Des prédictions micro-météorologiques à l’échelle de la parcelle agricole

Bientôt des prédictions météorologiques à l’échelle de la parcelle qui prennent en compte les échanges entre la végétation et l’atmosphère ? Dans une étude publiée dans Journal of Atmospheric Sciences, des chercheurs de l’INRAE révèlent avoir franchi une étape décisive dans ce projet grâce au suivi de l’évolution des conditions météo du début de la matinée. Cette période, peu abordée à ces échelles, est en effet cruciale pour les prévisions relatives au fonctionnement des écosystèmes cultivés.

Pour parvenir à une prévision fine d’un territoire, les scientifiques ont pris comme modèle une parcelle forestière d’une surface de 25 km² (5 x 5 km). Un travail de simulation a été entrepris et a consisté à représenter l’évolution des flux de masse et d’énergie au-dessus du couvert forestier, entre 4 h et 9 h du matin, une période complexe à cause de sa forte variabilité temporelle liée au réchauffement de la surface. C’est en effet au cours de la matinée que la couche limite atmosphérique (CLA), qui correspond à l’interface entre la surface terrestre et l’atmosphère libre, se développe et s’épaissit.

L’étude de cette partie inférieure de l’atmosphère est très importante, car elle est sous l’influence directe des processus terrestres et dépend non seulement des paramètres météorologiques (vent, température, humidité…), mais aussi de la topographie et du type d’environnement (océan, paysage rural, urbain…). Elle est actuellement un maillon important de la physique des modèles de prévision et de climat. Ceux qui ne prennent pas en compte ce paramètre peuvent conduire à des erreurs de prédiction des conditions météorologiques à l’échelle territoriale.

Pour réaliser la simulation sur la parcelle forestière, le supercalculateur Juliot-Curie installé au sein du TGCC (Très grand centre de calcul) du CEA a été utilisé par les auteurs de cette étude. Durant plusieurs mois, il a permis d’accumuler 7,5 To (téraoctet) de données, soit l’équivalent de 26 jours de calcul en continu, pour une simulation représentant les échanges de masse et d’énergie durant 5 h (de 4 h à 9 h du matin). Cette quantité massive d’informations a permis l’obtention d’une résolution spatiale et temporelle extrêmement fine, de l’ordre du mètre et de la milliseconde, respectivement.

Quantifier un rejet massif de CO2 par la forêt en début de matinée

Les chercheurs ont identifié des différences dans les échanges (en termes de mouvements des masses d’air, flux de chaleur et d’évaporation) entre la forêt et l’atmosphère dans des conditions de vents faible ou fort. Parmi les résultats obtenus, ils sont parvenus à reproduire pour la première fois, dans des conditions de vent faible, un rejet massif de CO2 par la forêt en début de matinée. Il est dû à son accumulation dans l’air du sous-bois durant la nuit, en raison de la respiration des plantes et du sol et de la faible turbulence au sommet de la canopée, limitant les échanges avec l’atmosphère au-dessus.

Cette étude va se poursuivre grâce à des travaux de thèse dans le but d’étendre ces simulations à des paysages plus complexes, afin d’étudier la micro-météorologie dans des environnements associant cultures et forêts, caractérisés par des reliefs vallonnés, ainsi que dans des systèmes agroforestiers. L’objectif est de quantifier l’impact des hétérogénéités du paysage sur le microclimat et d’identifier des stratégies d’aménagement des paysages agricoles visant à atténuer les effets du changement climatique sur les cultures.

La compréhension de la complexité microclimatique est essentielle pour développer des stratégies agricoles qui en tirent parti, afin d’atténuer les extrêmes climatiques. Avec ses cultures, ses haies, ses forêts, mais aussi ses routes, le territoire rural offre une hétérogénéité qui génère une variabilité spatiale des flux de chaleur et des mouvements d’air plus ou moins chargés d’humidité. Ces échanges influent localement sur le climat, créant des zones mieux adaptées aux conditions climatiques extrêmes et des zones plus critiques. C’est le cas par exemple des systèmes agroforestiers qui intègrent des arbres dans les cultures et qui permettent de limiter l’évaporation du sol, d’atténuer le vent et les pics de chaleur, créant ainsi des conditions favorables aux cultures.