Proposition de stage de Master 2 — Année 2015

Proposition de stage de Master 2 — Année 2015‒2016
Forêts, cultures et prairies :
quels choix pour une atténuation climatique à l'échelle régionale ?
Quantification pour le territoire français de l'impact de l'occupation des sols
sur les bilan énergétique et hydrologique de surface, les stocks d’eau et de carbone
Encadrants : Nathalie de Noblet et Susanna Strada
Résumé : L’occupation du sol influence de manière significative les bilans énergétique et hydrologique et, par
conséquence, influence le climat local et régional. Les impacts d'un changement de surface sur les conditions
atmosphériques ont été observés, ainsi que reproduits et quantifiés à l'aide de la modélisation climatique
régionale. Ce stage s’insère dans le cadre du laboratoire d’excellence (LabEx) BASC, et plus spécifiquement de
son projet de recherche « Interactions Biosphère-Atmosphère » (http://www6.inra.fr/basc/Recherche/Projetsphares/1-Interactions-Biosphere-Atmosphere) qui envisage de quantifier, au niveau du territoire français, les
impacts des changements d'occupation des sols sur le climat local et régional à l'aide de la modélisation
climatique régionale. Dans ce contexte, le candidat sera fortement impliqué dans l'analyse et comparaison des
sorties numériques du modèle de surface continentale ORCHIDEE afin de (a) quantifier les modifications du
bilan d’énergétique et hydrologique et (b) de relier ces modifications aux changements d'occupation de sols et à
leurs conséquences sur les variables climatiques (e.g. températures moyennes et ses extrêmes). Dans le cadre du
LabEx BASC, ce travail de stage contribuera à la réflexion (1) scientifique, sur la sensibilité des modèles
climatiques régionaux aux changements de surface ; et (2) sociétale, sur les choix en terme d'aménagement du
territoire qui engendrerait une atténuation des conditions climatiques locales/régionales.
Contexte scientifique général de cette étude
Un changement de surface, tel que la conversion d'une forêt en prairie, modifie de manière importante l'énergie
radiative disponible à la surface et, par conséquence les flux de chaleur et d'évaporation. Ces modifications dans
le bilan énergétique et hydrologique influencent l’évolution des variables météorologiques telles, par exemple, la
température de surface ou les précipitations avec des conséquences sur le climat local et régional. Les
interactions existantes entre surface et atmosphère, ainsi que les impacts d'un changement de surface sur le
climat local et régional, ont pu être mises en évidence à travers l'analyse d'observations. L'application de la
modélisation climatique régionale, qui décrit les interactions surface-atmosphère, a permis de reproduire et
quantifier les impacts d'un changement d'occupation des sols sur le climat.
Dans le cadre du laboratoire d’excellence BASC (Biodiversité, Agro-écosystèmes, Société et Climat,
http://www6.inra.fr/basc), nous envisageons de quantifier, à l'aide de la modélisation climatique régionale, les
impacts des changements d'occupation des sols sur le climat local et régional (météorologie) au niveau du
territoire français.
Les questions scientifiques qui animent ce projet sont à la fois scientifiques et sociétales. Du point scientifique,
l'enjeu de BASC est celui de quantifier la sensibilité des modèles climatiques régionaux aux changements
d’occupation des sols. Du point de vue sociétal, l'enjeu est celui d'estimer sur le territoire français les impacts des
changements d’occupation des sols sur la météorologie afin d'identifier des choix d'aménagement du territoire
qui pourraient atténuer les conditions climatiques à l'échelle locale/régionale.
Objectif spécifique du stage
Le travail que nous proposons se situe en amont de la quantification de l’impact de l'occupation des sols sur le
climat régional. Il s’agira de diagnostiquer et quantifier les impacts de différents scenarii d’occupation des sols
sur i)l es flux d’eau, de chaleur, de dioxyde de carbone émis par les surfaces continentales (les sols et la
végétation) , ii) les stocks d’eau et de végétation dans les sols français. L’outil qui sera utilisé pour cela est le
modèle de végétation ORCHIDEE, développé à l’Institut Pierre Simon Laplace (https://www.ipsl.fr/).
Les scenarii choisis ont été produits et utilisés dans le cadre du dernier GIEC, les RCP (Representative
Concentration Pathways). Chaque scénario RCP correspond à une évolution spécifique, à partir de 2006, vers un
objectif pour 2100 en terme de forçage radiatif (i.e., 2.6, 4.5, 6.0 et 8.5 W/m²) associé aux émissions de gaz à
effet de serre et d’aérosols. Outre des changements d’émissions de gaz à effet de serre et d’aérosols, les scenarii
RCPs incluent également des changements d’usage/occupation des sols (Hurtt et al., 2011).
Le modèle ORCHIDEE résout de manière explicite les bilans d'eau et d'énergie des surfaces continentales. Il
calcule l’évolution de la phénologie de plusieurs écosystèmes terrestre, le cycle du carbone de la biosphère
terrestre. Sous une configuration sans couplage avec un modèle atmosphérique (mode off-line), ORCHIDEE est
forcé par des jeux de données climatiques globaux ou régionaux qui fournissent l'évolution des conditions
météorologiques. L'occupation des sols est imposée dans ORCHIDEE à travers des cartes de végétation qui
décrivent la distribution de la végétation. Dans sa version off-line, ORCHIDEE a déjà été déployé pour
différentes applications, comme par exemple la quantification du rôle de diverses variables climatiques sur la
croissance végétale dans l’hémisphère Nord (Piao et al., 2006). Les performances de ORCHIDEE off-line ont été
comparées aux observations et à d'autres modèles de surfaces continentales (e.g. Lafont et al., 2012).
L'analyse de scenarii RCPs sur la France montre des changements significatifs d'occupation des sol. Pour chaque
RCP, des cartes futures de végétation sont produites pour les années qui présentent les modifications maximales
de l'occupation des sols en France. Afin de quantifier l'impact de ces différentes occupations des sols (cartes
RCPs) sur les flux émis par les surfaces continentales, des simulations sont actuellement réalisées avec le modèle
ORCHIDEE.
L'objectif final des simulations off-line avec ORCHIDEE et les cartes de végétations issues de RCPs est celui de
sélectionner les deux scenarii d'occupation des sols les plus contrastés qui impactent de manière significative les
flux de chaleur et de vapeur d'eau, donc les bilans énergétique et hydrologique. Au cours du stage, le candidat
sera fortement impliqué dans l'analyse et la comparaison des sorties des simulations ORCHIDEE. Les analyses
porteront tout d'abord sur la quantification de modifications : (a) du bilan d’énergie de surface (e.g. variation du
rayonnement net, de flux de chaleur latent et sensible) ; (b) du bilan d’eau (e.g. variation de taux
d'évapotranspiration et précipitation), et (c) des flux de carbone (e.g. variation de productivité). En suite, le
candidat conduira un travail d'attribution afin de relier les modifications du bilans énergétique et hydrologique
aux changements d'occupation de sols (e.g. modification de la rugosité, de la résistance stomatique) et à leurs
conséquences sur, par exemple, les températures de surface (valeur moyenne et extrême).
Profil du candidat
•
Compétences requises : bonne connaissance des processus de surface.
•
Compétences souhaitées : connaissance de l'environnement Unix
•
Compétences appréciées : connaissance d'un langage informatique (e.g., Fortran ou C) et/ou d'un
langage de représentation graphique (e.g., Matlab, IDL, R, Python, NCL …).
Lieu du stage : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), L'Orme des Merisiers, Gif
Sur Yvette 91191.
Contacts : de Noblet-Ducoudré, Nathalie
Mail : [email protected] Tél : 01 69 08 77 26 / 06 10 19 31 64
Strada, Susanna
Mail : [email protected] Tél : 01 69 08 97 52
Références :
Hurtt, G., Chini, L., Frolking, S., Betts, R., Feddema, J., Fischer, G., Fisk, J., Hibbard, K., Houghton, R., Janetos,
A., Jones, C., Kindermann, G., Kinoshita, T., Klein Goldewijk, K., Riahi, K., Shevliakova, E., Smith, S.,
Stehfest, E., Thomson, A., Thornton, P., Vuuren, D., and Wang, Y. (2011). Harmonization of land-usescenarios
for the period 1500–2100: 600 years of global gridded annual land-use transitions, wood harvest, and resulting
secondary lands. Climatic Change, 109, 117–161, doi:10.1007/s10584-011-0153-2.
Lafont, S., Zhao, Y., Calvet, J. C., Peylin, P., Ciais, P., Maignan, F., and Weiss, M. (2012). Modelling LAI,
surface water and carbon fluxes at high-resolution over France: comparison of ISBA-A-gs and ORCHIDEE.
Biogeosciences, 9(1), 439-456.
Piao, S., Friedlingstein, P., Ciais, P., Zhou, L., and Chen, A. (2006). Effect of climate and CO2 changes on the
greening of the Northern Hemisphere over the past two decades. Geophysical Research Letters, 33(23).