Équipe : Modélisation du fonctionnement et télédétection des surfaces continentales

L’équipe s’attache à développer des modèles décrivant le fonctionnement des surfaces continentales pour de larges gammes d’échelles de temps (infra-horaire à pluriannuel) et d’espace (parcelle, bassin versant, territoire).

Ces modèles sont des outils d’analyse, de prévision et de projection. L’équipe a pour objectif d’élaborer et évaluer des modèles d’observation liant les observables (in situ ou télédétection) et les variables d’état des systèmes définis au sein des surfaces continentales (cf. diagramme figure 1), et s’appuie donc sur des modèles dynamiques faisant évoluer ces variables dans le temps et l’espace.

L’équipe est organisée autour d’enjeux scientifiques et de développements algorithmiques consolidés et valorisés sous la forme de plateformes de modélisation. Les thèmes principaux sont la quantification spatialisée des composantes des cycles de l’eau et des GES (CO2, N2O) à travers les paysages, notamment agricoles, ainsi que la compréhension des déterminants du transfert radiatif dans le continuum sol-plante-atmosphère dans toutes les gammes de longueur d’onde. La caractérisation du fonctionnement de la plante et la détermination des flux d’eau et de carbone au sein de la Zone Critique sont donc les piliers de cette modélisation. Les enjeux croisés méthodologiques et thématiques ont conduit à la création de groupes de travail sur la spatialisation des bilans, la modélisation « mécaniste » 1D des flux de GES et le développement des approches génériques. Le suivi du stress hydrique des surfaces est un thème transverse fédérateur au sein de l’équipe, avec des liens évidents vers l’équipe « observation » à travers les dispositifs de proxidétection et les nouvelles missions (TRISHNA, FLEX, Sentinel-2, etc.).

L’équipe s’appuie largement sur les observables in situ et de télédétection de l’équipe « Systèmes d’Observation » pour alimenter ou faire évoluer les modèles selon le gradient climatique défini par les chantiers SudOuest et SudMed. Elle interagit notamment avec l’équipe « Systèmes d’Observation » pour l’évaluation des modèles, la caractérisation des incertitudes, et la construction de dispositifs d’assimilation des données (de type « Land Data Assimilation System »).

Responsable : Valerie Le Dantec

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Figure1 : Modèles dynamiques et modèles d’observation

Les modèles et les plateformes

Les modèles répondent à deux philosophies principales :

  • les premiers sont plutôt des outils de référence, tels que DART, qui permettent de simuler de façon explicite les différents processus élémentaires du fonctionnement des couverts ainsi que leurs interactions, et de décrire des paysages ou objets complexes ; DART et sa description 3D des objets permet de représenter des paysages complexes, avec des applications thématiques variées : agroécologie (échanges radiatifs dans les systèmes multistrates), urbain (îlot de chaleur), zones de relief (environnement radiatif, correction des images…). DART est également utilisé comme modèle de référence pour la préparation des missions telles que FLEX (couplage avec le modèle de fluorescence de SCOPE) ou TRISHNA (caractérisation des effets directionnels sur la température de surface acquise pour des configurations de visée satellite/surface/soleil variables).
  • les seconds sont spécifiquement destinés à spatialiser les cycles eau/GES en s’appuyant sur un panel de produits de télédétection; il s’agit soit de modèles mécanistes (Land Surface Models, agro-eco-hydrological models) soit de modèles reconstruits à partir de l’analyse de séries temporelles (approches dites « génériques » ). L’élaboration et l’évaluation de stratégies d’assimilation des données multi-sources occupent donc une place importante dans l’implémentation de ces schémas. Le couplage avec les outils du Service d’Information Environnemental (SIE) a également été initié pour ces modèles facilitant ainsi les applications spatialisées et leur évaluation. Les stratégies de spatialisation s’appuient largement sur des unités de fonctionnement relativement homogènes du point de vue des pratiques de gestion, notamment agricole.

Les plates-formes de modélisation « maison » sont DART bien sûr, mais également la plate-forme de spatialisation des flux de Gaz à Effet de Serre (GES) qui regroupe les modules permettant la description de ces bilans avec un minimum de variables d’état et des approches simples et robustes : bilan hydrique SAMIR, croissance et rendement SAFYE, flux de CO2 SAFYE-CO2, et bientôt flux de N2O (figure 2).

Le CESBIO contribue également à des plates-formes pilotées par d’autres laboratoires, comme EVASPA, STICS ou SURFEX, en proposant des évolutions en fonction des enjeux et des avancées scientifiques, notamment des chantiers, avec une stratégie de développement/évaluation sur les sites expérimentaux des deux chantiers et de la communauté.

Le CESBIO développe ou utilise depuis de nombreuses années des modèles hydrologiques distribués pour boucler le bilan hydrique à l’échelle du bassin versant régional ou de sous-bassins montagneux. Il s’agit tout d’abord de plateformes mécanistes (SIM, SNOWMODEL) intégrées, préférentiellement appliquées dans les zones de montagnes peu anthropisées pour lesquelles les processus en interaction sont complexes et potentiellement évolutifs dans un contexte de changements climatiques. Il s’agit ensuite de modèles plus conceptuels rassemblés via leur entrées-sorties (e.g. la chaine SAMIR/WEAP/MODFLOW/GR4J). Ces modèles ont l’avantage de décrire de façon simple l’impact des activités humaines sur le Grand Cycle de l’eau, notamment les aménagements et l’irrigation.

Enfin, la participation à de nombreux CES (Centres d’Expertise Scientifique) du pôle THEIA (le CESBIO collabore à plus de la moitié des CES et en porte une grande partie) façonne une part significative des activités de l’équipe, soit via le développement algorithmique des chaînes (par ex. le CES évapotranspiration) soit par l’anticipation de l’usage de produits bien documentés et normalisés (par ex. occupation du sol, cartographie des zones irriguées, humidité de surface, surfaces enneigées etc). Ces produits sont essentiels pour contraindre les modèles spatialisés (forçage, assimilation…). Ainsi, la caractérisation dynamique des surfaces irriguées et l’inversion des volumes et dates correspondantes est une activité majeure de l’équipe, en étroite interaction avec l’équipe « observation » dans le cadre du CES « irrigation » de THEIA.

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Figure 2: Plateforme de modélisation spatialisée basée sur la méthode FAO56

Enjeux actuels

En dépit de l’usage croissant des données à très haute résolution (e.g. Pleiades), qui permettent de résoudre des objets de petite taille, et notamment les arbres et arbustes, la grande majorité des données disponibles concerne des pixels mixtes, mélangeant sol et végétation. Cependant, pour une large part des objectifs scientifiques, et notamment écologiques (vulnérabilité d’écosystèmes aux changements globaux, compétition interspécifique etc.) ou agronomiques (bilan de carbone, quantification et/ou efficience de l’utilisation de l’eau etc.), il est nécessaire de caractériser la composante végétation des surfaces, donc la contribution des différents éléments du couvert. La détermination de la partition sol/plantes dans les bilans (rayonnement, eau, CO2, N2O…) est donc cruciale et nécessite une approche de modélisation basée sur les complémentarités et synergies existantes entre les informations hétérogènes des différents capteurs et longueurs d’onde, ainsi qu’une prise en compte explicite des différences de résolutions spatiales. Son évaluation repose sur des dispositifs expérimentaux dédiés qui mesurent les différentes composantes et estiment les flux totaux.

D’autre part, la production de scénarios d’évolution et d’adaptation, en réponse aux changements globaux, est une activité croissante du CESBIO, présente dans de nombreux projets du laboratoire. Ceci nécessite une meilleure analyse des performances à long terme des modèles mécanistes utilisés pour produire ces scénarios et une quantification plus réaliste des incertitudes de ces modèles. Il est également important de bien caractériser les unités du paysage liées à de nouvelles pratiques dont la présence pourra croître à l’avenir (couverts intercalaires par exemple), ou à des modes de fonctionnement peu actifs jusqu’ici mais dont la fréquence d’activation risque d’augmenter à l’avenir (stress hydriques sévères dus à des sécheresses intenses par exemple). La caractérisation du fonctionnement de ces unités de paysage, en substitution à la carte ECOCLIMAP pour SURFEX notamment, est un axe de travail important de l’équipe.

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