HAL Id: tel-00163903
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Aurore Voldoire
To cite this version:
Aurore Voldoire. Prise en compte des changements de végétation dans un scénario climatique du 21e siècle. Climatologie. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2005. Français. �tel-00163903�
THESE
pour obtenirle grade de
DOCTEUR DE l'UNIVERSITE TOULOUSE III
Disipline: Physique de l'atmosphère
Présentée et soutenue
par
Aurore VOLDOIRE
le 31mars 2005
Prise en ompte des hangements de végétation
dans un sénario limatique du XXI
`eme
sièle
Direteurde thèse :PaulPETTRE
JURY
M. Robert DELMAS Président
Mme Pasale BRACONNOT Rapporteur
M. JanPOLCHER Rapporteur
M. Martin BENISTON Examinateur
Mme Christine DELIRE Examinateur
M. Paul PETTRE Direteur de thèse
M. Jean-François ROYER Invité
Cemanusritestl'imagequ'ilresterademestroispremièresannéespasséesauCNRM.
Pour queette imagesoitla plus dèlepossible,ilne fautpas oublierde planter le déor
de ettethèse.De nombreuses personnes ontpartiipédeprès oude loinàe travail;elles
méritent d'être itées etremeriées.
Jeremerieainsi Jean-FrançoisRoyerquiest àl'originedee travail.Meride m'avoir
aueillie à GMGEC/UDC. Tu as toujours su m'initer à poursuivre e travail tout en
me laissant une grande liberté. Meri aussi à Hervé Douville, qui est resté un peu dans
l'ombre de ette thèse et à qui elledoit pourtant beauoup. Meri pour tout les onseils
que tum'as prodigués,meri d'avoir toujourseu du temps àmeonsarer. Jetiens aussi
à remerier tout partiulièrement Karine Maynard qui m'a mis le pied à l'étrier; nous
n'avons pas seulement partagé un bureau, nous avons aussi partagé mes débuts dans la
reherheettuastoujourssum'enourager danslespremierspasparfoispéniblesde ette
thèse. Meri aussi àAnne-Laure Gibelin, nous nous sommes souvent réonfortées devant
nos doutes respetifs, et nos longues disussions nous ont permis d'avaner pas à pas.
Meri à FabrieChauvin pour tabonne humeur, ton éouteettes onseils.Meri aussi à
DavidSalas, j'appréietout autant tes qualitéssientiques quetes talentsde pâtissier...
Mais le oon UDC doit aussi beauoup à Sophie Tytea, qui est toujours là pour nous
soutenir, surtout fae à nos redoutables mahines pas toujours très oopératives. Meri
pour ta patiene et ta gentillesse fae à mes requêtes parfois agaées... Je remerie aussi
Mihel Tytea et de toute l'équipe CTI pour leur serviabilité en toutes ironstanes.
L'ambiane de travail à GMGEC doit égalementbeauoup à l'inontournable pause-afé
du matin.Meri à tous lesadeptes du afé quiont partiipéà égayer lesréveilsdiiles.
Un grand meri à Mihiel Shaeer et Bas Heikout, ils m'ont initié aux aranes du
modèleIMAGE2.2 puism'ontlaissél'utiliseràmaguise.J'aibeauoupappréié laonvi-
vialité qui s'est installée dans nos éhanges. A travers eux, je remerie toute l'équipe
IMAGEdu RIVM pourm'avoironéleurmodèle.Meri égalementàPasaleBraonnot
et Jan Polher pour avoir aepté d'être rapporteurs de ette thèse. Leur point de vue
extérieur aététrès enrihissant. Meriaussi àRobert Delmas, ChristineDelireetMartin
Beniston pour avoirété membres du jury de lathèse.
Enn, au-delà de eux qui ont ontribué à e travail, je voudrais remerier toutes les
Introdution 7
1 Modèles d'impats intégrés et IMAGE2.2 11
1.1 Les modèlesd'impats intégrés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Dans quelbut? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2 Des approhes très variées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Tendane atuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.4 Les sénarios produits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 IMAGE2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 Module Energie-Industrie (EIS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 Module d'environnement (TES : TerrestrialEnvironmental System) 21 1.2.3 Calul des onentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.4 Module limatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Introdution d'un forçage limatique plus réaliste dans IMAGE2.2 29 2.1 Modélisationdu limatdans IMAGE2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1 Méthode de régionalisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2 Indies limatiques utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Expérienes de sensibilitéréalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.1 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2 Changement du motif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.3 Changement de la sensibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.4 Utilisationdirete d'unsénario de AOG . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.5 Utilisationdes TSMs de AOG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.6 Modiation de la nébulosité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3 Sensibilité d'IMAGE auforçage limatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.1 Évolution de la ouverture de végétation . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.2 Évolution des émissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3 Changement de végétation réaliste dans ARPEGE-Climat 63 3.1 Historique de lamodélisationdes interations végétation-limat . . . . . . 63
3.1.1 Études pionnières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.2 Études relativesàl'impat de la végétation . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.3 Développements atuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 ISBA etspéiation de ses paramètres de lavégétation . . . . . . . . . . 70
3.2.1 ISBA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.2 Attribution des paramètresde lavégétation . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Changement de végétation réaliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1 Desriptiondes expérienes réalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Comparaisondes impatsduhangementdevégétationetdu han- gement de onentration en GHGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.3 Impatsrégionaux des hangements de végétation . . . . . . . . . . 84
3.3.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4 Expérienes de déforestation tropiale massive dans AOG 97 4.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 Motivationde l'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 Desriptiondes simulations réalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2 Simulations ave le modèle atmosphériqueseul . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.1 Impatsloaux sur le limat moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.3 Impats sur la variabilitéinter-annuelle . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Simulationsave lemodèle ouplé oéan-atmosphère . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Impats loaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Impats non loaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5 Sénario limatique du XXI ` eme sièle ave AOG ouplé à IMAGE2.2 105 5.1 Desriptiondu ouplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 Modiation de laarte de végétation . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.2 Modiation de laharge des aérosolssulfatés . . . . . . . . . . . . 108
5.1.3 Caratéristiques de lasimulationréalisée . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2 Simulationdu limatdans AOG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Forçages aluléspar IMAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.2 Climat simulé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 Caratéristiques de lasimulation IMAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Évolutionde lavégétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 Évolutiondes émissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Conlusion 131 Liste des tableaux 139 Liste des gures 141 Bibliographie 147 Annexes 151 A Bilan hydrique et alul des indies limatiques 153 A.1 Bilanhydrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.1.2 Calulde l'évaporationréelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
A.2 Indies limatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
B Calul des produtivités potentielles agrioles 157
C Régions IMAGE 161
D Paramètres de la végétation 163
E Tropial Deforestation and limate variability 167
Artile publié dans Climate Dynamis, Juillet 2004 . . . . . . . . . . . . . 167
F Climatesensitivityto tropialland surfae hanges with oupledversus
presribed SSTs 169
Artile publié dans Climate Dynamis, Juin 2005 . . . . . . . . . . . . . . 169
L'homme modie les éosystèmes depuis qu'il a abandonné le nomadisme et qu'il a
ommené à pratiquer l'élevage. L'inuene de l'homme sur son environnement est tou-
tefoisrestéelimitéejusqu'au XVIII
` eme
sièle. Depuis,lamodiation deséosystèmes par
l'hommes'est largementarue. S'ilest maintenantdiilede trouverun éosystème qui
soit vierge de toute inuene humaine, ? (?) estiment que 40% à 50% de la surfae ter-
restre aété transformée ouest exploitée par l'homme.L'hommea prinipalementétendu
les surfaes ultivées aux dépens de la forêt etdes prairies. On estime (?) qu'en 1700, la
surfae des ultures était équivalenteà elle de l'Argentine et qu'elle atteint maintenant
la surfae de tout le ontinent sud-amériain.
Auxmoyenneslatitudes,l'extensiondesterresultivéess'estunpeuralentieàlandu
XX
`eme
sièle.Lasurprodutionetl'exoderuralontmêmeonduitàl'abandondeertaines
terres. Aux tropiques, la pression démographique explose et pousse les populations à
étendre les ultures aux dépens de la savane mais aussi des forêts. Les forêts tropiales
sontainsideplusenplusexploitéespourlaprodutiondubois.Cettedéforestationestun
phénomène réent qui s'aélère onsidérablement depuis quelques déennies. L'homme
a aussi un eet indiret sur les éosystèmes : le hangement de limat induit par les
gaz à eet de serre d'origine anthropique pourrait modier notablement les zones de
développement des espèes naturelles et ultivées, étant aquis que la répartition de la
végétation ontinentale est fontion du limat.
Ceshangementsdevégétationmodientlespropriétésbiophysiquesdessurfaesonti-
nentales qui ontrlent les ux à l'interfae entre le sol et l'atmosphère. ? (?) a été l'un
des premiers à postuler que les hangements de végétation pouvaient avoir un impat
sur le limat. Il a ainsi montré que la désertiation sur le Sahel diminue l'albédo de la
surfae etmodieainsi lebilan radiatifontinentaletlairulationde grandeéhelle. La
végétation ne ontrle pas seulement le bilan radiatif en surfae, mais aussi les ux de
haleur et de vapeur d'eau. Elle interepte les préipitations et est apable de puiser de
l'eaudans lesolprofond.Toutemodiationde lavégétationinuedonsur lesdiérents
ux en surfae et peut ainsi avoir un impat sur le limat.
Le système limat-végétation est ainsi un système omplexe, en équilibre. ? (?) ont
montré que l'augmentation de température des hautes latitudes survenue à l'Holoène
(6500 ans) a permis aux forêts boréales de s'étendre plus vers le nord à la plae de la
toundra. Cela a diminué l'albédo des hautes latitudes et amplié le réhauement initié
parunemodiationde l'orbiteterrestre.Cetteétudemontreainsiquelavégétationpeut
partiiperà des rétroations importantes sur l'évolution du limat.
Un autre aspet de l'interation entre le limat et la végétation onerne le bilan de
arbone. Par la photosynthèse, la végétation absorbe du dioxyde de arbone atmosphé-
riquedontellexelearbone pour produire delabiomasse, tandisqueparlarespiration,
elleabsorbedudioxygènepour rejeterdu dioxydede arbone.Aubilan, lavégétation,au
oursdesavie,xeplusdearbonequ'ellen'enrejettepuisquelearboneestsonprinipal
onstituant.Toutefois,lorsquelevégétalmeurt,labiomasseestprogressivementdégradée
etpeut retourner dans l'atmosphère. On saitpar ailleursque l'ativité photosynthétique
dépend de laonentration atmosphérique en dioxyde de arbone. Pour étudier l'impat
limatiquedes émissions anthropiques de dioxyde de arbone, la végétation est don une
omposanteessentielle pour bien représenter leyle du arbone etson évolution.
Dansleadrede laréalisationde simulationslimatiquesdu XXI
` eme
sièle,ditessimu-
lations sénarios, on omprend bien quela dynamique de la biosphère et son interation
ave l'atmosphèresontàprendre en ompte.Pourévaluer lelimatfutur,haque type de
modiation de l'homme sur l'environnement (gaz à eet de serre, aérosols, végétation)
peut être simulé et analysé séparément. Cependant, prendre en ompte l'ensemble des
phénomènes dans un seul système présente l'intérêt de permettre d'identier les éven-
tuelles interations non-linéaires qui pourraient se mettre en plae. Jusqu'à présent, les
simulations limatiques eetuées au CNRM et dans la plupart des entres de modéli-
sation impliqués dans la produtionde sénarios du XXI
` eme
sièle, prenaient en ompte
uniquement les hangements de onentration des gaz à eet de serre et des aérosols.
La distribution de la végétation ontinentale était, en général, dénie par rapport à des
observations sur la période réenteet n'étaitpas modiéeau ours de la simulation.
Cette thèse a pour prinipal objetif d'intégrer la modélisation des hangements de
végétation, et en partiulier de l'utilisation des sols, dans une simulation limatique du
XXI
` eme
sièle. Pour simuler l'évolution future de la végétation, il faut non seulement
prendre en ompte l'impat du limat sur les végétaux mais aussi la pression anthro-
pique sur l'utilisationdes terres.Ainsi,lesystème quel'on veut mettre en plaen'est pas
uniquement régi par des loisphysiques mais aussi par des proessus éonomiques. Allier
les ontraintes éonomiques et physiques en une seule entité a déjà été réalisé dans des
modèles dits d'impats intégrés. Parmi eux-i, le modèle IMAGE développé au RIVM
(NationalInstituteofPubliHealthandtheEnvironment,PaysBas)simulel'évolutionde
`eme
dèle de irulation générale oéan-atmosphère-glae (ARPEGE-Climat/OPA/GELATO)
àe modèled'impatsintégré,ande pouvoirreprésenter defaçondynamiquel'évolution
de lavégétation dans le modèle de limat.
Quand ette thèse a débuté, le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat omprenait
un modèle de surfae, ISBA, qui simule les éhanges d'eau, d'énergie et de quantité de
mouvement entre les ontinents (système sol-végétation-neige) et l'atmosphère. Les ux
de arbonene sontpas modélisésdanslaversiondu shémadisponibleausein dumodèle
ARPEGE-Climat. Dans ette thèse, nous nous intéressons ainsi prinipalement à l'im-
pat des modiations de la végétation sur les éhanges d'eau, d'énergie et de quantité
de mouvement. L'aspet yle du arbone n'est pourtant pas omplètement négligé. Le
modèled'impatsintégréreprésentede façonexpliitelaphotosynthèseetleyle duar-
bone. Les onentrations atmosphériques de dioxyde de arbone fournies par e modèle
intègrentainsi l'impat des hangements de végétation.
Lepremierhapitrede ettethèseest onsaré àladesriptiondes modèlesd'impats
intégrésengénéral:leurbut,lesoneptssurlesquelsilssontbasés,ainsiquelesdiérents
types de modèles existants. Unedesription plus spéique du modèle IMAGE2.2 utilisé
danse travailest présentée.Cetteétapepermetde préisersur quelleshypothèsesrepose
un telmodèle etdon ses limites.
Le deuxième hapitre présente une étude de sensibilité du modèle d'impats intégré
IMAGE2.2 au hangement de forçage limatique. IMAGE2.2 ontient normalement un
module limatique simple qui évalue le hangement de limat induit par l'augmentation
desonentrationsengazàeetdeserre.Andepréparerleouplagenalentrelemodèle
ARPEGE-Climat/OPA/GELATO etIMAGE2.2, diérentes méthodes d'introdutiondu
hangement limatique tel que simulé par notre modèle limatique sont étudiées. En
partiulier, on analyse l'impat du hangement de la sensibilité de la température à la
onentration en gaz àeet de serre.
Le troisième hapitre présente tout d'abord un historique de l'étude des interations
entre la végétation et le limat, ainsi qu'une desription brève du modèle de surfae
ISBA. Ensuite, une étude de sensibilité du modèle de limat à diérents forçages en
surfae est exposée. Cette étape est symétrique à elle présentée au hapitre préédent,
puisqu'elle permet d'établir la sensibilité du modèle de limat aux artes de végétation
produites par IMAGE. Des simulations atmosphériques ave des forçages onstants sont
réalisées.Deux pairesd'expérienes sont analysées: lapremière paireutilise unearte de
végétationsimulée parIMAGE2.2pour lapériodeatuelle,ladeuxièmeuneartesimulée
pourlemilieuduXXI
`eme
sièle.Chaque paireestomposéed'uneexpérieneutilisantdes
forçages en gaz àeetde serre,aérosolset températurede surfae de lamer (TSM) pour
` eme
