Direction du Système d'Information Service ”Informatique scientifique et Appui aux Partenaire du Sud” Appel à projets interne SPIRALES 2011 Formulaire de demande DSI-SPIRALES « Soutien aux Projets Informatiques dans les Equipes Scientifiques » Remise des projets Contact : [email protected] 17 janvier 2011 à [email protected] I.R.D (Institut Recherche Développement) www.ird.fr Siège social : Le sextant-44, boulevard de Dunkerque-Marseille Demande d’un soutien DSI sur les projets informatiques des UMR/UMI/LMI et leurs partenaires. Formulaire de demande DSI-SPIRALES 2011 « Soutien aux Projets Informatiques dans les Equipes Scientifiques ». Les propositions doivent être adressées sous forme électronique (au format RTF, DOC ou PDF) à l'adresse suivante : [email protected] 1. Nature du projet 1.1. Titre du projet Une plate de modélisation de la dynamique et du fonctionnement des écosystèmes pour l’études changements globaux : SIERRA (Simulator for tERRestrial lAndscapes) 1.2. Résumé du projet proposé (5 lignes maximum) Les différents projets engagés sur la dynamique et le fonctionnement des écosystèmes méditerranéens ont abouti au développement d’outils d’analyse et de modélisation indépendants. Ces modules incluent le downscaling des scenarios climatiques, leur utilisation dans les modèles de flux d’eau et de carbone (CO2, composés volatils organiques), ainsi que les processus spatialement explicites comme la propagation des incendies ou les changements dans l’utilisation des paysage. Nous proposons ici la création d’une plateforme de modélisation incluant tous ces modules. 1.3. Type de projet (préciser année de démarrage : …) 2. Porteur(s) et collaborateur(s) du projet 2.1. Unité UMR UMI LMI N° … Nom : unité sous contrat :CEFE 2.2. Département Environnement & Ressources Santé Sociétés 2.3. Statut et coordonnées du porteur de projet Prénom Nom – Statut / Catégorie – Localisation géographique – Téléphone – Fax – E-mail Florent MOUILLOT, CR1, UMR CEFE, equipe IRD-DREAM, 1919 route de Mende, 34293 Montpellier Cedex 5, France. Tel : 04 67 61 32 55 / email : [email protected] Page 2 sur 11 2.4. Nom et coordonnées du Directeur d'Unité (si différent) Nom prénom - Statut / Catégorie – Localisation géographique – Téléphone – Fax – E-mail 2.5. Avis du directeur d'unité (obligatoire) Le DU doit notamment être garant de l’esprit de SPIRALES (capitalisations de l’ outil développé et des savoir faire acquis, pour d’autres équipes et/ou partenaires), et libérer ainsi un peu de temps de son équipe, après le projet. Je ne fais pas partie d UMR IRD reférencée mais d une unité sous contrat, UMR CEFE/CNRS; montpellier. Cette demande répond à une forte demande des partenaires et à un accumulation de travail conséquente sur la modélisation des processsus écologiques qui doit etre valorisé par un outil transférable. 2.6. Site(s) de déroulement du projet UMR CEFE, 1919 route de Mende, 34293 Montpellier cedex 5, France 2.7. Site administratif à partir duquel se feront les dépenses budgétaires Montpellier 2.8. Liste des unités (ou organismes partenaires) du projet Organisme (laboratoire/unité) – Directeur - Localisation géographique UMR CEFE, JD Lebreton, Montpellier, France Ecole national des ingénieurs de Tunis, Tunisie INRGREF, Tunis, Tunisie. DGRE, Tunis, Tunisie Université de la Manouba, tunis, Tunisie. Université federal de Lavras, Lavras, Brazil. 2.9. Liste des intervenants impliqués de manière effective dans la réalisation du projet Prénom Nom - Statut / Catégorie – Organisme (unité/laboratoire) - Localisation géographique - Email – Contribution en % de temps homme ou en jours*homme (ETP total ou pour une période) Florent MOUILLOT, CR1, IRD UMR CEFE, Montpellier, [email protected], 40j ETP Serge RAMBAL, IR1, CNRS UMr CEFE, Montpellier, [email protected], 15j ETP Hedia CHAKROUN, ENIT, tunis, hedia.chakroun, [email protected], 15j ETP Hayet BEN MANSOUR, DGRE, Tunis. 4j ETP. Joao Paulo DELFINO BARBOSA, UFLA, Brazil. 15, ETP. Page 3 sur 11 3. Moyens / appuis demandés à la DSI 3.1 Contribution demandée à la DSI pour 2011 en euros HT Montant 2011 demandé : € HT et % temps-homme ou jours*homme : Ventilation par poste prestation de service (dont stage) : fonctionnement : formation et valorisation (cf chapitre 7) : appui d’un chef de projet de l’équipe IS (en % de tps-homme ou en jours*homme) X appui d’un développeur de l’équipe IS (en % de tps-homme ou en jours*homme) : 60% tps homme. La contribution demandée pourra être soit un développeur de l equipe IS, soit une compensation financière afin d’employer un développeur externe. Le cout emploi sera partagé avec les programmes FUME, CLARIS et SCION dans lequel des jours.hommes sont déjà prévu pour le développement et l’application de cette plateforme. 3.2 Montant(s) précédemment attribué(s) par la DSI - en euros HT 2008 2009 2010 Montants attribués (€ HT) 3.3 Moyens affectés au projet et Cofinancements acquis hors SPIRALES (€ HT) Autres sources de financements acquis pour ce projet (ex. ANR…) : Montant (€ HT) : Programme minsitere affaires étrangères : CORUS : 60.000€, 2007-2011 Programme ANR mesoeros : 53.000€, 2007-2010 Programme EU CLARIS-LPB : 65.000€, 2009-2011 Programme EU FUME : 205.000€, 2010-2013 Programme European Space Agency : 60.000€, 2010-2013. Programme ANR SCION, 53000€, 2010-2012. 4. Description des besoins et du projet 4.1. Objectifs scientifiques (en précisant les aspects innovants) L’étude de l’impact des changements globaux sur les agro-systèmes et les écosystèmes est une priorité de l’IRD, et constitue un champ de recherche prépondérant dans les questionnements scientifiques actuels. L’objectif est de comprendre comment une modification dans le système climatique et socio-économique va modifier les rendements et les pratiques agricoles, la qualité des sols associés, le fonctionnement et la dynamique des écosystèmes et leurs services (ressources en eau, pâturage, forets..), avec les rétroactions potentielles sur le bilan de carbone atmosphérique régional ou global. Depuis 2003, je suis engagé dans des activités d’analyse de série climatiques, de Page 4 sur 11 scenarios climatiques simulés par les modèles de circulation générale, la compréhension de la variabilité régionale du fonctionnement des écosystèmes et la modélisation de ces processus. Ces recherches m’ont amené à développer des outils informatiques indépendants sur plusieurs thématiques : i) L’analyse et la création de scenarios climatiques régionaux : Les modèles de circulation générale (GCM) fournissent des séries temporelles climatiques journalières à une résolution spatiale variant de 50km a 250km pour un scenario référence REF (hypothèse de concentration en CO2 atmosphérique 360ppm) et un scenario futur (FUT)(hypothèse de concentration atmosphérique en C02 à 720ppm). Le scenario référence, à cause de la résolution spatiale assez grossière, est souvent différent des observations au sol. Les méthodes classiques d’utilisation de ces scenarios climatique est donc le calcul d’anomalies entre les scenarios REF et FUT, et d’appliquer ces anomalies sur les données réelles au sol. Pour les anomalies, elles consistent en des variations de moyennes et d’écart type quotidiens. Pour les précipitations, les anomalies peuvent être plus complexes qu’une simple différence de l’intensité des précipitations, mais aussi inclure des différences dans la fréquence des événements. Dans le cadre du programme ANR MESOEROS piloté par l’UMR IRD LISAH, nous avons développé une méthode générique permettant de produire des scenarios spatialisés et utilisable dans les modèles d’érosion, de rendements agricoles ou de fonctionnement des écosystèmes. Cette méthode, associée à une spatialisation automatique des informations climatiques stationnelles, est en cours de valorisation auprès de la DGRE Tunis dans le cadre du programme CORUS. L’outil a été développé sous MATLAB. Il est en cours d’utilisation dans le programme européen FUME et le programme européen CLARIS pour application en Amérique du Sud auprès de nos partenaires. ii) La modélisation de la dynamique et du fonctionnement des écosystèmes : J’utilise dans mes projets différents modèles de bilan eau et C dans les écosystèmes : un modèle local dynamique (SIERRA, Mouillot et al. 2001, 2002, développé en Pascal) et un modèle global fonctionnel (CASA, Potter et al. 1995, développé sous matlab). Ces deux modèles utilisent le bilan en eau des écosystèmes, les températures et le rayonnement solaire pour simuler les facteurs de contrôle du bilan de carbone, la dynamique de la biomasse et du carbone du sol. Ils utilisent différents modules de bilan hydrique du plus simple et plus générique (CASA), au plus complexe (Ruffault and Mouillot, in prep). Ces modèles permettent de simuler la variabilité saisonnière et interannuelle des flux et stocks d’eau du sol et de carbone, les échanges biosphère atmosphère et les potentiels services écosystémiques associés à différentes échelles, du paysage au globe. Ils sont en cours d’utilisation dans les projets FUME, CLARIS et ESA, et nécessitent les entrées climatiques issues du précédent outil sur les scénarios climatiques. iii) Flux latéraux et dynamiques spatiales : les modifications dans le fonctionnement des agro écosystèmes au niveau régional est aussi associé aux modifications de l’occupation du sol, qui modifient les processus de flux d’eau et de carbone selon les types fonctionnels des espèces en présence. Cette dynamique spatiale est régie par les pressions anthropiques d’utilisation du sol (dont le Modèle CLUE fait référence), les processus de colonisation par dispersion et installation des espèces, et la propagation des perturbations comme les incendies. Ces modules sont aussi développés (langage pascal) de manière indépendante afin de simuler des scenarios d’occupation du sol à insérer dans les modèles de fonctionnement de la végétation. iv) Enfin nous avons développé, pour des thématiques précises, les processus d’émission de composés volatils organique émis par la végétation et qui interagissent avec les NOx atmosphériques pour générer de l’ozone, fort polluant atmosphérique, les processus de pâturage sur la biomasse herbacée, ou les attaques d’insectes sur les feuillages forestiers. Nous sommes donc maintenant confrontés à un panel d’outils de modélisations, indépendants et codés sous différents langages, avec lesquels nous devons jongler pour les faire interagir pour répondre à des questions socioécologiques ou atmosphériques. La transmission de ces outils est donc ralentie, et souvent impossible du fait de la multitude de logiciels à acquérir pour utiliser l’ensemble des outils. Nos multiples projets en cours nécessitent maintenant le couplage de tous ces processus afin de proposer des scenarios intégrant le maximum de processus identifiés, et au sein d’une plate forme dans laquelle nous pourrons inclure nos propres développements ainsi que les requêtes particulières des partenaires. Le programme ANR SCION, est lui-même un programme ANR de couplage de nos modèles avec les modèles de nos partenaires CEFE/CNRS, montpellier, et applications en Tunisie. Ce projet SPIRALE bénéficierait donc de la synergie impulsé par de programme ANR de mise en plate forme des modèles de végétation. 7.2. Adéquation du projet avec la philosophie de SPIRALES (cf “SPIRALES_Notice.doc”) Le projet que nous proposons pour l’appel d’offre SPIRALE est le fruit de 5 années de développement de modules au gré des projets où nous sommes impliqués, des demandes de nos partenaires, et des disponibilités de ressources humaines dont nous disposions. La nécessité de capitaliser ce savoir apparait maintenant dans la demande de formation des différents modules qu’il est difficile d’assurer avec la dispersion des modules développés jusqu’à présent. Page 5 sur 11 4.3. Description de l'existant (moyens – outils – compétences) Nous disposons maintenant de codes développés sous R-gui, MATLAB, Pascal sous Borland Dephi. Modèle SIERRA (Mouillot et al. 2001, 2002) : ce modèle a été développé en pascal sous borland Delphi avec interface utilisateur. Ce modèle possède un module de bilan hydrique, de photosynthèse, de régénération des plantes, et de propagation d incendies. Il utilise des séries spatialisées de climat pour donner des estimations de biomasse, de teneur en eau du sol, et de sécheresse de la végétation, qui sont utilisés dans les modèles de propagation d’incendie. Le modèle permet aussi de simuler les processus dispersion, et de flux superficiels d’eau. Ce modèle a été développé par son utilisateur principal, F. Mouillot. Il est maintenu et mis à jour. Le modèle CASA : ce modèle a été développé sous MATLAB, et permet se simuler les bilans hydrique, de photosynthèse, de stocks de carbone du sol , et des flux associés. Il utilise des informations spatialisées de climat et de végétation. Ce modèle a été développé par Potter et (1995), puis mis a jour sous MATLAB par Vander Werf et al (2003). F. Mouillot utilise ce modèle depuis son post doc (2000-2003) et possède les compétences nécessaires pour le développement de nouveaux modules. Le modèle QUERCUS (Rambal et al. 1983): ce modèle est un modèle de bilan hydrique pour les écosystèmes méditerranéens développé par le partenaire métropole CEFE/CNRS. Il est developpé en Fortran et mis a jour de manière spatialisé sous MATLAB (Ruffault and Mouillot, in preparation), notamment couplé avec un modèle d’interception de pluie par la canopée. Il utilise les informations spatialisées climatiques journalières. Le modèle VOC (Lavoir, Mouillot et al. in press) : ce modèle utilise un modèle de bilan hydrique simplifié (modèle dérivé de l’approche Linacre 1973) dans lequel nous avons dévéloppé le module d’émission de composés volatiles organiques. Ce modèle possède une méthode d interpolation automatique des données climatiques stationnelles et a été développé sous R-gui. Il a été développé par C. Duffet, post doc maintenant affectée dans un autre institut. Un outil de downscaling climatique : cet outil permet de convertir une série climatique réelle (spatialisée ou non) en un scenario climatique futur basé sur les anomalies des scenarios climatiques issues des GCM selon 3 métjhodes plus ou moins complexes : la méthode des différences, la méthodes des fréquences et la méthode des fréquences normalisées. Il a été développé sous MATLAB. Un modèle de phénologie (en préparation) : la phénologie permet de déterminer les dates d’apparition des feuilles et des fleurs dans la végétation. il utilise les informations climatiques de températures et de stress hydrique (issus du modèle de bilan hydrique) pour simuler la dynamique saisonnière du feuillage. Ce module est en cours de développement (Ruffault, martin, Mouillot, in prep). Un modèle plus complexe, phénofit (chuine et al 2001) est utilisé dans l UMR CEFE/CNRS (développé en pascal sous Delphi) et sera couplé avec le modèle SIERRA dans le cadre de l’ANR SCION. Un modèle de limite biogéographique : la distribution des espèces est déterminée par la contrainte thermique et hydrique qui permettent leur établissement et leur survie. Nous avons développé des modules simples d’aires de distribution des espèces basés sur les conditions climatiques limitantes. Ce module devra être couplé avec les modèles de bilan d’eau et de carbone. Les modèles ont été développé ou utilisés par l’équipe IRD qui en connaissent les processus et les modes d’utilisation. Les langages utilisés sont aussi assez maitrisés par les utilisateurs. Il semblerait que l’approche MATLAB soient maintenant la mieux adaptées aux calculs matriciels que representent nos informations spatialisées sous formes de grilles issues des systèmes d’information géographique.les interfaces SIG/modèle sont bien maitrisées. 4.4. Nom de votre outil (dans le cas d’un développement d’application) Afin de garder l’historique du modèle initial, nous appellerons cet outil plate forme SIERRA (SImulator for tERRestrial lAndscapes) Page 6 sur 11 4.5. Calendrier du projet (digramme de Gant souhaité) 1 2 3 4 algorithme Main module modules eau modules C module dynamique climate down. modules VOC modules fire Phénologie Tests sur jeux de données rédaction du Readme publication Page 7 sur 11 5 6 7 8 9 10 11 12 4.6. Décrire l’architecture envisagée pour votre outil (un schéma sera apprécié) La plate forme finalisée permettra de simuler les variables de sorties sélectionnées par l’utilisateurs et calculées à partir des variables d’entrées (climat, végétation) et des modules sélectionnés pour les simulations. Les modules annexes aux bilans d’eau et de carbone seront suffisamment indépendants pour ne pas être nécessaires à l’utilisation du modèle. Modules : CLIM : spatialisation et création des scenarios climatiques à partir des données stationnelles. Le module génère des cartes journalières de chacune des variables climatiques. CANOP : interception de la pluie et du rayonnement par le feuillage de la canopée. HYDR : modèle de bilan hydrique à choisir parmi 4 modèles existants CBIOM : modèle de bilan de carbone dans la biomasse issus du modèle CASA ou SIERRA CSOL : module de bilan de carbone dans le sol (nécessite le bilan de carbone CBIOM) issu du modèle CASA COMBUST : module de combustion issue du modèle CASA. VOC : module d’émissions de composés volatils organique (Lavoir et al. In press) FIRE : module de risque de feu basé sur le risque bioclimatique ou sur la propagation des incendies HUMAN : module d’impact humain simulant la pression de paturage sur la biomasse ou les collectes de bois par les populations. Issu du modèle CASA. SOCIO : modèle de dynamique de l’utilisation du paysage. Modèle simplifié de CLUE. Variables : les variables sont des informations spatialisées sous format grille issues des systèmes d’infiormation géographique et géoréférencées. Climat : Température, précipitation et rayonnement solaire Végétation : carte de végétation SOIL WATER : contenu en eau du sol PLANT WATER : teneur en eau des plantes CSTOCK sol: stock de carbone dans les différentes couches du sol CSTOCK Biomasse : stock de carbone feuilles/bois/racine des différentes espèces. Cflux : flux de carbone emis vers l’atmosphère COV : flux de COV emis vers l’atmopshère. Page 8 sur 11 4.7. Lister les méthodes/référentiels, langages de programmation… La plate forme de modélisation ainsi réalisée sera couplée à une interface utilisateur permettant de choisir les modules à utiliser ainsi que les variables à simuler. Les modules déjà développés sont en langage pascal sous delphi, MATLAB, ou Rgui. La forme finale de la plate forme sera MATLAB que nous avons choisi pour son efficacité de calculs matriciels et son interface graphique conviviale. 4.8. Énumérer et décrire les données/méta données de votre outil (thématique, format, volume, …) Le modèle peut générer des quantités volumineuses de données spatialisées à tous les niveaux des modules. CLIMAT : le modèle sera utilisé au pas de temps journalier, hebdomadaire, ou mensuel, sur des séries temporelles couvrant de 30 à 50ans. Il sera utilisé soit à l’échelle globale (360 x 180 pixels à 1° de résolution ou 720 x 360 pixels à ½ ° de résolution), régionale (maximum 1000 x 1000km à 1km ou 10km de résolution) ou paysage (500 x 500 pixels à 30 m de résolution). Les informations climatiques journalieres occuperont donc des matrices maximum de 1000 x 1000 pixels, x (365 x 50 jours) pour les 3 variables température, précipitation et rayonnement solaire. Flux: les flux journaliers devront être stockés sous forme de matrices cubiques (1000 x 1000 pixels x temps) pour des analyses temporelles d’emissions de Carbone, VOC ou eau. Les stocks de carbone seront enregistrés au pas de mensuel pour chacun des pixels simulés. L’eau du sol et de la plante seront stockés au pas de journalier pour intéragir avec le module de propagation d’incendies. Page 9 sur 11 5. Liste des livrables et documents (spécifications fonctionnelles, techniques, API, manuel utilisation…) Nom du document – Date de réception – Descriptif du document D1: Algorithme des processus programmation codée. [M2]: lecture des codes existants et description des processes en vue de leur D2. code MATLAB [M8]: finalisation du code pour utilisation et tests D3 manuel d’utilisateur [M10]: création d’un manuel d’utilisation pour les entrées du modèle, leur format et le choix des modules et variables. D4: jeu de données et tutorial pour formation et utilisation [M12]: création de d’une jeu de données testé pour utilisation par les débutants. 6. Bénéfices pour le Sud Liste exhaustive des partenaires au Sud, et description des bénéfices directs du projet pour ces partenaires du Sud Prénom Nom – Organisme (laboratoire/unité) – Lieu géographique – Email – Type de bénéfice DGRE, Tunis, Tunisie (H. Ben Mansour, L Frigui): dans le cadre du programme CORUS (2007-2010) la DGRE a émis le souhait d’obtenir un outil capable de spatialiser les informations climatiques et éventuellement compléter les données manquantes dans les séries temporelles. La méthode d’interpolation proposé dans la plate forme pourra être utilisées à cet effet. INRGREF, Tunis, Tunisie. Les chercheurs de l INRGREF cherchent à utiliser les informations climatiques spatialisées et les scenarios climatiques pour les études de la productivité du chêne liège, de l eucalyptus et du pin d’halep au niveau régional, afin de prevoir les zones de vuilnérabilité sous l’hypothèse des changements climatiques attendus. ENIT, Tunis, Tunisie (Hedia Chakroun, Zoubeida Bargaoui): dans le cadre du développement de la thématique régional des bilan hydriques et carbone au sein de l’ENIT dans le cadre du programme CORUS et des cours « modèles d’interactions biosphere/atmosphere » assurées par F. Mouillot depuis 2009, les chercheurs de l enit ont manifesté leur intérêt pour cet outil pour leur recherches et pour les cours. Les scenarios de changements climatiques sont aussi une priorité pour leur recherches en hydrologie. Université de geographie Manouba, Tunis, Tunisie (Hela Saadi , Amor Gamar). L’université de geographie Manouba travail sur les aires de répartition des espèces basée sur la phénologie des espèces et la capacité de régénération de ces espèces. Afin d’étudier les potentialités d’occupation de l’espace régional de ses espèces et les influences potentielles des changements climatiques, une inrormation spatialisée de l’information est nécessaire ainsi que les scenarios climatiques attendus. Université fédérale de Lavras, Brésil (Joao Paulo Delfino Barbosa): L’UFLA démarre une thématique vulnérabilité du système à cerrado aux changements globaux, incluant le risque d’incendies en fonction du développement agricole de la région et de la variabilité climatique. Les modules scenarios climatiques spatialisés (dans le cadre du programme EU piloté par l IRD CLARIS) , risque d’incendies et bilan en eau et carbone font partie des priorités thématiques de cette équipe. Nous assurons depuis 2010 les formations sur la base des modèles dans leur état actuel, et une plateforme homogène faciliterait la transfert de cet outil de modélisation. 7. Valorisation(s) et Formation(s) liées au projet 7.1. Valorisation(s) prévue(s) (données, licence logiciel, capitalisation du logiciel, transfert de compétence…) Base de données cartographiques climatiques : offrir aux partenaires une information climatique spatialisée à partir de leurs bases de données propres (DGRE) ou de bases de données internationales en accès libre (ENSEMBLE, CRU). Transfer de compétence : l’implication de florent MOUILLOT dans les formations universitaires à l ENIT (Tunisie, 16h de cours par an), l’UFLA(Brasil), et l université Montpellier 2 permettra un transfer de technologie efficace de cet outil de Page 10 sur 11 modélisation et des potentialités de la modélisation des processus écologiques dans leur ensemble. 7.2. Formation(s) prévue(s) Lieu géographique – Date – Public ciblé – Nombre d’intervenants – Nombre de personnes formées DGRE : à la fin du projet, une formation à la spatialisation des données climatiques sera organisée : 10 techniciens et ingenieurs. ENIT, Tunis : organisation de travaux pratiques aux étudiants de Master sur une base annuelle. 6h de TP possible à 20 étudiants. UFLA : travaux pratiques annuels dans le cadre d’écoles d’été à partir de la fin du projet. 10 étudiants. 7.3. Publication(s) et communication prévue(s) Cet outil sera une plate forme de modélisation où différents modules seront développés autour d’une même strucutre commune qu’est l’information climatique spatialisée, le bilan hydrique et le bilan de carbone des écosystèmes. L’outil en soi ne fera pas objet de publication mais l’application et le développement des différents modules au sein d’un même coeur de modèle fera l objet de publication sur différents sites d’étude et de problématiques. La mise au format de plate forme homogène permettra une pérennisation de l’outil sous une même nomenclature, ce qui permettra une meilleur visibilité de l”outil, et une facilitation de la description des processus à chaque plublication Page 11 sur 11