Les variations climatiques régionales observées et

Les variations climatiques observées et potentielles
à l'échelle de 2 Zones Ateliers : Alpes et Armorique
Perrimond Benoit
Sous la direction de : Sylvain Bigot
et Hervé Quénol (LETG-Rennes Costel)
Thèse BDI CNRS INSU-INEE
Localisation et thématiques
scientifiques des Zones Ateliers
Paysages, climat,
écologie et usages
11 Zones Ateliers
SOERE inter-ZA
ZA Armorique (création en 1993)
ZA Alpes (création en 2008)
ZA Armorique
LTER
europe
European Long-Term Ecosystem Research Network
ZA Alpes
LTER : Long Term Ecological Research
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Pourquoi l'étude croisée de ces 2 zones ?
Des problématiques différentes, mais des enjeux et des objectifs
complémentaires :
- La Zone Atelier Armorique étudie les relations entre les
structures du paysage, l'exploitation des terres agricoles et
les processus écologiques
- La Zone Atelier Alpes étudie les dynamiques couplées des
écosystèmes alpins, de leurs usages et du climat
Des contextes et des problématiques différentes,
mais un déterminant commun :
la variabilité climatique.
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Contexte et prévisions climatiques
Constat : une modification des saisons de végétation
→ allongement de la période végétative depuis 1950
→ avancement significatif de la période de débourrement
→ retard de la période de sénescence
(Menzel et Fabian, 1999 ; Menzel et al., 2006).
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Contexte et prévisions climatiques
Constat : une modification des saisons de végétation
→ allongement de la période végétative depuis 1950 (Menzel et
Fabian, 1999 ; Menzel et al., 2006).
Évolutions des températures minimales (en
bleu), maximales (en rouge) et moyennes
annuelles (en violet) à Brest de 1960 à 2010.
Lignes pointillées : observations ; lignes
continues : valeurs modélisées (calculé
d’après les données Arpège-Climat, scénario
A1B, données régionalisées par la méthode
quantile-quantile).
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
La sensibilité de la phénologie des ZA
aux variations climatiques
Exemple de constat à l’échelle du massif du Vercors : le suivi de la productivité végétale
arborée (via le NDVI) est très sensible aux variations climatiques intra- et interannuelle :
Printemps et été
humides, T° fraîches
Printemps et été peu
humides, T° normales
D’après Rome et al., 2011
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Problématique et approche méthodologique
de ma thèse
 Améliorer la compréhension des interactions entre le
climat et la phénologie végétale, en tenant compte des
spécificités régionales et des contraintes climatiques d’échelle
supérieure des deux Zones Ateliers ;
 Utiliser la même méthodologie, basée à la fois sur
l’analyse de séries issues de l’observation mais aussi, de
manière complémentaire, sur la modélisation régionale
pour l’analyse de certaines situations climatiques influençant
très significativement les dynamiques végétales des 2
espaces étudiés.
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Principaux objectifs de ma thèse
Objectif 1 : Décrire le climat actuel (1958-2011) à
l’échelle des 2 ZA
- Comprendre la variabilité spatio-temporelle des
principales variables atmosphériques (notamment
T et P) : modes intra- et interannuels ;
- Identifier et distinguer les forçages d’échelle
synoptiques et les variations d’échelle régionales
(notamment types de circulation et téléconnexions) ;
- Établir une typologie saisonnière des épisodes à fort
impact climatique régional (notamment variations
thermiques, pluviométriques/hydriques, nivales).
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Principaux objectifs de ma thèse
Objectif 2 : Déterminer le poids du climat sur les
variations phénologiques régionales
- Diagnostiquer les influences du climat sur la
phénologie végétale aux échelles saisonnières et
interannuelles ;
Préciser
l’impact
des
principales
anomalies
climatiques
régionales
sur
la
saisonnalité
(précocité/durée) et la productivité végétale (qualité) ;
- Établir les contrastes de sensibilité en fonction des
principales occupations du sol (espaces agricoles,
espaces pâturés, espaces arborés).
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Principaux objectifs de ma thèse
Objectif 3 : Avoir recours à la modélisation
régionale pour reproduire certains processus
climatiques
- Déterminer statistiquement, à partir de prévisions
climatiques régionales à moyen terme (2021-2050) les
variations attendues pour les 2 ZA ;
- Simuler certains épisodes climatiques étudiés à fort
impact sur la phénologie végétale des 2 ZA, pour
préciser les variations du bilan climatique (hydrique,
thermique, aérologique) ;
- Valider ces résultats en utilisant les
climatiques mesurées par les réseaux des ZA.
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Benoit Perrimond (CHyC)
données
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Principales caractéristiques
physiques des 2 Zones Ateliers

Deux espaces très contrastés :
Armorique :
Altitude [0-360 m]
70 % de surfaces agraires
Alpes :
Altitude [0-4800 m]
65 % de surfaces naturelles
Armorique
Alpes
Des enjeux différents :
- Espaces fortement anthropisés / agricoles
- Territoires préservés (PR, PN, Réserves)
Calculé d’après Corine Land Cover (2010)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Milieu « armoricain »
caractéristiques du paysage végétal
Occupation du sol :
principalement agricole (70 %)
Organisation spatiale :
1) présence de bocages
2) rotation des cultures
→ gestion de paysages anthropisés
Cartes d'occupation des sols en Bretagne
pour la période 2001-2008 (Lecerf, 2008)
Répartition de la densité bocagère en Bretagne
(Vanier, 2011)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Milieu « armoricain »
caractéristiques du paysage végétal
Un paysage typique de la ZA Armorique
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Milieu « alpin »
caractéristiques du paysage végétal
Occupation du sol :
principalement naturelle (65 %)
Organisation spatiale :
étagement de la végétation
→ gestion de paysages naturels
(Parcs et réserves)
Répartition altitudinale
de la végétation dans les Alpes
(Corine Land Cover 1990)
Courbe hypsométrique (fréquence d'altitude)
dans les Alpes (BD Alti, IGN)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Milieu « alpin »
caractéristiques du paysage végétal
Un paysage typique de la ZA Alpes (le massif du Vercors)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Données climatiques
disponibilité et méthode de traitement
Mars 2012
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Données climatiques
disponibilité et méthode de traitement
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Les données climatiques
sélectionnées pour ma thèse
Réseau Météo-France
utilisés pour :
- définir le climat actuel ;
- valider les réanalyses
Safran-France.
Réseau armoricain
Réseau alpin
Réseaux
des
ZA
utilisés pour valider les
simulations numériques.
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique temporelle
Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009)
Anomalies thermiques
1 rupture détectée en 1979
1958 – 1979 : absence de tendance
1980 – 2010 : tendance positive
(~ 1,25 °C par décade)
Tests effectués pour la détection de
rupture : Pettit (1979), Alexanderson
(1986) et SNHT (1995)
Test effectués pour la détection de
tendance : Mann-Kendall (1945)
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Benoit Perrimond (CHyC)
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Étude de la variabilité climatique temporelle
Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009)
Anomalies pluviométriques
absence de rupture
absence de tendance
Tests effectués pour la détection de
rupture : Pettit (1979), Alexanderson
(1986) et SNHT (1995)
Test effectués pour la détection de
tendance : Mann-Kendall (1945)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Et qu'en est-il de la variabilité fréquentielle ?
Alpes et Armorique (pas de temps annuel, 1959-2009)
Transformée en ondelettes
(Torrence et al., 1998)
Données : anomalie annuelle
des précipitations
Objectif : caractériser les
différents modes périodiques
dans un signal temporel.
Résultats :
deux périodes significatives
1958-1990 : 2-4 ans
1990-2010 : 6-8 ans
Armorique
Alpes
lien possible avec un forçage synoptique
de type NAO ou AO (Jevrejeva, 2005)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Données climatiques
disponibilité et méthode de traitement
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Validation des données climatiques
Alpes et Armorique (pas de temps mensuel, 1959-2009)

Comparaison données SAFRAN / Stations :
Réseau de mesure Météo-France
en Bretagne disponible entre 59-09
Réseau de mesure Météo-France
dans les Alpes disponible entre 59-09
[1] Quintana et al., 2008
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Validation des données climatiques
Alpes et Armorique (pas de temps mensuel, 1959-2009)

Comparaison données SAFRAN / Stations :
Réseau de mesure Météo-France
en Bretagne disponible entre 59-09
Pour les Alpes (problème de résolution spatiale) :
interpolation des températures par rapport à l'altitude
Réseau de mesure Météo-France
dans les Alpes disponible entre 59-09
Présenté lors du 24ième colloque de l'AIC à Rovereto (Italie) ; Article en préparation dans 'Internationnal Journal of Climatology'
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle
Échelle régionale et synoptique, SAFRAN – NCEP/NCAR, 1959-2009
Relation échelle locale / échelle synoptique
(Décomposition en Valeur Singulière = SVD)
Données analysées :
- les champs régionaux de précipitations/température
- champs synoptiques de pression (SLP).
Objectifs : identifier des couples de structure spatiale entre deux champs
géophysiques (interactions entre échelle régionale et échelle synoptique :
caractériser les principaux modes de variabilité spatio-temporelle couplées
entre les deux champs (pression/précipitations et pression/température)
 déterminer la fenêtre synoptique montrant les relations les plus fortes
entre le champs de pression et les variables régionales (en cours).
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle
Échelle régionale et synoptique, SAFRAN – NCEP/NCAR, 1959-2009
Exemple d’un résultat : SVD pour les champs de pression
et les champs pluviométriques (Alpes) en hiver (DJF)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle
Échelle régionale, 1959-2009
Approche multivariée (Analyse en Composante
Principale)
Données analysées :
- champs régionaux normalisés de T, P,
- champs synoptiques normalisés de pression (SLP)
Objectifs :
- extraire les principales variations spatiales pour chacun des champs
- retenir un nombre optimal de facteur pour chaque variable (analyse
parallèle)
Analyse effectuée pour chacun des 3 champs pour chaque saison
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle
Échelle régionale, 1959-2009
Exemple pour les précipitations
- ZA Armorique au printemps
- nombre de facteurs retenus (pour l'exemple) : 3 (~73 %)
Interprétation :
1ère composante factorielle (var = 26.48 %)
Carte d'anomalie pluviométrique
correspondant aux dates où la série
temporelle est positive (resp. négative)
Il reste à analyser la variabilité temporelle associée
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Étude de la variabilité climatique spatio-temporelle
Échelle régionale, 1959-2009
Exemple pour les pressions au niveau de la mer
- champs de pression (Europe, hiver)
- nombre de facteurs retenus (pour l'exemple) : 4 (~75 %)
A partir des diagnostics multivariés, construire des composites basées
sur
des
situations
climatiques
saisonnières
« anormales » :
déterminer leurs potentielles influences sur les phénophases régionales
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Benoit Perrimond (CHyC)
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Analyses en cours et étapes prévues
• Renforcer et finaliser le diagnostic climatique
(SVD, classifications) : classer et lister par saisons les
contraintes/forçages ;
• Analyser le décalage temporel climat-végétation
(inertie saisonnière et inter-annuelle) et les contrastes
intra-régionaux : sélection de situations spécifiques
(sècheresses, températures extrêmes,...) à reproduire par
simulation.
• Utiliser le modèle climatique WRF pour préciser
les interactions climatiques régionales : valider ces
résultats grâce aux observations climatiques menées sur
les 2 ZA depuis 2005.
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Benoit Perrimond (CHyC)
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Données phénologiques déjà pré-traitées
Stades
phénologiques (échelle
d'une
association végétale = approche régionale) :
1) Date d'apparition des feuilles (débourrement)
2) Date de disparition des feuilles (sénescence)
3) Longueur de la saison végétative
NDVI (≈ Indice foliaire)
Spot-Vgt
(1999-2011, 1km²)
Analyse par
« PhenoSat »
Cartes de stades
phénologiques
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Le modèle régional sélectionné : WRF
Weather Regional Forecast
- Modèle à aire limitée
- Développé par le NCEP/NCAR
- Installé sur la plateforme CIMENT (Grenoble)
Expertise dans la modélisation :
- collaboration avec HMCI
- collaboration avec COSTEL
(modèle RAMS utilisé
depuis plusieurs années)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012
Valorisation et collaborations
• Participer aux phases 2012-13 du programme européen
CAMELEON de la ZAA (changement climatique et modélisation
biogéophysique via ORCHIDEE à l’échelle des hauts plateaux du
Vercors) : proposer des expériences à partir de mes résultats.
• Finaliser l’article en cours de rédaction dans Int. J. of
Climatology.
• Participation à l’EGU2012 (mai) et AIC2012 (septembre).
• Participer à l’organisation des ‘Rencontres Inter-ZA’ des
doctorants et jeunes chercheurs (hiver 2012).
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Merci de votre attention
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Benoit Perrimond (CHyC)
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Enjeux pour ces espaces sensibles au
changement climatique
• Étude des changements phénologiques sous l’influence des
variations
climatiques
:
compréhension
des
futures
désynchronisations des interactions bioclimatiques ?
 anticipation pour l’analyse des capacités adaptatives des
espèces, des paysages et des usages.
• Les phénophases saisonnières et interannuelles seront
affectées par les changements de variabilité climatique : mais
plutôt par le biais de relations bioclimatiques non-linéaire, entre
l’augmentation de la température et certaines modifications
phénologiques (« effets de seuil » et modifications brutales).
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Benoit Perrimond (CHyC)
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La complexité des relations entre les
dynamiques végétales et le climat
Analyse phénologique :
Les indices de végétation issues de la
télédétection
permettent
d'étudier
la
phénologie d’associations végétales et leurs
dynamiques temporelles (ex : le NDVI).
NDVI et stades phénologiques (Zhang et al., 2001)
Les différentes phénophases contrôlent le cycle
de vie des végétaux et sont dépendent des
conditions climatiques. Mais certains seuils
bioclimatiques complexifient le cycle (gel, faible
température, sécheresse).
T (°C)
P (mm)
Schéma conceptuel du taux de survie
d'une espèce végétale (Chuin, 2010)
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Benoit Perrimond (CHyC)
Journée des Thèses LTHE 15 mars 2012