommené par tester lasensibilité d'IMAGEàehangementde forçagelimatique.Cettepremièreétapes'estdéroulée pro-gressivementandemettreenévidenelesdiérentsaspetsduhangementde forçage.Il s'est ainsi avéréque lemodèleIMAGE2.2 abesoin de forçagesde typelimatologiquese quiimposel'utilisationde moyennessurunetrentained'années.Celadénoted'embléeune des prinipaleslimitesdumoduled'environnementd'IMAGE :ilne prendpasen ompte la variabilité limatique et notamment les phénomènes extrêmes (séheresse, vagues de froid,...) dont les onséquenes pour la végétation sont probablement aussi importantes que elles liées à un hangementprogressif de lalimatologie.

Cette première étude a par ailleurs montré que le hangement limatique induit par l'augmentation de la onentration en GHGs a un impat assez fort sur la végétation naturelledes hauteslatitudes, repoussant leslimitesde haque type de végétation vers le nord. Auontraire, dans lesrégionstropiales, leshangementsde végétation sont essen-tiellementdusàl'utilisationdessols. Dansesrégions,lasensibilitéauforçagelimatique est plus faible,l'implantationdes ultures étantdépendante de nombreux fateurs autres quelelimat.CettepremièreétudeaaussimontréquelesémissionsdeGHGsetd'aérosols sont globalementassez peu sensiblesauhangement limatiqueutilisé.

Defaçonsymétrique,nousavonsensuitetestélasensibilitédenotremodèlelimatique à des hangements de végétation produits par IMAGE2.2. Nous avons ainsi montré que es hangementsde végétation ont globalementun impat notablementmoins important quel'augmentation des GHGs.En revanhe, l'impatde l'augmentation de la onentra-tionenGHGssurlestempératures estpluttuniforme,alorsquel'impatduhangement devégétation estpositifounégatifselon lesrégions.Loalement,l'impatduhangement deartedevégétationsur latempératurede surfaepeutatteindre30%de l'amplitudede l'impatde l'augmentationde laonentration en GHGs.Il dépend aussi bien du limat initial que du type de hangement de végétation opéré. Ainsi, l'extension des ultures produit un refroidissement ou un réhauement selon que la végétation initiale était de la forêt tropiale ou de la savane. On a aussi mis en évidene que les diérents aspets de la modiation du ouvert (albédo, longueur de rugosité,...) ont des impats parfois antagonistes, et que l'impatdes hangements de végétation est alors plus diile à ex-pliquer.Cette étudemontre aussi queleshangements de végétation sontprinipalement des phénomènesde petite éhelle. Leurs impatssont ainsisurtout importants àl'éhelle régionaleetsaisonnière.

Ces expérienes de hangements de végétation réalistes ont par ailleurs suggéré que notre modèle a une sensibilité plutt faible. Toutefois, nous ne disposons pas de point de omparaison ave d'autres modèles pour e type d'expériene. Des simulations plus aadémiques de déforestation tropiale massive ont ainsi été réalisées. Ce type d'expé-riene a été abondamment étudié ave de nombreux modèles et onstitue ainsi un point de omparaison idéal pour situer la sensibilité de notre modèle surfae/atmosphère. Ces expérienes montrent que notre modèle est eetivement assez peu sensible aux han-gements de la végétation ontinentale. Toutefois, les résultats restent ohérents ave les études antérieures de déforestation tropiale. On montre l'intérêt d'analyser les impats sur la température minimale journalière et sur la température maximale plutt que sur latempérature moyenne. En eet, lesdeux diagnostis reètent le omportementdiurne etnoturnedu bilanénergétique en surfae,etpermettent ainside mieux expliquerquels sontles méanismes misen oeuvre par le hangement de végétation.

Cesexpérienesmontrentégalementqueleshangementsde végétationontunimpat surlavariabilitéjournalièreetinter-annuelledesrégionsonernées.Ainsi,ladéforestation réduit fortement la apaité du réservoir d'eau du sol et rend les régionsplus sensiblesà la séheresse. Le as du nord-est de l'Amazonie est à e titre édiant : sur ette région, les épisodes El Niño sont aompagnés d'une séheresse; une fois ette zone déforestée, es séheresses deviennent nettement plus intenses.

Cette étude est omplétée par des simulationssimilaires dans le modèle ouplé AOG an de mettre en évidene le rle de l'oéan, lors de la modiation des surfaes

onti-loalement aetée par la déforestation tropiale, et que es impats peuvent s'étendre jusqu'à quelquesentaines de mètresde profondeur. Enrevanhe, en raisonde leur faible amplitude, il est diile de déterminer si es modiations de latempérature en surfae ont un impat en retour sur la irulation atmosphérique. Même si les expérienes réali-sées sontunpeu ourtesenrapportde lavariabilitébassefréquenede l'oéan,l'oéanne paraît pas jouerun rle importantlorsdes modiations de végétation sur les ontinents danslestropiques.Enrevanhe,lestravauxde (?)suggèrentquel'impatdehangements de végétation aux hautes latitudes pourrait être plus important par rétroation ave la glae de mer.

Ces étudespréalables ont abouti à laréalisationd'unesimulationsénariolimatique du XXI

` eme

sièle ave lenouveau système ouplé IMAGE/AOG. Lasimulation présentée