Chapitre introductif
3. Problématique et objectifs
3.1.
Représentation de processus complexes
En décembre 2015, se tenait à Paris la Conférence des Parties de la Convention cadre des Nations Unies sur le changement climatique. Lors de cet événement, un accord international sur le changement climatique, dans lequel les forêts tiennent une position clé, a été conclu par 195 pays. Les forêts impactent assurément le climat mais leur effet reste incertain, notamment dans les zones tempérées. En effet les processus biogéochimiques et biophysiques, en compétition, peuvent avoir
un effet soit de refroidissement soit de réchauffement sur le climat. Les interactions avec l'atmosphère, notamment la formation des nuages bas, compliquent encore la représentation de ces effets.
Une première étape dans l'amélioration de l’évaluation de l’effet climatique des forêts tempérées est d'avancer dans la modélisation de l’ensemble des processus biogéochimiques et biophysiques des forêts dans les LSM. L’albédo de surface a été défini comme un paramètre clé pour l’étude de l’impact des forêts en termes de forçage radiatif (Pielke et Avissar, 1991). Pourtant l’albédo des forêts n’est toujours pas paramétré dans la plupart des modèles de surfaces, où il est bien souvent non évolutif. Ce manque de réalisme dans la dynamique temporelle de l’albédo de surface peut avoir un impact direct sur le bilan énergétique, au travers du forçage radiatif, mais également indirect, au travers des rétroactions (positives ou négatives) sur les processus biogéochimiques et biophysiques. Un effort important est actuellement fait par la communauté scientifique afin d’améliorer l’estimation de l’albédo de surface dans les LSM. La stratégie employée à cet effet est d’améliorer la représentation de l'absorption et de la diffusion du rayonnement solaire dans la canopée en discrétisant cette dernière en plusieurs couches. Cette stratégie mise donc sur l’amélioration du réalisme de la structure de la canopée pour estimer l’albédo de surface de manière correcte. L’une des limites de cette stratégie est qu’elle fait appel à un grand nombre de variables qui sont évolutives dans le temps et dans l’espace mais qui ne sont pas toujours observables. Des valeurs par défaut sont donc fixées, qui peuvent être source d’erreurs. Une stratégie alternative, qui sera investiguée dans cette thèse, serait de conserver une forme simplifiée de la structure de la canopée mais d’améliorer le réalisme de la dynamique temporelle des variables pilotant l’albédo de surface. Cette stratégie soulève la question suivante : Est-il possible de prédire l’albédo de surface des forêts sans utiliser une représentation multi-couche de la canopée ?
Pour répondre à cette problématique cette thèse se propose d’utiliser une représentation simplifiée de la végétation (« unicouche ») mais s’appuyant sur des variables dynamiques temporellement et spatialement, qui soient réalistes. Pour cela j’utiliserai des données satellitaires qui sont produites avec une fréquence, une précision, une résolution spatiale et une résolution temporelle adaptées à cette étude. L’objectif général de cette thèse est donc d’identifier et d’estimer à partir d’observations satellitaires les variables biophysiques qui pilotent l’albédo de surface des forêts dans l'espace et le temps et de développer un premier modèle prédictif d’évolution dans le temps de l’albédo des forêts à l’échelle du paysage (échelle des modèles LSM).
3.2.
Questions scientifiques
Afin de développer un premier modèle prédictif d’évolution dans le temps de l’albédo de surface des forêts, il est important de pouvoir prédire l’évolution dans le temps de chacune des variables
pilotant cet albédo. Les perturbations aléatoires ne peuvent être prescrites. Par conséquent, les sites forestiers soumis à des perturbations altérant l’albédo de surface doivent être écartés de cette étude. Dans le but de répondre à la problématique scientifique et à l’objectif général de cette thèse, différentes étapes sont nécessaires et feront l’objet d’un chapitre de résultats dédié. En tout premier lieu on cherchera à identifier les sites forestiers sur lesquels l’albédo de surface peut être prédit et qui présentent donc un cycle d’albédo, que l’on dira, caractéristique.
1 – Existe-t-il sur la période et la zone d’étude des forêts présentant un cycle caractéristique de l’albédo de surface ? (Et implicitement, est-ce que les forêts de la zone d’étude ont connu des
évolutions dans leur cycle d’albédo sur la dernière décennie ? Et, si oui, quels sont les impacts directs sur le forçage radiatif de ces évolutions?)
Les forêts peuvent être soumises à différents types de changement qui résultent d’une modification anthropique (ex : coupes), climatique (ex : diminution des précipitations) ou naturelle (ex : vieillissement). Ces changements, quel que soit leur origine, vont participer à la perturbation des cycles de l’albédo et vont impacter le forçage radiatif à la surface. Dans un premier chapitre de résultats (Chapitre III), je chercherai à identifier les forêts présentant un cycle caractéristique de l’albédo de surface, à détecter les changements d’albédo sur la dernière décennie et à estimer l’impact de ces changements sur le forçage radiatif à la surface. Cette étude a conduit à la mise en place d’une méthodologie permettant d’isoler différents types d’évolution de la forêt de cause naturelle, climatique ou anthropique.
2 – Peut-on estimer, à partir de données satellitaires agrégées, des albédos du sol et de la végétation qui soient dynamiques et réalistes ?
A l’issue du premier chapitre de résultats (Chapitre III), les forêts présentant un cycle caractéristique de l’albédo de surface ont été isolées par satellite. Afin de pouvoir développer un modèle prédictif d’évolution dans le temps de l’albédo de surface des forêts, il est important de pouvoir prédire l’évolution de chacune des variables pilotant cet albédo. Comme nous l’avons vu à la Section 2.2.2, l’albédo du sol et l’albédo de la végétation sont à la base des représentations de l’albédo de surface dans les LSM, même les plus simples. Ils influencent tous deux l’albédo de surface avec une fréquence temporelle différente. Afin de développer un modèle prédictif de l’albédo des forêts s’appuyant sur des variables dynamiques et réalistes, cette thèse se propose d’essayer d’analyser séparément les composantes d’évolution sur les parties végétatives et sol nu. Dans le
Chapitre IV je montrerai qu’il est possible d’accéder à ces deux composantes séparées (albédo de la végétation et albédo du sol) à partir de données satellitaires à grande échelle (données agrégées).
3 - Comment aboutir à un modèle prédictif d'évolution dans le temps de l’albédo des forêts à l'échelle du paysage?
Après avoir identifié les forêts présentant un cycle d’albédo caractéristique, sur lesquelles il est possible de prédire l’albédo de surface (Chapitre III), et isolé leur composante « végétation » de leur composante « sol » (Chapitre IV), je me suis attachée (Chapitre V) à estimer les autres variables qui pilotent l’évolution de l’albédo de surface des forêts dans l'espace et dans le temps à l’échelle du paysage depuis l’échelle de la canopée (voir paragraphe c. de la Section 2.2.2). Afin d’estimer ces variables, je m’appuierai sur la physique d’un transfert radiatif simplifié inspiré par le modèle ISBA- MEB (modèle « unicouche »). Pour l’estimation de ces variables et la construction du modèle d'albédo prédictif des forêts, deux variables biophysiques qui ont été définies comme étant deux variables ECVs (distribuées au travers de produits satellitaires), et qui sont estimées dans les modèles LSM tels que celui de Météo-France, seront utilisées : la surface foliaire par mètre carré (LAI) et la fraction de rayonnement absorbé dans le domaine photosynthétiquement actif (FAPAR).
Dans le chapitre qui suit (Chapitre II) la méthodologie et les outils d’analyse nécessaires au développement de ces trois chapitres de résultats sont présentés en détails.