III. Simulation des variables biogéophysiques sur la France
III.2. Sensibilité aux forçages du modèle ISBA-A-gs sur la France
III.2.1. Description de la méthode et des données utilisées
Des simulations par ISBA-A-gs du LAI et de l’humidité du sol sont réalisées à l’aide de plusieurs forçages atmosphériques et comparées.
Une première approche a consisté à simuler le LAI, l’humidité du sol dans la couche racinaire et l’humidité superficielle du sol, avec le modèle ISBA-A-gs forcé par les données SAFRAN d’une part et par les données ERA-Interim d’autre part. Les simulations ont été réalisées sur toute la France sur la période 1991-2008. Trois jeux de précipitations ont été utilisés :
- les précipitations ERA-I (ERA-Interim sans ajustement, marqué par un biais important)
- les précipitations ERA-I-R (ajustement global basé sur GPCP, pouvant présenter des biais résiduels localement importants)
- les précipitations ERA-I-RG : ces précipitations correspondent aux précipitations ERA-I-R débiaisées à partir des données mensuelles GPCC. Elles sont calculées à partir des données ERA-I-R tri-horaires (PERAh I R
3
− − ), et
des cumuls mensuels GPCC (
P
GPCCmonth) et ERA-I-R (month R I ERA P − − ) suivant la formule : month R I ERA month GPCC h R I ERA h RG I ERA
P
P
P
P
3 − −=
3 − −×
/
− −La première étape de cette étude a consisté à comparer les simulations obtenues à partir des 3 jeux de données ERA-Interim avec celles obtenues à partir des forçages SAFRAN. Seules les données de précipitations varient d’une simulation ERA-Interim à l’autre et les simulations obtenues à partir des forçages SAFRAN sont pris comme référence. La sensibilité du modèle ISBA-A-gs aux données de précipitations est analysée en comparant les différences obtenues entre les séries de variables (humidité du sol et LAI) simulées à partir des forçages ERA-Interim et celles simulées à partir des forçages 3.2 Sensibilité aux forçages du modèle ISBA-A-gs sur la France
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SAFRAN. Les scores utilisés pour caractériser ces différences, sont le coefficient de corrélation au carré, le biais et le RMSE (Root Mean Squared Error). La question est de savoir comment le modèle réagit lorsque l’on modifie les précipitations et de quelle manière les biais sur les précipitations se répercutent sur la qualité des simulations des variables biophysiques.
La deuxième étape de l’étude a consisté à comparer les 4 séries de simulations de LAI obtenues précédemment à partir des forçages ERA-Interim et SAFRAN à deux jeux de produits satellitaires sur la France. La comparaison a été réalisée sur la période 2000-2007 (période commune de disponibilité des données satellitaires) et les données issues de la modélisation ont été confrontées une à une aux produits satellitaires. Les deux produits utilisés dans le cadre de cette étude sont les données MODIS (Yang et al., 2006a et 2006b) et les données CYCLOPES (Baret et al., 2007).
Les produits satellitaires MODIS
Le LAI MODIS est extrait à partir d’un algorithme qui utilise la carte de d’occupation du sol MOD15A2 (De Kauwe et al., 2011) pour contraindre les sorties de LAI et qui repose sur un modèle stochastique de transfert radiatif (Knyazikhin et al., 1998). Ce modèle assimile des valeurs de réflectances dans le rouge et le proche infrarouge tout en tenant compte des incertitudes liées aux mesures dont celles d'ordre géométrique (angle de visée et d'illumination). Le LAI MODIS est disponible à une résolution spatiale de 1 km et à une fréquence temporelle de 8 jours. Les données utilisées dans cette étude correspondent à la Collection 5 des données de LAI MODIS et sont décrites dans De Kauwe et al. (2011). Cette production a fait l’objet d’une vérification par Ganguly et al. (2008) et est disponible sur la période 2000-2008.
Les produits satellitaires CYCLOPES
Le projet CYCLOPES a été mis en place dans le but de produire des variables de la végétation à l’échelle globale à partir de l’instrument SPOT/VEGETATION. Les variables d’intérêt ont été produites sur la période 1998-2007. Il s’agit du LAI, du FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) et du FCover (Fraction of Vegetation Cover). Elles sont estimées par des algorithmes, en inversant le modèle de transfert radiatif SAIL (Verhoef, 1984). Cette inversion est réalisée à partir de réseaux de neurones préalablement étalonnés à partir de SAIL, et qui utilisent en entrée l’angle zénithal solaire à 10 heures locales et les réflectances rouge, proche-infrarouge et moyen-infrarouge normalisées au nadir. Le détail des algorithmes est présenté dans Baret et al. (2007). La résolution spatiale et la fréquence temporelle des données CYCLOPES sont respectivement de 1 km et de 10 jours. Le LAI CYCLOPES a fait l’objet d’une validation par comparaison à des mesures terrains et au LAI satellitaire MODIS (Weiss et al., 2007). CYCLOPES, qui produit un LAI effectif, présente des valeurs maximales de LAI plus faibles que les valeurs de LAI et observées in situ ou par d’autres satellites (Chen et al.,
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2005). Cependant, Weiss et al. (2007) et Lafont et al. (2012) ont montré que la variabilité temporelle du LAI CYCLOPE est proche de la variabilité temporelle du LAI MODIS.
Des intercomparaisons des séries de LAI MODIS et de LAI CYCLOPES sont aussi décrites dans Garrigues et al. (2008) ainsi que dans Verger et al. (2009).
Dans la dernière étape de ce travail, on a analysé plus en détail l’influence du rayonnement solaire et des précipitations sur les simulations de l’humidité de la couche racinaire du sol et du LAI. Cette étude a d’abord été menée plus spécifiquement sur les trois types de végétation prédominants en France. On a calculé et tracé le cycle annuel moyen pour les prairies, les forêts de décidus et les cultures en C3 à partir des données de LAI et d’humidité du sol simulées sur la période de 1991 à 2008, avec les forçages ERA-I, ERA-I-R et SAFRAN. Les cycles moyens annuels du LAI et de l’humidité de la couche racinaire du sol ont alors été comparés. Ensuite, l’étude a été menée sur les valeurs moyennes des variables. Il s’agit alors des moyennes pondérées en fonction de la fraction de végétation présente par point de grille. Quatre jeux de forçages, en plus des forçages SAFRAN ont été utilisés pour faire tourner le modèle ISBA-A-gs :
- les forçages ERA-Interim (ERA-I).
- les forçages ERA-Interim avec les précipitations ERA-I-R (ERA-I-R).
- les forçages SAFRAN dans lesquels on a substitué les données de rayonnement par le rayonnement ERA-Interim (SAFRAN+ISR).
- les forçages SAFRAN dans lesquels on a substitué les précipitations par les précipitations ERA-I-R (SAFRAN+PP).
Afin d’évaluer l’impact du rayonnement et des précipitations sur les simulations de LAI et du contenu en eau de la couche racinaire, les simulations produites à partir des forçages SAFRAN ont été comparées à celles issues des 4 autres forçages. Ces comparaisons ont porté sur le cycle annuel moyen afin d’identifier les saisons durant lesquelles le modèle est sensible aux erreurs sur le rayonnement solaire incident et sur les précipitations.
Les différents résultats obtenus sont présentés ci-dessous.