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Theses Year : 2003

Improvement and Validation of the Vegetation Functioning Model ISBA-A-gs: Water Stress and CO2 Fluxes

Amelioration et validation du modele de fonctionnement de la végétation ISBA-A-gs: stress hydrique et flux de CO2

Abstract

Land surfaces schemes were developed with the aim of modelling the water and heat transfers between continental surfaces and the atmosphere. Among the components of these surfaces, the vegetation plays an important part in the dynamic of fluxes at the interface. My thesis work concerned the parameterization improvement of the surface vegetation model: ISBA-A-gs (Calvet et al, 1998). Besides solving the surface energy and water budget, this model is able to evaluate the green biomass increment of the vegetation and to estimate the leaf surface according to the climate evolution, particularly the increase of CO2 atmospheric concentration. My contribution concerned the development and the application of a water stress parameterization related to the physiological functioning of woody vegetation. I used a methodology consisting in a meta-analysis of the literature information. This methods had already been used by Calvet (2000) for herbaceous species. An application and validation work was undertaken for 3 continuous data sets from 3 European forest sites of the EUROFLUX / CarboEurope network. These data included the traditional energy budget combined with a continuous CO2 fluxes measurements. Thus and for the first time, it was possible to test the model capacity to simulate the diurnal cycle of the CO2 fluxes as well as the net annual carbon storage (Rivalland and al., 2005). Finally, I could evaluate the potentialities of a new version of the model developed by Calvet and Soussana (2001), taking into account the effect of CO2 atmospheric enrichment on the vegetation growth, associated with the soil nitrogen fertility. This model version separates the various storage compartments of the vegetation and opens prospects in modelling the complete carbon cycle and the climatic change effects on the vegetation. Along with this work, a meta-analysis and a ground experiment of nitrogen enrichment was carried out in order to determine the plasticity parameters associated with various cover types. An evaluation of the model simulations on a wheat crop was carried out by comparing the model with the INRA generic crop model STICS.
Les schémas de surface ont été développés dans le but de modéliser les échanges de chaleur et d'humidité entre les surfaces continentales et l'atmosphère. Parmi les éléments constitutifs de ces surfaces, la végétation joue un rôle important dans la dynamique des flux à l'interface. Mon travail de thèse a porté sur l'amélioration de la paramétrisation de la végétation dans le modèle de surface ISBA-A-gs (Calvet et al, 1998). Ce modèle est capable de résoudre les bilans énergétique et hydrique à la surface, de calculer la croissance de la biomasse verte de la végétation, et d'estimer sa surface foliaire en tenant compte des conditions météorologiques. Ce modèle intègre également l'effet de l'augmentation de CO2 atmosphérique dans le fonctionnement de la végétation. Mon travail a porté sur l'élaboration et l'application d'une paramétrisation de l'effet du déficit hydrique sur le fonctionnement des couverts de types ligneux. Pour cela, j'ai repris une méthodologie de type méta-analyse des données de la littérature déjà utilisée par Calvet (2000) dans le cadre des couverts de types herbacés. Un travail d'application et de validation a été mené sur 3 jeux de données continues du réseau de mesure EUROFLUX / CarboEurope correspondant à 3 sites forestiers Européens. Ces données comportent les flux du bilan d'énergie classique associés à la mesure du flux de CO2. J'ai pu de ce fait, tester pour la première fois la capacité du modèle à simuler le cycle diurne du flux de CO2 ainsi qu'à estimer le stockage annuel net de carbone sur ce type de couvert (Rivalland et al., 2005). Enfin, j'ai abordé les potentialités d'une nouvelle version du modèle développée par Calvet et Soussana (2001) dont la particularité est de prendre en compte l'effet de l'enrichissement en CO2 de l'atmosphère sur la croissance de la végétation, associé à la disponibilité du milieu en azote du sol. Cette version sépare les différents compartiments de stockage liés à la croissance de la végétation et ouvre des perspectives dans la modélisation complète du cycle du carbone et des effets du changement climatique sur la végétation. En lien avec ce travail, une méta-analyse ainsi qu'une expérimentation de terrain de fertilisation en azote a été menée dans le but de déterminer les paramètres de plasticité propres à cette version, pour différents types de couverts. Une évaluation des simulations du modèle sur une culture de blé a été menée en comparant avec le modèle de culture STICS de l'INRA.
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Cite

Vincent Rivalland. Amelioration et validation du modele de fonctionnement de la végétation ISBA-A-gs: stress hydrique et flux de CO2. Physique [physics]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009717⟩
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