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

Le territoire rural est comme une mosaïque composée de cultures, de forêts, de haies ou encore de routes. Cette hétérogénéité du paysage génère une variabilité spatiale des flux de chaleur et des mouvements d'air plus ou moins chargés d'humidité, et ce à différentes échelles allant du millimètre au kilomètre. Ces échanges influent localement sur le climat, créant des zones mieux adaptées aux conditions climatiques extrêmes et des zones plus critiques.

Comprendre cette complexité microclimatique est essentielle pour développer des stratégies agricoles qui en tirent parti, afin d'atténuer les extrêmes climatiques. Par exemple, les systèmes agroforestiers qui intègrent des arbres dans les cultures permettent de limiter l'évaporation du sol, d'atténuer le vent et les pics de chaleur, créant ainsi des conditions favorables aux cultures. Étudier cette variabilité microclimatique nécessite d'obtenir des prédictions météorologiques à une échelle très fine, dans lesquelles les échanges entre la végétation et l'atmosphère jouent un rôle essentiel.

Pour simuler la micro-météorologie à l'échelle des paysages agricoles, des chercheurs d'INRAE ont pris comme modèle une parcelle forestière de 5 x 5 km. À l'aide du supercalculateur Juliot-Curie du CEA, ils ont produit durant plusieurs mois pas moins de 7,5 To de données qui équivalent à 26 jours de calcul en continu, pour une simulation représentant les échanges de masse et d'énergie durant 5 h. 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.

La simulation a permis de représenter l'évolution des flux de masse et d'énergie au-dessus du couvert forestier durant le début de la matinée, de 4 h à 9 h du matin, une période complexe et peu abordée 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 de l'atmosphère¹se développe et s'épaissit, mélangeant ainsi tous les composés émis par la surface, dont les polluants. 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 vent faible ou de vent fort. Avec cette simulation, les chercheurs ont reproduit pour la première fois, dans des conditions de vent faible, un rejet massif de CO2 par la forêt en début de matinée, qui est dû à son accumulation dans l'air du sous-bois durant la nuit.

Ce type de simulations ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer la représentation des échanges de surface dans les modèles météorologiques et climatiques. En effet, l'utilisation de modèles ne prenant pas en compte l'hétérogénéité des surfaces peut conduire à des erreurs de prédiction des conditions météorologiques à l'échelle territoriale.

Des travaux de thèse sont actuellement en cours pour 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.

[1] Interface entre la surface terrestre et l'atmosphère libre, qui est sous influence directe des processus terrestres.