Protocole méthodologique

Rappelons ici les trois objectifs de ce chapitre :

1- identifier d’éventuels changements dans les propriétés biophysiques (albédos) des forêts. 2- quantifier les impacts directs des changements d’albédo en termes de forçage radiatif. 3- discuter les causes pouvant justifier les tendances observées, notamment celles non

induites par des changements brutaux de structure du couvert (Type 3).

Afin d’atteindre ces objectifs une méthodologie a été établie, qui est schématisée en Figure III-2. Plusieurs étapes successives ont été réalisées et sont détaillées ci-après.

2.3.1. EXP 1 : Tendances en albédo

Le premier des objectifs est en lien direct avec l’objectif général de ce Chapitre, à savoir : détecter les sites forestiers présentant un cycle annuel d’albédo caractéristique. Dans ce contexte j’ai cherché à identifier les couverts qui ont montré des tendances en albédo de surface, entre 2001 et 2013, puis à comprendre ces tendances. Afin d’atteindre cet objectif plusieurs étapes sont nécessaires :

Tendances lentes en albédo (Etape 1) – Pour chaque pixel (hors changement d’occupation du sol), un test de Mann-Kendall (MK) et son test associé, appelé « Sen’s slope » (permettant de quantifier la pente des tendances), ont été appliqués sur les séries temporelles 2001-2013 des albédos de surface estivaux moyens dans les domaines visible (VIS) et proche infrarouge (NIR). Le test statistique de MK est un test de tendance sensible aux variations saisonnières (voir Section 2.2.1 du Chapitre II). Afin de s’affranchir de ces variations, les moyennes estivales des données albédos ont été utilisées (Karabulut et al., 2008; Gocic and Trajkovic, 2013; Duhan and Pandey, 2013). Le test de MK permet d’isoler les zones présentant des tendances significatives (p-value < 0.01) en albédo VIS/NIR des zones ne présentant pas de changements (Type 4 de la Figure II-1 du Chapitre II). Cette étape de détection de changements dans l’albédo de surface correspond à « l’Etape 1 » de l’EXP1 sur la Figure III-2.

Les tendances en albédo détectées peuvent être dues à des modifications anthropiques (ex : éclaircies dans les forêts) ou à des évènements climatiques extrêmes (ex : des tempêtes) altérant la structure du couvert (LAI ou/et FCOVER), mais également des évolutions progressives dans leurs structures ou/et leurs propriétés physiologiques. Afin de comprendre les causes de ces changements d’albédo de surface, la distinction entre ces deux types de changements (brutaux ou lents) a été faite.

Rupture de la structure du couvert (Etape 2) –On cherche donc à distinguer les pixels concernés par des changements soudains (brutaux) des pixels affectés par des changement progressifs (lents). Dans ce but que la méthode de rupture de tendances de Zeileis a été employée (voir Section 2.2.2 du Chapitre II). Les produits GEOV1 FCOVER et LAI issus du capteur SPOT-VEGETATION sont les indicateurs utilisés afin de repérer les changements brutaux dans la végétation. Une complémentarité existe dans ces produits FCOVER et LAI. En effet, le FCOVER permet de quantifier l’étendue horizontale de la végétation, tandis que le LAI permet de décrire en quelque sorte la quantité de feuilles sur la verticale de la végétation. Pour cette raison, les deux produits ont été utilisés afin de détecter des ruptures dans la végétation. Lorsqu’un ou plusieurs changements sont détectés dans au moins l’un des deux produits (FCOVER ou/et LAI), le pixel est écarté et classifié comme étant de « Type 2 » (voir Figure III-2). Pour rappel les Type 2 correspondent à des couverts (non affectés par un changement d’occupation du sol) qui ont montré une tendance en albédo qui s’explique par une rupture dans la structure de la végétation, à savoir une rupture dans le FCOVER ou le LAI. Cette étape de détection de changements brutaux dans la structure du couvert pouvant expliquer les tendances en albédo correspond à « l’Etape 2 » de l’EXP1 sur la Figure III-2.

Ainsi à la fin de cette étape, seuls les couverts végétaux qui n’ont pas subi de changement soudain dans leur évolution temporelle sont conservés. A la différence du test de MK, le test de

rupture de Zeileis n’est pas sensible à la variabilité saisonnière. Dans ce cas, moyenner les données estivales pour chacune des années n’est pas nécessaire. Des exemples de séries temporelles pour deux sites étudiés (les Site 1 et 2) sont montrées Section 3.1 afin d’illustrer les différents types de tendance (avec ou sans rupture dans la structure de la végétation).

Forêts à priori stables avec tendance en albédo (« Etape 3 ») - Afin de se concentrer sur les couverts forestiers, les zones agricoles (cultures/prairies) ont été écartées à l’aide de la carte ESA-CCI 2010 des 8 types de couverts de surface (Voir « Etape 3 » de L’EXP1 sur la Figure III-2). La plupart des zones agricoles avaient déjà été éliminées par le test de Zeileis, voir Section 3. Ainsi, seules les catégories « végétation arbustive », « arborée – feuillus », « arborée – conifères » et « arborée – mixte » sont conservées (voir Tableau II-1 du Chapitre II et Figure III-1 de ce chapitre). A la fin de cette première expérience (EXP1), les pixels conservés illustrent des zones forestières à priori stables, c’est-à-dire ne présentant pas de changement brutal significatif dans les produits végétation (FCOVER ou/et LAI) entre 2001 et 2013, et montrant pourtant une tendance en albédo (« Type 3 » de la Figure III-2).

2.3.2. EXP 2: Verdissement

La recherche d’explication pour les tendances progressives en albédo sur les forêts a priori stables (Type 3) s’appuie sur une analyse du NDVI (« Etape 4 » de l’EXP2 sur la Figure III-2). Les indices de végétation, tels que le NDVI, sont des mesures d’évaluation indirecte du verdissement. Pour les zones forestières stables affectées par une tendance lente en albédo (Type 3), le NDVI a été calculé pour chacune des dates à l’aide de l’Eq. III-1et un test de tendance de MK a été appliqué sur la série temporelle de NDVI estivaux sur la période 2001-2013, de la même manière que pour les albédo de surface. Afin d’illustrer ces zones (tendance ou non dans le NDVI), les séries temporelles des Sites 2 et 3 sont détaillées dans la Section 3.2. Ces deux sites sont décrits dans la Section 2.1, Figure III-1.

2.3.3. EXP 3: Evaluation du forçage radiatif

Une fois répertoriées les zones forestières stables affectées par une tendance lente (Type 3), une estimation de l’impact de ces changements en termes de forçage radiatif a été calculée au travers du RF (en W.m-2) et du RF relatif (RFr en W.m-2), respectivement décrits à Eq. II-1 et Eq. II-2 du Chapitre II. L’impact radiatif de ces tendances lentes (Type 3) a été comparé à l’impact de changements brutaux (voir Figure III-2). On considère qu’il existe deux grands types de changements brutaux (ou rupture):

- Type 1 : les ruptures dues à un changement d’occupation du sol (dits, « land cover change » ou LCC), voir « Type 1 » de la Figure III-2. Ces changements peuvent correspondre par exemple à des transformations des couverts forestiers en cultures,

- Type 2 : les ruptures affectant la structure du couvert (LAI ou FCOVER) sans modification du type d’occupation du sol (par exemple des éclaircies dans les forêts), voir « Type 2 » de la Figure III-2.

Dans cette étude nous considérons les changements brutaux de type 2 comme le résultat de l’Etape 2 plus les couverts non forestiers de l’Etape 3 (voir EXP1 dans la Figure III-2). Les changements brutaux de type 1 ont été obtenus en croisant les cartes 2000, 2005 et 2010 des 8 types de couvert obtenus à partir des cartes ESA-CCI (Tableau II-1 du Chapitre II). Les évolutions d’albédo SW associées à chacun des deux types de changement rapide (Type 1 et Type 2) et du changement lent (Type 3) ont été quantifiées à partir des produits MODIS BSA et WSA. Une évaluation de l’impact radiatif a ensuite été faite (voir Section 3.3.2).

Enfin, en s’appuyant sur les éléments de la discussion, trois scénarios de type « business-as- usual » (scénario où les évolutions continuent au rythme actuel) sont proposés, Section 4.2, afin d’estimer l’impact de ces tendances lentes en forêt a priori stables (Type 3), à l’horizon 2100. La définition de ces trois scénarios est détaillée en Section 4.2.

Figure III-2. Protocole pour l’identification, la compréhension et l’estimation de l’impact radiatif des changements d’albédo sur les couverts végétalisés. Les étapes expérimentale EXP1, EXP2 et EXP3 composant cette méthodologie sont respectivement détaillées dans les Sections 2.3.1, 2.3.2 et 2.3.3. Les calculs de forçages radiatifs sont décrits dans l’Eq II-1 et l’Eq II-2, Section 2.2.3. du Chapitre II.

3. Résultats