Modélisation dynamique de la végétation, couplage au climat

Pour modéliser la biosphère terrestre et sa réponse aux changements climatiques et de la pCO₂, il est impératif de représenter correctement les stocks et flux globaux de carbone, avant de pouvoir les discrétiser sur grille spatiale compatible avec les modèles climatiques. La biosphère terrestre est constituée du stock correspondant aux végétaux continentaux (350-550 GtC à comparer au 3 GtC de la biosphère océanique) auquel il faut ajouter la matière organique des sols (1500-2400 GtC).

Dans les modèles numériques, il faut tenir compte des pertes en CO₂ de l’atmosphère par la production primaire brute, que compensent globalement des flux inverses liés à la respiration des plantes autotrophes et des organismes hétérotrophes des sols, ainsi que des termes plus petits comme les combustions naturelles.

Des lois empiriques sont utilisées pour représenter numériquement les processus biologiques et physiologiques aux échelles macroscopiques. Ces paramétrisations concernent notamment la réponse de la productivité primaire en fonction de la pCO₂, ainsi que les effets de la température et de l’humidité sur la respiration hétérotrophique dans les sols.

L’extension géographique de la végétation est connue, notamment par télédétection, mais il faut aussi subdiviser la biosphère en différents types fonctionnels de plantes (PFT) pour chaque maille de la grille numérique du modèle. Des paramétrisations spécifiques aux PFT sont utilisées pour représenter les processus affectant les échanges de carbone et d’eau, ainsi que des éléments comme l’azote.

Les modèles dynamiques de végétation globale (DGVM) sont utilisés depuis les années quatre-vingt-dix pour simuler l’évolution temporelle et spatiale de la production primaire et des stocks de carbone de la végétation et des sols, ainsi que pour calculer son impact sur la pCO₂ atmosphérique. La comparaison données-modèles pour le cycle saisonnier de la pCO₂ fournit une validation au premier ordre des échanges de carbone. Des tests des modèles sont réalisés ponctuellement pour les sites d’expérimentation en atmosphère libre (FACE).

Les modèles DGVM sont ensuite utilisés en mode transitoire, en les perturbant par les variations observées au cours des dernières décennies pour le climat, notamment températures et précipitations, ainsi que pour la pCO₂ atmosphérique. Les simulations des d’une dizaine de groupes de modélisation ont été comparées et compilées pour la période de 1990 à 2010. Pour ces deux décennies la biosphère terrestre est un puits dont l’intensité brute est de 2,4 GtC/an. Ce puits augmente légèrement sur la période en raison de l’effet de fertilisation par le CO₂ notamment sous les tropiques.

Une étape supplémentaire dans la modélisation est de coupler modèle climatique et modèle représentant le cycle du carbone, notamment la végétation terrestre (DGVM). Une vingtaine de modèles du système Terre (ESM pour Earth System Model) ont été utilisés dans le cadre d’un programme international (CMIP5).

Pour le dernier siècle, ces modèles ESM sont perturbés par les variations des forçages climatiques naturels (e.g. volcans, soleil) et anthropiques (gaz à effet de serre). Les variations climatiques simulées sont globalement en accord avec les observations de la température atmosphérique de surface. Les ESM servent aussi à calculer les flux de carbone entre l’atmosphère et la biosphère terrestre. Le flux brut vers la biosphère terrestre augmente progressivement depuis les années soixante. Ce puits biosphérique brut fluctue entre 2 et 3 GtC/an au cours de la période 1990-2010, avec des valeurs extrêmes (3 à 4 ou 1 à 0) correspondant à la variabilité ENSO et aux éruptions volcaniques.

Il est possible de se projeter dans le futur en perturbant les modèles numériques avec une augmentation de la pCO₂ liée à la poursuite de la combustion des fuels fossiles. Pour un scénario intensif avec augmentation de la pCO₂ jusqu’à 800 ppm en 2 100 suivie d’une stabilisation jusqu’en 2200, le climat simulé se réchauffe globalement de 4 ^°C et présente une légère augmentation des précipitations continentales avec de forts contrastes suivant les zones géographiques. Les modèles de végétation répondent par des larges fluctuations régionales des types de plantes, et des changements importants de la productivité nette des écosystèmes : augmentation aux moyennes et hautes latitudes et diminutions pour certaines régions tropicales comme l’Amazonie.

Afin de mieux comprendre les influences respectives du climat et de la pCO₂, il est possible de séparer artificiellement les deux effets dans les modélisations numériques. L’impact du CO₂ seul se traduit par une fertilisation généralisée à toutes les zones. L’impact du climat seul présente plus de contrastes avec quelques augmentations localisées, mais surtout des baisses de productivité sous les tropiques. Le bilan de ces changements se traduit par une évolution de la production primaire nette, avec une forte augmentation liée à l’effet dominant du CO₂, faiblement compensé par l’effet climatique. Pour compléter le bilan du carbone, il est nécessaire de prendre en compte les variations de la respiration des sols qui augmente à cause de l’impact climatique. Néanmoins, la biosphère se comporte toujours comme un puits pendant la période simulée, mais son intensité s’éroderait à partir de 2050.

Dans le cadre du programme CMIP5, une dizaine de modèles ESM ont été utilisés pour calculer l’impact du cycle du carbone sur la pCO₂ atmosphérique et pour évaluer l’éventuelle rétroaction sur le climat lui-même. Globalement, les rétroactions du couplage climat-carbone conduisent à une augmentation de la pCO₂ atmosphérique par rapport au forçage de la simulation climatique non couplée. Au bout d’un siècle, le réchauffement est donc un peu plus important que pour la simulation non couplée, traduisant une rétroaction climatique systématiquement positive (i.e. amplification de la perturbation).