4.1. Représentation et anticipation de la croissance des cultures en France
L’objectif de cette thèse est d'appliquer la prévision saisonnière à l’agriculture sur la France et d'évaluer dans quelle mesure il est possible d’améliorer la connaissance de l’état futur des cultures de céréales d'hiver et de printemps (par exemple le blé) et des prairies. Des indicateurs sont produits par un modèle générique des surfaces continentales, ce dernier pouvant être utilisé aussi bien pour les céréales d'hiver/printemps que pour les prairies. La représentation de la variabilité interannuelle des rendements agricoles en France par un modèle générique de surface continentale est évaluée dans différentes configurations. L'utilisation de la télédétection est également évaluée. D'autre part, des prévisions saisonnières sont uniquement utilisées pour piloter un modèle agronomique de croissance du blé tendre. Cette thèse s’inscrit dans un partenariat entre la recherche et l’industrie à travers un contrat Cifre entre Météo-France et Arvalis - Institut du végétal.
La question posée dans cette thèse est : « comment peut-on valoriser les outils numériques et les données satellitaires à notre disposition afin d’améliorer la prévisibilité des variables agro-climatiques liées aux cultures en France et à l’échelle de la saison de culture ? ».
Deux réponses sont apportées pour répondre à cette problématique. Elles sont fondées sur la modélisation agronomique et sur l'analyse de variables biogéophysiques, avec pour cette dernière une étude préalable qui a donné lieu à un article (Figure 10).
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Figure 10: Schéma résumant les différentes étapes abordées dans cette thèse. Une fois la problématique énoncée, différentes solutions sont dégagées. Chaque rectangle correspond à un
chapitre de thèse, dont un est constitué d’un article.
4.2. Deux stratégies
La première stratégie consiste à utiliser un modèle générique des surfaces continentales ainsi que des données issues de la télédétection, capables de fournir des indicateurs apportant une information précoce sur l’état futur des couverts végétaux en France.
Cet objectif nécessite une étude intermédiaire d'étalonnage du modèle générique ISBA- A-gs, afin qu'il puisse représenter le plus fidèlement possible la variabilité interannuelle de la production des céréales à paille et des prairies naturelles (non irriguées) en France sur la période 1994-2010. L’étude de ces deux types de végétation permet en particulier de distinguer des réponses contrastées au stress hydrique. En effet, le modèle ISBA-A-gs distingue tolérance au stress hydrique (cas des prairies) et évitement du stress hydrique (cas des céréales à paille de type blé). L'utilisation des statistiques agricoles par Calvet et al. (2012) a permis de confirmer que cette distinction entre tolérance et évitement est pertinente.
Une étude précédente (Calvet et al., 2012) a montré la faisabilité de l'utilisation du modèle ISBA-A-gs dans ce but, avec une représentation simplifiée des transferts d'eau dans le sol. L'étalonnage repose sur deux paramètres clés qui gouvernent la variabilité interannuelle de la production de biomasse par la végétation annuelle : le contenu maximal en eau disponible dans la zone racinaire ainsi que la conductance du mésophylle. Leur optimisation permet de maximiser la corrélation des simulations de la biomasse aérienne maximale avec les statistiques agricoles annuelles fournies par Agreste (Agreste, 2014) pour chacun des deux types de végétation étudiés. En utilisant ce protocole, un jeu de simulations est réalisé afin de
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définir une configuration locale optimale sur plusieurs sites représentatifs des deux types de végétation étudiés (45 sites pour les cultures et 48 pour les prairies naturelles). Les cultures étudiées ici ne sont pas irriguées et les conditions climatiques ont un impact sur la variabilité interannuelle de la production de biomasse. Plusieurs profils de densité des racines dans le sol sont comparés grâce à la discrétisation multicouches du modèle ISBA-DF (Boone et al., 2000, Decharme et al., 2011). L’utilisation d’un nouveau schéma de transfert radiatif récemment mis au point pour le modèle ISBA-A-gs (Carrer et al., 2013) est également examinée. Cette étape constitue le chapitre II intitulé « Etude de la variabilité interannuelle de la biomasse aérienne sèche avec un modèle générique des surfaces continentales ». Elle permet de déterminer la configuration optimale du modèle permettant de représenter la production de biomasse des céréales à paille et des prairies. Ce travail a fait l’objet d’un article publié en 2014 dans la revue « Hydrology and Earth System Sciences ».
Une fois le modèle ISBA-A-gs étalonné, il fournit des simulations des variables biogéophysiques et des indicateurs associés à ces variables. Par exemple, on peut rechercher le moment critique où l’humidité racinaire totale influence fortement la végétation, à partir d’un jeu de simulations optimisé localement grâce à l’étude précédente. On analyse ensuite comment l’humidité du sol dans la zone racinaire peut apporter une information sur la tendance finale du rendement, en se situant à différents seuils de LAI simulé. Ainsi, il est possible de déterminer la phase de la croissance de la plante la plus vulnérable à une anomalie d’humidité racinaire, mais également d’anticiper les valeurs de LAI futures et donc de connaître le délai avant que cet état de sécheresse impacte la végétation. Les données issues de produits satellitaires viennent apporter une information visant à renforcer le diagnostic émis ou à le compléter grâce aux valeurs de LAI observées à des périodes qui ont été jugées critiques pour la végétation d’un point de vue de la réserve en eau de la zone racinaire. Cette partie constitue le chapitre III de cette thèse, intitulé « Mise en place d’indicateurs pour anticiper les rendements agricoles : données modélisées et issues de produits satellitaires ».
La modélisation agronomique n'utilise actuellement pas la prévision saisonnière sur la France. Une deuxième stratégie consiste à évaluer dans quelle mesure les données de prévision saisonnière peuvent apporter une information pertinente sur la croissance future de la culture du blé tendre en France simulée avec le modèle Panoramix, développé par Arvalis - Institut du végétal (Gate, 1995).
Les modèles agronomiques permettent de simuler les variables agro-météorologiques (en particulier les stades phénologiques, les variables hydriques et les variables thermiques) qui composent la croissance du blé tendre. Ces variables cumulatives correspondent à des périodes relativement longues (un à plusieurs mois) et leur estimation est susceptible de bénéficier d’une prévision saisonnière de l’état moyen de l’atmosphère.
Les données de prévision saisonnière utilisées sont issues du projet européen ENSEMBLES (Sect. 3.3.1.) et ont été exploitées sur la période 1981-2005. Plusieurs jeux de simulations ont été réalisés sur 199 sites répartis de façon homogène sur la France métropolitaine. Ces jeux de simulations permettent d’évaluer directement les différentes méthodes de descente d’échelle utilisées pour exploiter les données de prévision saisonnière ainsi que la taille de l’ensemble des prévisions et enfin de tester plusieurs échéances de
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prévision. Les différents facteurs influant sur la qualité des prévisions peuvent ainsi être analysés au cas par cas. Un jeu de simulations de référence est utilisé afin d’évaluer la qualité des simulations forcées par les prévisions saisonnières en regard de la méthode développée et actuellement utilisée opérationnellement par Arvalis - Institut du végétal. Cette évaluation est faite en utilisant des scores déterministes et probabilistes permettant d’identifier de quelle manière on peut établir un couplage entre les données de prévision saisonnière et un modèle agronomique. L’objectif final est d'identifier la chaîne de traitement fournissant le meilleur jeu de prévisions possible. Cette partie constitue le chapitre IV de cette thèse qui est intitulé « Evaluation de l’apport de la prévision saisonnière du temps comme forçage météorologique d’un modèle de culture du blé tendre ».
Un dernier chapitre de conclusions et de perspectives résume les principaux résultats obtenus à l’issue de cette thèse. En particulier, les deux stratégies précédemment décrites sont comparées. Les perspectives de recherche apportées par ce travail sont également discutées dans ce dernier volet.
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CHAPITRE II
II. Etude de la variabilité interannuelle de la biomasse aérienne sèche avec un modèle générique des surfaces continentales.