3.3 Analyse des sorties de l’expérience de référence selon la typologie
3.3.3 Spécificités climatiques et phénologiques de chaque régime
Discrimination de critères climatiques
Les sommes de précipitations annuelles sont bien discriminées par les régimes
(tableau 3.5). Les sommes de précipitations annuelles sont en moyenne plus élevées pour les régimes plus favorables, excepté pour le régime 1 dont la moyenne est supérieure à celle du régime 2. Le régime 1 montre néanmoins une dispersion spatiale plus importante que le régime 2. La figure 3.18a (gauche) montre que les distributions de valeur de précipitations annuelles entre les régimes se chevauchent largement, tout en montrant des pics et des formes nettement différenciés.
Si les cycles saisonniers de précipitations varient en niveau de somme de pluies entre les régimes de productivité, leur durée est cependant peu différente. Ainsi, la figure 3.18b montre que les cycles de précipitations en moyenne sur les surfaces assignées à chaque régime sont presque superposés dans le temps. Cette homogénéité moyenne masque ce-pendant une forte dispersion spatiale des cycles de précipitations en particulier dans le régime 5 (figure A18).
quantile 1 moyenne quantile 3
régime 1 423 mm/an 522 mm/an 605 mm/an
régime 2 452 mm/an 490 mm/an 529 mm/an
régime 3 560 mm/an 616 mm/an 665 mm/an
régime 4 650 mm/an 711 mm/an 797 mm/an
régime 5 656 mm/an 791 mm/an 893 mm/an
Table 3.5 – Somme de précipitations annuelles par régime : moyenne, premier et
troisième quantiles de la distribution des points assignés à chaque régime, pour l’expérience de référence.
quantile 1 moyenne quantile 3
régime 1 21.91˚C 23.93˚C 26.18˚C
régime 2 22.71˚C 25.12˚C 28.59˚C
régime 3 22.91˚C 24.83˚C 27.53˚C
régime 4 23.15˚C 25.26˚C 28.05˚C
régime 5 20.04˚C 24.22˚C 27.89˚C
Table 3.6 –Moyenne annuelle de température de l’air par régime : moyenne, premier
et troisième quantiles de la distribution des points assignés à chaque régime, pour l’expérience de référence.
Les moyennes de températures annuelles (tableau 3.6) sont relativement
iden-tiques entre les régimes (figure 3.18a (droite)) ; l’écart entre les moyennes est donc peu significatif. Elles sont plus élevées au cours de la saison humide (figure 3.18b et c) pour les deux hémisphères. Les températures moyennes annuelles et l’allure des cycles saison-niers sont équivalents pour les régimes 1 à 4. Le régime 5 se distingue par une variabilité saisonnière de la température moins importante que pour les autres régimes. Cependant, la dispersion spatiale pour ce régime est très forte en-dehors de la saison des pluies dans l’hémisphère Nord (figure A18 en annexe).
Enfin, les régimes sont clairement discriminés par le critère P/EP - moyenne an-nuelle du rapport des précipitations et de l’évapotranspiration potentielle (figure 3.19). Ce critère étant communément utilisé comme indice d’aridité (voir chapitres 1 et 2), cette discrimination indique que les régimes 1 à 5 sont de moins en moins arides (sauf pour les régimes 1 et 2, dont les pics sont presque confondus, même si de largeur différente).
Discrimination du nombre de jours de croissance
En annexe sont résumées les conditions climatologiques moyennes rencontrées pour les régimes 1 à 5 en résultat d’expérience de référence, ainsi que les cycles saisonners moyens de productivité primaire nette obtenus pour les différentes fractions arborées.
Pour les régimes les plus favorables (4 et 5), les cycles de croissance moyens obtenus pour les différentes fractions arborées sont superposés (figures A16 et A18 en annexe). Pour les régimes moins favorables (figures A10,A12 et A14 en annexe), en revanche, ces
Evaluation du potentiel arboré 135 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0 250 500 750 1000 1250 1500 P mm/jour Regime1 Regime2 Regime3 Regime4 Regime5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 10 15 20 25 30 35 40 T °C Regime1 Regime2 Regime3 Regime4 Regime5
(a) Densité de répartition des précipitations (gauche) et de la température de l’air (droite)
an-nuelles, en moyenne sur 15 ans.
0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 J F M A M J J A S O N D mm/mois °C Regime1 Regime2 Regime3 Regime4 Regime5 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 J F M A M J J A S O N D mm/mois °C
(b) Cycles de précipitations (trait plein) et de température (trait pointillé) de l’air moyens pour
les hémisphères nord (gauche) et sud (droite).
Figure 3.18 – Variabilité spatiale et saisonnière des précipitations et de la
tempé-rature selon les régimes, pour l’expérience de référence. En haut : densité de répartition des valeurs annuelles sur l’ensemble des points assignés à chaque régime, pour les précipitations (à gauche) et pour les température (à droite). En bas : cycles saisonniers par régime, en moyennes mensuelles sur 15 ans. Celles-ci sont préférées aux données journalières pour faciliter la com-paraison des différents régimes ; les cycles saisonnier en valeurs journalières sont représentés dans les figures en annexe (fiches signalétiques des régimes). L’hémisphère Nord est représenté à gauche, l’hémisphère Sud à droite.
cycles varient d’une part en amplitude de valeur de productivité - des valeurs plus élevées étant atteintes pour les fractions arborées inférieures - et en durée de cycle de croissance, plus longs pour les plus petites fractions arborées. La figure 3.20 montre cette divergence des durées de cycles de croissance entre les fractions arborées pour les régimes moins favorables. En moyenne sur l’ensemble des points assignés aux régimes 4 et 5, le nombre de jours de croissance est compris entre 150 et 200 pour toutes les fractions arborées, même si, pour le régime 4, une proportion significative de la surface (plus de 25%) voit cette durée devenir inférieure à 150 jours, correspondant à la baisse de productivité totale annuelle pour les plus hautes fractions arborées. Pour les régimes 1 à 3, le nombre de jours de croissance se situe dans le même intervalle pour les plus petites fractions arborées,
0 2 4 6 8 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 P/E [−] Regime1 Regime2 Regime3 Regime4 Regime5
Figure 3.19 – Densité de répartition du rapport P/EP par régime de productivité :
moyenne sur la distribution des points assignés à chaque régime pour l’expérience de référence.
jusqu’à 30%. Plus de 25% des surfaces des régimes 1 et 2, puis 3, voient leur nombre de jours de croissance devenir inférieur à 150 à partir des fractions 40 et 60%, respectivement.
I Les régimes sont bien discriminés par l’indice d’aridité, qui couvre tout l’inter-valle des seuils arides (0.05, selon la définition de l’UNCCD) à subhumide(0.65) ; les régimes 1 et 5 étant respectivement le plus aride et le moins aride. Les sommes de pluies annuelles suivent l’ordre des régimes (le régime 1 reçoit le moins de pluies), et les cycles saisonniers de précipitations et de température sont coordonnés entre les différents régimes. Le régime 5, cependant, a une saison humide plus longue en moyenne que pour les autres régimes. Le nombre de jours de croissance est équivalent dans tous les régimes pour les petites fractions arborées, entre 150 et 200 jours, et diminue avec les fractions arborées croissantes pour les régimes 1 à 4, jusqu’à quitter cet intervalle autour des fractions 40 à 60% pour les régimes 1 à 3.
Effet de la limitation en eau sur les différences de niveaux de productivité et sur l’influence de la fraction arborée
La phénologie du PFT3 choisi pour représenter les arbres des régions tropicales semi-arides dans le modèle est déterminée par la disponibilité en eau dans le sol. Dans les régimes moins favorables (régimes 1 à 3), la productivité par arbre est de plus en plus limitée lorque la fraction arborée augmente, de sorte que le niveau de productivité du peu-plement dépend des ressources climatiques. A l’échelle du domaine tropical semi-aride, les régimes de productivité associés à un niveau d’aridité inférieur (régimes 4 et 5) avoisinent les régions plus humides, et inversement. Cette disposition est visible sur la figure 3.15.
Au sein des surfaces assignées à chaque régime de productivité, la durée du cyle de croissance est d’autant plus influencée par la fraction arborée que le régime de productivité est défavorable (figure 3.20). Dans cette section, l’analyse à plus haute résolution de
Evaluation du potentiel arboré 137 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0 50 100 150 200 250 300 350 nombre de jours Regime1 Regime2 Regime3 Regime4 Regime5
Figure 3.20 –Durée des cycles de croissance par régime, pour l’expérience de référence : moyenne sur 15 ans, sur la distribution des points assignés à chaque régime, du nombre de jours de l’année où la productivité primaire nette des arbres est supérieure à zéro.
l’évolution des variables climatiques (forçage du modèle) et des variables de sortie de simulation pour la végétation et l’eau du sol permet d’étudier le lien entre le niveau d’eau disponible dans le sol et la croissance des arbres. Les figures 3.21a et b représentent la succession de cinq cycles saisonniers successifs pour deux points de grille sélectionnés sur un gradient latitudinal traversant la région Sahel. Ils servent de support à une analyse qualitative des mécanismes en jeu. La fraction arborée est égale à 100% de manière à ne prendre en compte que de la phénologie des arbres (la comparaison avec une fraction arborée plus faible est réalisée dans la suite).
Sur le premier site (figure 3.21a), assigné au régime 2, la survenue d’une année plus sèche (année 2, précipitations en bleu) induit une diminution de la productivité (NPP en noir) et un raccourcissement du cycle de croissance par rapport à l’année précédente. Cette baisse de productivité est suffisante pour limiter la reconstitution de la réserve de carbohydrates de la plante (en orangé). Au cours de la succession de quelques années peu pluvieuses, la productivité de l’arbre demeure faible et la réserve de carbohydrates, mobilisée en chaque début de cycle, continue à s’aménuiser. Ce mécanisme est poursuivi jusqu’à l’occurrence d’une saison plus humide (année 4) qui a pour effet de prolonger le cycle de croissance, ce qui favorise enfin la reconstitution de la réserve de carbohydrates. Les niveaux de productivité maximale sont voisins sur les deux sites. Sur celui assigné au régime 5 (figure 3.21b), les années moins humides sont moins sèches que pour le pixel assigné au régime 2. Sur ce site, la réserve de carbohydrates est pleinement reconstituée chaque année et la productivité atteint le même niveau chaque année. La durée moyenne du cycle de croissance sur les deux pixels analysés est de 4.9 mois pour le pixel assigné au régime 2 (calculé approximativement à partir des données en moyennes mensuelles), et de 6.6 mois pour le pixel assigné au régime 5, soit respectivement 147 et 198 jours, ce qui se situe dans partie haute de l’intervalle de valeurs calculé sur l’ensemble du domaine
0 15 Pluie (mm/jour) 294 309 T empér ature (K) 153 215 SW net (W/m2) 0 7 LAI (−) 0 290 Reser ve Carbone (gC) −2 0 8 NPP (gC/m2/jour) 0 0 298 Reser ve eau (kg/m2) J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N
(a) Site assigné au régime 2
0 15 Pluie (mm/jour) 294 309 T empér ature (K) 153 215 SW net (W/m2) 0 7 LAI (−) 0 290 Reser ve Carbone (gC) −2 0 8 NPP (gC/m2/jour) 0 0 298 Reser ve eau (kg/m2) J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N
(b) Site assigné au régime 5
Figure 3.21 – Cycles saisonniers pour deux sites de la région Sahel, de même
lon-gitude. La fraction arborée est égale à 100%. Les traits verticaux noirs, en pointillés, marquent le début et la fin de chaque cycle de croissance. Bleu foncé : pluie. Rouge : température. Jaune : rayonnement net. Noir : NPP. Vert : LAI. Orangé : réserve de carboohydrates. Turquoise : quantité d’eau dans le sol.
Evaluation du potentiel arboré 139 0 15 Pluie (mm/jour) 294 309 T empér ature (K) 153 202 SW net (W/m2) 0 7 LAI (−) 0 307 Reser ve Carbone (gC) −10 9 NPP (gC/m2/jour) 0 0 298 Reser ve eau (kg/m2) J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N J M M J S N
Figure 3.22 – Cycles saisonniers pour un site de la région Sahel, assigné au
ré-gime 2. Il s’agit du même site que dans la figure 3.21a. La fraction arborée diffère, égale ici à 10%. Les couleurs sont attribuées comme pour la figure 3.21
(figure 3.20). La variabilité est supérieure pour le point assigné au régime 2 (entre 3.5 et 7 mois) par rapport à celui assigné au régime 5 (entre 6 et 7 mois).
:
La saison de croissance plus longue est associée à des niveaux supérieurs depro-ductivité moyenne.
L’effet de la fraction arborée est étudié pour le site assigné au régime 2. Les cycles de vé-gétation et d’eau dans le sol sont comparés pour les fractions arborées 100% (figure 3.21a) et 10% (figure 3.22). La différence de cycle de croissance entre les deux fractions arborées est faible sur la première année, assez humide. Le contenu en eau du sol, cependant, est largement supérieur pour 10% d’arbres. Au cours de la seconde année, plus sèche, la pro-ductivité primaire est réduite dans le cas de la fraction 100% par rapport à 10%, à la fois en durée et en amplitude maximale. La prolongation du cycle de croissance dans le cas de la fraction 10% permet une reconstitution plus importante de la réserve de carbohydrates. L’année suivante, celle-ci est utilisée pour amorcer un cycle de croissance plus vigoureux qu’avec la fraction 100%, malgré des conditions tout aussi peu humides. Sur l’ensemble de la série temporelle la productivité de l’arbre subit ainsi moins de diminutions induites par des conditions annuelles plus sèches, ce qui maintient un niveau de productivité moyen supérieur et réduit le risque d’épuiser la réserve et d’interrompre ainsi définitivement la croissance.
Cet effet de la fraction arborée est analogue à l’effet de compétition entre plantes dans la réalité. Dans le cas de cette modélisation les deux types de plantes interagissent peu, en l’absence de rétroaction avec l’atmosphère. Par conséquent, la compétition observée est intra-PFT, c’est-à-dire entre les arbres.
I Les différences de niveaux de productivité entre des points assignés à différents régimes peuvent être expliquées par la combinaison de la variabilité interannuelle des précipitations et par la fraction arborée : la succession d’années plus sèches combinée à une fraction arborée élevée exerce une forte pression sur la ressource en eau, limite la durée du cycle de croissance et compromet le renouvellement de la réserve de biomasse de la plante, laquelle permet le débourrement en début de saison. Le résultat en est un niveau de productivité limité et le risque de voir cesser définitivement la reprise de croissance. Dans le même contexte climatique, une fraction arborée plus petite allège la pression sur la ressource en eau du sol : celle-ci ne s’épuise pas, ce qui permet le maintien d’un cycle suffisamment long pour assurer le renouvellement de la réserve de carbohydrates.