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Comment sont modélisés les Biomes

 

La modélisation des biomes
 

La cartographie du globe en différents biomes n'a pas un but purement descriptif : elle a un but explicatif et même au-delà fonctionnel. Elle permet actuellement d'évaluer certaines conséquences potentielles de modifications climatiques sur la biosphère. Les modélisations de biomes permettent d'appréhender les effets probables de changements climatiques futurs tout autant que l'évolution du climat depuis 20000 ans,  au regard de ce qu'étaient les communauté végétales de cette époque.

Les modélisations ont été progressivement améliorées aux cours des recherches.
 
 

La modélisation de Holdridge

Bien que datant de plus de 50 ans (1947, et mise à jour en 1967), la méthode de Holdridge est toujours appliquée et permet une estimation globale de la répartition des biomes et de leur évolution potentielle. Cette méthodologie a été améliorée vers 1990. 

 
 
Elle ne prenait  en compte dans sa méthode la plus simple que deux paramètres bioclimatiques.
  •  la moyenne des températures annuelles
  • la moyenne des précipitations annuelles

Un troisième a été ajouté:

  • le potentiel d'évapotranspiration ( rapport précipitation/ température )

 

Bien que conçue en trois dimensions le diagramme de Holdridge, est généralement présenté sous forme de tableau à deux dimensions d'hexagones dans un cadre triangulaire.

 holdridgegraphefrancisé.jpg

 

Ici, une température moyenne annuelle de 13°C et un total de précipitations annuelles de 110mm correspondent à une forêt humide.

 

Cette méthode permet vers 1985 d'obtenir le premier modèle global simple pouvant être employé pour évaluer la sensibilité de la distribution de la végétation du globe face aux changements climatiques. Mais elle fit l'objet de critiques car le lien entre les paramètres climatiques et leurs effets sur la physiologie des végétaux de cette zone était mal établi. De plus ces biomes sont considérés comme ne subissant pas de redéfinition interne à moyen terme lors des changements climatiques.

 

 

Modéliser les formations végétales majeures en fonction de paramètres climatiques

 

Box en 1981 défini à la surface du globe un nombre fini de type de fonctionnement de plante (PFT=Plant Fonctionnal Type) sensé représenter un groupement d'espèces caractérisées par leurs spécificités physiologiques et morphologiques en réponse au climat.

Il modélise le comportement des végétaux (survie ou développement) face aux contraintes climatiques en fixant à chaque PFT des frontières de répartition en terme de facteurs limitants. 

 

 
 
T max
T min
DT
P
MI
P max
P min
P hot max

Indices bioclimatiques utilisés par le modèle de Box (1981)

Moyenne des températures du mois le plus chaud
Moyenne des températures du mois le plus froids
Ecart de température entre T°max et T°min en °C
Moyenne des précipitations annuelles
Indice d'humidité
Moyenne des précipitations du mois le plus humide en mm
Moyenne des précipitations du mois le plus sec
Moyenne des précipitations du mois le plus chaud

 

 

Ces facteurs sont beaucoup plus nombreux et prennent en compte des paramètres saisonniers.

Ce principe est encore utilisé par nombre de modélisations de biome et de modèles prospectifs sur le couvert végétal (landcover).

La corrélation entre les paramètres bioclimatiques des PFT et les observations de terrain et les synthèses en écophysiologie est encore affinée aujourd'hui.

Cependant une limitation des paramètres et du nombre de PFT furent t nécessaires pour développer des modélisations informatiques des biomes.

 

 

Modéliser des végétaux face aux changements climatiques

 

 

C'est au début des années 90 qu'apparaissent les logiciels de modélisation de biomes.

Synthèse des approches cartographiques et des PFT, ces modèles intègrent des données écophysiologiques en pointe et les bases de données et modèles climatiques.

 

Le modèle BIOME est parmi les plus en vu à cette époque et 4 générations de modélisation se succèdent entre 1992 et 2004.

Il s 'appuie sur la répartition potentielle de 14 PFT, distinguant globalement 17 biomes.

Chaque PFT est défini par des contraintes phénologiques. La combinaison locale des PFT viables donne un biome. Les frontières de ce biome sont conditionnées par la réaction d'un PFT (disparition ou apparition ) entre deux zones minimales consécutives.

Les modèles biogéographiques rendent compte de la répartition probable des PFT dans une zone selon deux types de contraintes: les contraintes écologiques et les limitations de ressources. Les contraintes écologiques sont internes à la plantes et entrée directement comme « filtre ». Les données relatives aux ressources (eau -lumière ...) peuvent quant à elle dépendre de la compétition entre différents PFT (exemple : arbres et herbacées), .

Ainsi plusieurs facteurs peuvent discriminer la prédominance entre une zone de forêt caducifoliée et une forêt semper virens européenne (voir illustration ci-dessous). Selon les modèles, ces critères différent et peuvent donc donner des répartitions différentes.

 

Selon les modèles mis en place, les choix effectués par les équipes, une même discrimination, une même frontière pourra être définie par des critères différents.

 

 modelisationPFTbiome1.jpg

Critère de discrimination de végétation au sein de 3 modèles biogéographiques
Définition du critère lié à la végétation
Modèle BIOME 2
Modèle DOLY Modèle MAPSS
plantes à feuilles caduques / persistantes Tolérance au froid, gelée, balance annuelle du carbone- sécheresse Sécheresse – tolérance au froid- température minimale de croissance Balance de carbone estivale- tolérance au froid- sécheresse estivale
 plante en C3/C4 Température Température en saison de croissance Température du sol
T° Continentale /maritime Température hivernale Minimum de température hivernale Différence de température été/hiver

 

 Cette compétition ou imbrication entre biome en zone frontière est aussi une des limites de la modélisation. Les écotomes transitionnels ne sont jamais représentés.

Ces modélisations permettent des utilisations variées et progressivement intègrent des modules aboutissant à de plus fines simulations.
 
  • le modèle Biome est couplé d'abord avec des sous-systèmes simulant dans le temps et l'espace des évolutions climatiques. Estimer les évolutions potentielles des biomes (surfaces globales, distribution, frontières) face au réchauffement global sont un des objectifs primordiaux de ces modélisations. Les différents scénarii de réchauffement sont testés et leurs répercutions probables précisées.
  
  • Selon un principe inverse, utilisant un principe d'actualisme, des données palynologiques récentes sont traduites en terme de PFT puis en terme de Biome: On parle de processus de biomisation. En prolongeant cette méthodes, les données paléopolliniques d'un continent permettent,via ce filtre des PFT, de retrouver des données paléoclimatiques.
 

Un exemple de modèle climatique:  http://pmip2.lsce.ipsl.fr/ logoPMIP.jpg

 
 
  • Intégrer des modèles plus précis de fonctionnement zonal est aussi un défi. Préciser le paramétrage des PFT non seulement en terme de données bioclimatiques mais aussi simuler des contraintes autres est une chose très complexe à l'échelle planétaire. Aussi l'intégration progressive, dans un cadre limité (2 biomes ayant une frontière commune, un vaste écosystème ), de paramètres dynamiques liés au cycle du carbone, de l'azote, du sol, de l'humidité, modifient parfois les données estimées a priori comme constantes.

L'évolution et le fonctionnement des biomes sont alors modifiées par rapport à des modélisations,  à l’échelle mondiale parfois trop réductrice.

 

Repousser les limites de la modélisation

Les modélisation d'ecosystèmes se répartissent vers 1997 en deux catégories qui vont ensuite fusionnées:

Les modèles biogéochimiques avec les cycles du carbone, azote, eau...
Les modèles biogéographiques simulant l'impact des changement climatiques sur la végétation

Carte obtenue avec MAPSS :carte mapss.jpg

l'intégration des données biogéographiques et biochimiques dans les modèles transitoires (modèle dynamique de végétation : DVGM)) pouvant illustrée les effets d'un changement climatique sont une étape importante

On peut aussi au sein de ces modèles intégrer des données dynamiques de plus en plus fines :

*Impact de l'homme : couverture végétale réelle et utilisation par l'homme des surface– effet des incendies
*Impact des parasites, des espèces introduites
*Processus dynamiques: prise en compte de la dynamique de succession des espèces, prise en compte de l'équilibre intra et interspécifique

*flux de matières au sein des écosystèmes (CO2, N,H2O,...) et impact sur et de la végétation, production primaire du biome, rythme, effet atténuateur, retardateur.
 

modèlescomparaison.jpg

représentation de biomes potentiels selon 2 modèles

 

Ainsi chaque modèle est utilisé dans un objectif qui lui est propre, intégrant nombre de données et interactions.

C'est le cas par exemple de modélisation sur le climat quaternaire qui peuvent intégrer des données liées à la glace, l'océan, aux alternances gel/dégel...

 
 
 
 
 
2)Conclusion
 

Chaque DVGM, chaque modélisation globale ou locale, est encore limitée par les facteurs qu'il ne prend pas en compte. Ainsi entre les modèles existent encore à l'heure actuelle des différences d'approche. Les modèles intègrent de très nombreux paramètres mais leurs traitements peuvent différer. L'axe principal, les modules développés, intégrés diffèrent d'un centre de recherche à l'autre.

De plus contrairement aux modèles antérieurs, les données entrées (inpout) sont au sein des modèles traités avec des sous programmes différents travaillant tous à des fréquences différentes.

Les pas de programme sont aussi difficiles à choisir : les modifications saisonnières doivent elles toutes être intégrées et répercutées systématiquement sur la végétation ? Ou est-il préférable de laisser tourner les systèmes de modifications saisonnières sur plusieurs années (5 ans) pour ensuite répercuter sur un système de simulation de végétation ?

Ainsi les modèles répercutent les effets des phénomènes selon des fréquences différentes.

Les résultats approchés peuvent varier de manière significative de ce simple fait.

IRCmodèle.jpg 

 

Les clés du fonctionnement de ce modèle: http://www.nrel.colostate.edu/projects/irc/public/Documents/Science/EcosystemProcessesDiagrams/EcosystemProcessesDiagram.htm


les modélisations prennent en compte aujourd'hui à la fois
-des bases de données de terrain de plus en plus riches
-des modules de plus en plus précis ne négligeant plus certaines données autrefois considérées comme subalternes
-des interactions entres modules autrefois sous estimées

La modélisation de plus en plus complexe nécessite aujourd'hui la participation de spécialistes de plus en plus nombreux au sein d'équipes interdisciplinaires.

 

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