Capacité d’une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution à simuler des indices de déficit hydrique : application aux douglasaies et hêtraies de Bourgogne

Soutenue le 19 juillet 2016

Directeur : Pierre Camberlin ; codirecteur : Thierry Castel

Début de thèse : novembre 2011

Résumé

Durant l’épisode de canicule-sécheresse de 2003, les peuplements de douglas et de hêtres en Bourgogne ont été lourdement affectés, présentant des symptômes de dépérissement et de surmortalité. Cet épisode semble être la première occurrence d’aléas climatiques attendus dans un futur proche et remet en question leur pérennité en Bourgogne puisque leur vulnérabilité au climat est attribuable à l’amplitude et au cumul des contraintes hydriques exercées durant leur cycle de végétation. Dans le contexte du changement climatique et en réponses aux demandes des gestionnaires forestiers qui s’appuient partiellement sur une cartographie de l’évolution des contraintes climatiques jusqu’à la fin de ce siècle, ce travail explore la capacité d’une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution couplant le modèle de climat régional WRF alimenté par les réanalyses ERA-Interim au modèle de bilan hydrique Biljou© à simuler des indices de déficit hydrique pour ces deux essences.

La première partie de ce travail propose une analyse de la capacité du modèle WRF à simuler chacune des variables atmosphériques de surface qui sont utilisées en entrée du modèle du bilan hydrique. L’analyse de la capacité du modèle à simuler ces variables repose (i) sur une approche comparative directe entre les données simulées par WRF et les observations enregistrées par le réseau de stations Météo-France et les réanalyses SAFRAN à l’échelle de la région, de la station, et du peuplement forestier, (ii) sur une approche indirecte utilisant l’évapotranspiration potentielle (ETP) et la relation entre les indices de croissance radiale et les indices de déficit hydrique calculés par le modèle d’impact pour les deux essences. Les résultats montrent une amélioration significative des données ERA-Interim par le modèle WRF pour chacune des variables ainsi qu’une capacité certaine à les spatialiser à haute résolution. Toutefois, la bonne reproduction de l’ETP par WRF, combinée à la faible corrélation entre la moyenne annuelle des indices de déficit hydrique estimés avec les données WRF et la moyenne annuelle des indices de croissance radiale montrent que les difficultés de WRF à simuler le déficit hydrique sont principalement imputables à ses biais de précipitations.

La seconde partie propose l’application d’une post-correction statistique aux données de précipitations WRF. Bien que cette méthode améliore significativement la distribution spatiale des précipitations, leurs variabilités saisonnière et interannuelle et surtout les cumuls précipités, les données post-corrigées ne permettent pas de reproduire un indice de déficit hydrique suffisamment proche de celui estimé à partir des observations ou des analyses SAFRAN. Deux nouvelles simulations résolvant explicitement les processus convertis et utilisant un guidage spectral ont permis de montrer à partir de deux années types que cette déficience est imputable à l’incapacité de la méthode de correction à résoudre les différences de timing de la variabilité climatique transitoire simulée par WRF.

Deux types d’erreurs de modélisation climatique, survenant indépendamment, sont donc d’une importance primordiale pour les études d’impact: (i) la chronologie des évènements pluvieux ; (ii) la distribution statistique des précipitations quotidiennes. La combinaison de ces deux éléments contrôle le nombre de jours franchissant le seuil de 40 % de réserve relative en eau du sol et indirectement l’intensité des indices de déficit hydrique.

Membres du jury

Michel Déqué, CNRM / GAME – rapporteur
Eric Dufrêne, / ESE – rapporteur
Nathalie Bréda, INRA Nancy – examinateur
Daniel Joly, Thema – examinateur
Pierre Camberlin, laboratoire Biogéosciences – directeur de thèse
Thierry Castel, Agrosup – codirecteur de thèse

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novembre 2011

date_de_soutenance:

19 juillet 2016

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Capacité d'une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution à simuler des indices de déficit hydrique : application aux douglasaies et hêtraies de Bourgogne

Soutenue le 19 juillet 2016

Directeur : Pierre Camberlin ; codirecteur : Thierry Castel

Début de thèse : novembre 2011

 

Résumé

Durant l’épisode de canicule-sécheresse de 2003, les peuplements de douglas et de hêtres en Bourgogne ont été lourdement affectés, présentant des symptômes de dépérissement et de surmortalité. Cet épisode semble être la première occurrence d’aléas climatiques attendus dans un futur proche et remet en question leur pérennité en Bourgogne puisque leur vulnérabilité au climat est attribuable à l'amplitude et au cumul des contraintes hydriques exercées durant leur cycle de végétation. Dans le contexte du changement climatique et en réponses aux demandes des gestionnaires forestiers qui s’appuient partiellement sur une cartographie de l’évolution des contraintes climatiques jusqu’à la fin de ce siècle, ce travail explore la capacité d’une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution couplant le modèle de climat régional WRF alimenté par les réanalyses ERA-Interim au modèle de bilan hydrique Biljou© à simuler des indices de déficit hydrique pour ces deux essences.

La première partie de ce travail propose une analyse de la capacité du modèle WRF à simuler chacune des variables atmosphériques de surface qui sont utilisées en entrée du modèle du bilan hydrique. L’analyse de la capacité du modèle à simuler ces variables repose (i) sur une approche comparative directe entre les données simulées par WRF et les observations enregistrées par le réseau de stations Météo-France et les réanalyses SAFRAN à l’échelle de la région, de la station, et du peuplement forestier, (ii) sur une approche indirecte utilisant l’évapotranspiration potentielle (ETP) et la relation entre les indices de croissance radiale et les indices de déficit hydrique calculés par le modèle d’impact pour les deux essences. Les résultats montrent une amélioration significative des données ERA-Interim par le modèle WRF pour chacune des variables ainsi qu’une capacité certaine à les spatialiser à haute résolution. Toutefois, la bonne reproduction de l’ETP par WRF, combinée à la faible corrélation entre la moyenne annuelle des indices de déficit hydrique estimés avec les données WRF et la moyenne annuelle des indices de croissance radiale montrent que les difficultés de WRF à simuler le déficit hydrique sont principalement imputables à ses biais de précipitations.

La seconde partie propose l’application d’une post-correction statistique aux données de précipitations WRF. Bien que cette méthode améliore significativement la distribution spatiale des précipitations, leurs variabilités saisonnière et interannuelle et surtout les cumuls précipités, les données post-corrigées ne permettent pas de reproduire un indice de déficit hydrique suffisamment proche de celui estimé à partir des observations ou des analyses SAFRAN. Deux nouvelles simulations résolvant explicitement les processus convertis et utilisant un guidage spectral ont permis de montrer à partir de deux années types que cette déficience est imputable à l’incapacité de la méthode de correction à résoudre les différences de timing de la variabilité climatique transitoire simulée par WRF.

Deux types d’erreurs de modélisation climatique, survenant indépendamment, sont donc d'une importance primordiale pour les études d'impact: (i) la chronologie des évènements pluvieux ; (ii) la distribution statistique des précipitations quotidiennes. La combinaison de ces deux éléments contrôle le nombre de jours franchissant le seuil de 40 % de réserve relative en eau du sol et indirectement l’intensité des indices de déficit hydrique.

Membres du jury

Michel Déqué, CNRM / GAME – rapporteur
Eric Dufrêne, / ESE – rapporteur
Nathalie Bréda, INRA Nancy – examinateur
Daniel Joly, Thema - examinateur
Pierre Camberlin, laboratoire Biogéosciences – directeur de thèse
Thierry Castel, Agrosup – codirecteur de thèse

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Capacité d'une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution à simuler des indices de déficit hydrique : application aux douglasaies et hêtraies de Bourgogne

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19 juillet 2016

extrait:

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20160719

nom:

Boulard

titre:

Capacité d'une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution à simuler des indices de déficit hydrique : application aux douglasaies et hêtraies de Bourgogne