douard Davin

1
Étude de leffet biophysique du changement
doccupation des sols sur le système climatique

• Édouard Davin

Directrice de thèse Nathalie de
Noblet-DucoudréCo-directeur de thèse Pierre
Friedlingstein
2
Végétation et climat
Climat -Rayonnement -Températures -Précipitations
-Vents
Structure, fonctionnement et répartition de la
végétation
3
Végétation et climat
Climat -Rayonnement -Températures -Précipitations
-Vents
Composés chimiques CO2, CH4, N2O, O3, Aérosols
Flux biogéochimiques CO2, CH4, N2O, poussières,
COV
4
Végétation et climat
Climat -Rayonnement -Températures -Précipitations
-Vents
Flux biophysiques Énergie et eau
5
Influence biophysique de la végétation

• Albédo

Rayonnement solaire
Flux réfléchi
6
Influence biophysique de la végétation

• Albédo
• Rugosité

Rayonnement solaire
Chaleur sensible
Vapeur deau
Flux réfléchi
7
Influence biophysique de la végétation

• Albédo
• Rugosité
• Efficacité évaporative (racines, surface
  foliaire, stomates)

Rayonnement solaire
Chaleur sensible
Vapeur deau
Flux réfléchi
8
Perturbation anthropique des surfaces
continentales
LHomme transforme les paysages pour ses besoins
en bois et en nourriture.
Distribution actuelle des surfaces agricoles

• 35 de la surface des continents couverte par
  des surfaces agricoles Goldewijk, 2001.
• Pâturages 23
• Cultures 12
• Extension historique en grande partie au
  détriment des forêts tempérées.

9
Impact sur le climat passé

• Ce que disent les modèles de climat la
  déforestation historique a eu un effet
  refroidissant dans lhémisphère nord en
  augmentant lalbédo de surface e.g., Brovkin et
  al., 1999 Betts, 2001 Bounoua et al., 2002.
• Leffet biophysique de la déforestation nest
  pas encore pris en compte de façon standard dans
  les simulations climatiques du 20ème et du 21ème
  siècle IPCC, 2007.
• Ce qui est encore incertain limportance
  relative de ce refroidissement par rapport à
  leffet mieux connu de laugmentation récente des
  gaz à effet de serre.

Betts, 2001
Anomalie de température de surface (végétation
actuelle végétation potentielle)
10
Importance pour le climat futur

• Quel scénario doccupation des sols?
• Quels effets sur le climat?

Surfaces agricoles (2100 1992) Scénario SRES A2
Reforestation?
Très forte déforestation?

• La déforestation tropicale pourrait réchauffer
  et aridifier le climat régional en diminuant
  lévapotranspiration e.g., Nobre et al., 1991
  Zhang et al., 1996 Voldoire et Royer, 2005.
• Effet très incertain à léchelle globale
  refroidissement global Sitch et al., 2005 ou
  peu dinfluence Feddema et al., 2005 ?

11
Objectifs de la thèse

• Comprendre les mécanismes qui conditionnent
  leffet du changement doccupation des sols sur
  le climat.
• Quantifier linfluence du changement doccupation
  des sols sur le climat du 20ème et du 21ème
  siècle.

12
Plan

• Présentation du modèle de climat de lIPSL.
• Étude des mécanismes biophysiques liés à la
  déforestation.
• Impact du changement doccupation des sols sur le
  climat du 20ème et du 21ème siècle.

13
Plan

• Présentation du modèle de climat de lIPSL.
• Étude des mécanismes biophysiques liés à la
  déforestation.
• Impact du changement doccupation des sols sur le
  climat du 20ème et du 21ème siècle.

14
Le modèle de climat de lIPSL

• Modèle de climat tridimensionnel couplé
  océan-atmopshère

LMDz GCM atmosphérique (2.5x3.75 x 19 niveaux)
Coupleur OASIS

• ORCHIDEE
• 12 types de plantes
• Transpiration-photosynthèse
• Hydrologie à 2 couches

ORCA-LIM GCM océanique (2x2 x 31 niveaux)
15
Mise au point du modèle

• Le modèle de lIPSL a été utilisé dans le
  dernier rapport IPCC IPCC, 2007.
• Différence par rapport à la version IPCC
  prise en compte de la dynamique du carbone dans
  la végétation (composante STOMATE).
• Correction dun problème dans le calcul de
  lalbédo dans ORCHIDEE et tuning atmosphérique.

Calcul interactif de la surface foliaire de la
végétation
16
Climatologie moyenne
Température de surface (modèle observations
HadCRU)

• Biais chaud dans les tropiques
• Biais froid dans les moyennes latitudes
• Climat plus chaud que dans la version IPCC

17
Sensibilité des flux de surface à la déforestation

• Comparaison du modèle ORCHIDEE à des mesures de
  flux en Amazonie.

Prairie de Ji Parana
Forêt de Ji Parana
? Rn
? Evap

• ORCHIDEE est capable de reproduire les
  principales différences entre les flux de surface
  dune forêt et dune prairie

? sensible

• Diminution du rayonnement net en surface
• Diminution de lévapotranspiration
• Augmentation du flux de chaleur sensible

18
Plan

• Présentation du modèle de climat de lIPSL.
• Étude des mécanismes biophysiques liés à la
  déforestation.
• Impact du changement doccupation des sols sur le
  climat du 20ème et du 21ème siècle.

19
Problématique

• Quel est leffet climatique (biophysique) de la
  déforestation?
• La réponse peut être différente selon le contexte
  géographique !
• La déforestation affecte diverses
  caractéristiques (albédo, rugosité et efficacité
  evaporative) de la surface dont limportance est
  variable selon les régions et la saison.
• Nécessité de mieux comprendre limportance
  relative de ces différents facteurs et leur
  variabilité spatio-temporelle.

20
Expériences

• Expériences idéalisées de déforestation massive

• GES préindustriels constants, snap-shot de
  110 ans.
• Expérience de contrôle avec un couvert forestier
  maximisé.
• Expériences avec remplacement total des forêts
  par des prairies

• Seulement le changement dalbédo
• Seulement le changement de rugosité
• Seulement le changement defficacité évaporative
• Effet biophysique total

21
Rôle de lalbédo de surface
Anomalie de température de surface
22
Rôle de lalbédo de surface
Photo Tim Hewison
Anomalie de température de surface
Refroidissement plus important dans les hautes
latitudes à cause de la présence de neige qui
amplifie laugmentation dalbédo après
déforestation.
23
Rôle de la rugosité
Anomalie de température de surface
Changement des flux turbulents
W/m2
24
Rôle de lefficacité évaporative
Anomalie dévapotranspiration
Anomalie de température de surface
mm/j
25
Deux types de processus très différents
26
Effet biophysique total de la déforestation
Anomalie de température de surface
27
Effet biophysique total de la déforestation
Anomalie de température de surface
Continents
90S
latitude
90N

• Refroidissement aux moyennes et hautes latitudes
  effet radiatif dominant.
• Réchauffement dans les tropiques effet
  non-radiatif dominant

28
Effet biophysique total de la déforestation
Anomalie de température de surface
Continents
Océancontinents
90S
90S
90N
latitude
90N
latitude

• En considérant également la température sur les
  océans, leffet de la déforestation est un
  refroidissement à toutes les latitudes effet
  radiatif prépondérant.

• Refroidissement aux moyennes et hautes
  latitudes effet radiatif dominant.
• Réchauffement dans les tropiques effet
  non-radiatif dominant

29
Rôle de locéan

• Diagnostiqué avec une simulation supplémentaire
  de déforestation avec SST fixées comme dans
  lexpérience de contrôle.

Anomalie de température de surface SST
interactives
Anomalie de température de surface SST fixes

• Leffet biophysique de la déforestation modifie
  les températures océaniques.
• En retour, le changement sur les océans
  rétroagit sur la température des continents.

30
Rôle de locéan

• Sans rétroactions océaniques, latmosphère est
  plus froide après déforestation

Anomalie de température (SST fixes)
pression

• En incluant les rétroactions océaniques, le
  refroidissement atmosphérique est amplifié

latitude
Anomalie de température (SST interactives)
pression
latitude
31
Synthèse

• Leffet biophysique de la déforestation oppose
  des processus radiatifs et non-radiatifs.
• Localement les processus non-radiatifs peuvent
  dominer dans les régions tropicales.
• À grande échelle, leffet dalbédo est dominant
  même une déforestation tropicale peut donc
  conduire à un refroidissement biophysique global.
• La réponse océanique amplifie le refroidissement
  radiatif initié par le changement dalbédo sur
  les continents.

32
Plan

• Présentation du modèle de climat de lIPSL.
• Étude des mécanismes biophysiques liés à la
  déforestation.
• Impact du changement doccupation des sols sur le
  climat du 20ème et du 21ème siècle.

• Impact global.
• Effet de la déforestation amazonienne sur le
  climat régional et la variabilité climatique.

33
Problématique

• Lhomme peut-il avoir un impact sur le climat
  global en modifiant la couverture végétale?
• Quelle est limportance de cet impact par
  rapport à dautres forçages climatiques?

Comparaison des différents forçages climatiques
Actuel préindustriel
Changement dalbédo par la déforestation -0.2
0.2 W/m2

• Ré-évaluation du forçage historique en prenant en
  compte le changement de la vapeur deau.
• Estimation du forçage radiatif futur pour un
  scénario A2.
• Pertinence du concept de forçage radiatif dans le
  contexte du changement doccupation des sols.

34
Scénarios
Scénario historique Surfaces agricoles (1992 -
1860)
Scénario futur Surfaces agricoles (2100 - 1992)
Sources Cultures Ramankutty Foley
1999 Pâturages Goldewijk, 2001
Sources Modèle IMAGE, scénario SRES A2
35
Forçage radiatif
Scénario historique
ORCHIDEE
? albédo
? évapotranspiration
? vapeur deau
Boucher et al., 2004
Transfert radiatif
Schéma radiatif LMDZ
? F - 0.29 W/m2 (albedo - 0.22 W/m2 vapeur
deau - 0.07 W/m2 )
36
Forçage radiatif
Scénario historique
ORCHIDEE
? albédo
? évapotranspiration
? vapeur deau
Boucher et al., 2004
Transfert radiatif
Schéma radiatif LMDZ
Estimation IPCC 2007 -0.2 0.2 W/m2
? F - 0.29 W/m2 (albedo - 0.22 W/m2 vapeur
deau - 0.07 W/m2 )
37
Forçage radiatif
Scénario futur
ORCHIDEE
? albédo
? évapotranspiration
? vapeur deau
Boucher et al., 2004
Transfert radiatif
Schéma radiatif LMDZ
? F - 0.70 W/m2 (albédo - 0.55 W/m2
vapeur deau - 0.15 W/m2 )
38
Réponse climatique

• Simulations snap shot avec GES
  préindustriels, analyses sur 300 ans

• Végétation préindustrielle (1860)
• Végétation actuelle (1992)
• Végétation future (2100)

Scénario historique (1992 - 1860) Anomalie de
température de surface
Scénario futur (2100 - 1992) Anomalie de
température de surface
?Ts -0.14C
?Ts -0.24C
39
Sensibilité climatique
? ?Ts / ?F

• La sensibilité climatique liée à la
  déforestation est plus faible que celle liée à
  une variation de CO2 à cause des processus
  non-radiatifs liés à la déforestation qui
  limitent le refroidissement radiatif.
• La sensibilité climatique est plus faible pour
  le scénario futur de déforestation que pour le
  scénario historique à cause du rôle plus
  important des processus non-radiatifs dans les
  tropiques.

40
Efficacité climatique
?TsCO2 ?CO2 ?FCO2 ?Tsx ?x ?Fx
41
Efficacité climatique
?TsCO2 ?CO2 ?FCO2 ?Tsx ?x ?Fx
Joshi et al., 2003
?Feff
42
Efficacité climatique
?TsCO2 ?CO2 ?FCO2 ?Tsx ?x ?Fx
Joshi et al., 2003
IPCC, 2007
43
Efficacité climatique
?TsCO2 ?CO2 ?FCO2 ?Tsx ?x ?Fx
Joshi et al., 2003
0.45
Différent pour le scénario futur! (0.36)
IPCC, 2007
44
Forçage radiatif effectif
? Feff ? F x E

• Le forçage biophysique dû à la déforestation a
  pu contrecarrer denviron 8 le forçage lié à
  laugmentation du CO2 depuis lépoque
  préindustrielle.
• Pour un scénario futur de type A2, linfluence
  de la déforestation pourrait représenter moins de
  4 par rapport au CO2.

45
Synthèse

• Leffet biophysique de la déforestation,
  historique et future, exerce un forçage radiatif
  négatif et représente donc un effet globalement
  refroidissant.
• Par rapport à laugmentation des GES cette
  influence refroidissante reste secondaire.
• Limites du concept de forçage radiatif
  incertitude sur lefficacité climatique.
• Une métrique globale nest pas suffisante pour
  donner une bonne idée de leffet de loccupation
  des sols.

46
Plan

• Présentation du modèle de climat de lIPSL.
• Étude des mécanismes biophysiques liés à la
  déforestation.
• Impact du changement doccupation des sols sur le
  climat du 20ème et du 21ème siècle.

• Impact global.
• Effet de la déforestation amazonienne sur le
  climat régional et la variabilité climatique.

47
Impact régional de la déforestation amazonienne
Anomalie de température de surface
Fraction déforestée
Résultats concordant avec des études régionales
de limpact de la déforestation amazonienne
e.g., Nobre et al., 1991 Zhang et al., 1996
Voldoire et Royer, 2005.
0.7C
Anomalie dévapotranspiration
Anomalie de précipitations
-14
-10
48
Variabilité climatique

• La variabilité du climat est particulièrement
  importante pour les écosystèmes et la population
  humaine.
• Dans les tropiques, et notamment en Amazonie, un
  des principaux modes de variabilité à léchelle
  interannuelle est le phénomène El Niño.

• La déforestation peut-elle entraîner une
  modification de ce mode de variabilité?

• Cette question ne peut être étudiée quavec des
  simulations longues avec un modèle couplé
  océan-atmosphère.

En collaboration avec Christian Laguerre, Pascal
Terray et Eric Guilyardi
49
Méthode danalyse en composite dEl Niño

• Sélection des événements El Niño sur la base de
  lindice de température NINO3

Indice NINO3

• La moyenne des événements représente le
  composite qui est exprimé en anomalie par rapport
  à la climatologie des 300 ans de simulation.

50
Analyse des événements El Niño

• Peut-on observer un changement de lamplitude
  et/ou de la fréquence des événements El Niño dans
  le modèle?

___ NCEP ___ contrôle ___ déforesté

• Pas de changement notable.

51
Impact dEl Niño en Amazonie
Évolution de lanomalie de température en
Amazonie pendant un événement El Niño

• Une anomalie chaude est constatée en Amazonie
  pendant un événement El Niño.
• Cette anomalie est 40 plus forte dans le cas de
  lAmazonie déforestée.
• El Niño correspond également à une anomalie de
  sécheresse sur lAmazonie.

___ NCEP ___ contrôle ___ déforesté
Évolution de lanomalie de précipitation
__ NCEP __ contrôle __ déforesté
52
Le rôle modérateur de la forêt
Forte évapotranspiration
Forte évapotranspiration

• Lévapotranspiration des forêts tropicales reste
  élevée même en condition sèche et la température
  est régulée.

53
Le cas des herbacées
Faible évapotranspiration
Forte évapotranspiration

• Une période sèche peut faire chuter
  lévapotranspiration des herbacées entraînant
  ainsi une augmentation de la température de
  surface.
• Phénomène observé sur le cycle saisonnier en
  Amazonie von Randow et al., 2004.

54
Étude de la variabilité interannuelle
Évolution de lanomalie dévapotranspiration en
Amazonie pendant un événement El Niño
___ contrôle ___ déforesté

• El Niño génère une plus forte diminution de
  lévapotranspiration dans le cas de lAmazonie
  déforestée, ce qui explique la plus forte
  augmentation de température de surface.

55
Synthèse

• La déforestation réchauffe et aridifie le climat
  amazonien.
• La forêt tropicale permet de tamponner les
  variations climatiques.
• La déforestation pourrait rendre lAmazonie plus
  sensible à des anomalies climatiques comme les
  événements El Nino.

56
Conclusion générale

• La déforestation, où quelle se produise, peut
  conduire à un refroidissement biophysique global
  notamment, la déforestation historique et future.
• Locéan a un rôle important dans lamplification
  du refroidissement radiatif initié par
  laugmentation dalbédo.
• Le concept de forçage radiatif a une utilité
  limitée dans le contexte de leffet biophysique
  de la déforestation.
• Globalement, le changement doccupation des sols
  a un impact limité en regard de la perturbation
  induite par laugmentation des gaz à effet de
  serre sur la même période.
• La déforestation amazonienne peut conduire à une
  aridification et à un réchauffement du climat
  régional et à une intensification de la
  variabilité interannuelle.

57
Limites et perspectives

• Intercomparaison avec dautres modèles.

Projet international LUCID
58
Limites et perspectives

• Intercomparaison avec dautres modèles.
• Simulation avec lévolution transitoire de
  loccupation des sols.

Crowley, 2000
59
Limites et perspectives

• Intercomparaison avec dautres modèles.
• Simulation avec lévolution transitoire de
  loccupation des sols.
• Prise en compte plus réaliste des cultures.

60
Limites et perspectives

• 3 Intercomparaison avec dautres modèles.
• 1 Simulation avec lévolution transitoire de
  loccupation des sols.
• 4 Prise en compte plus réaliste des cultures.
• 2 CO2
• 5 Cycles biogéochimiques CO2, N2O, poussières,
  COV

61
À tous ceux qui ont aidé à ce travailMERCI !
Nathalie de Noblet-Ducoudré
Pascal Terray
Pierre Friedlingstein
Christian Laguerre
Hervé Le Treut
Masa Kageyama
Arnaud Caubel
Pascalle Smith
Patrick Brockmann
Gilles Ramstein
Sönke Zaehle
Didier Paillard
Hervé Douville
Patricia Cadule
Jean-Louis Dufresne
Didier Swingedouw
Jean-Yves Peterschmitt