Multi-year modelling and analysis of water and energy functionning of two dominant ecosystem in the agropastoral Sahel (South-West Niger)
Modélisation et analyse pluriannuelles du fonctionnement hydrologique et énergétique de deux écosystèmes dominants au Sahel agropastoral (Sud-Ouest Niger)
Résumé
The Sahel region is particularly exposed to the variability of the West African Monsoon, which may lead to dramatic socio-economical consequences. This region also has one of the highest demographic growth rates, resulting in an ever-increasing pressure on the scarce natural resources and fragile environment. In this context, a major challenge lies in our ability to provide appropriate tools for the monitoring of hydrological and vegetation resources. These tools should also be suitable for the prediction of climatic and anthropogenic impacts in the medium term. This requires a better understanding of energy and matter transfer processes at the earth-atmosphere interface. Indeed, the latter both play a role in the regulation of the monsoon and also drive the local hydrological cycle and vegetation development. The present research follows such a framework and consists specifically in analyzing the water and energy cycles in the Sahel region under the combined effects of climate and human activity. This is undertaken by developing a methodology combining the use of in situ observations and physically-based modelling. The study was conducted in the central Sahel, where traditional agricultural systems are formed by the association of pastoralism and rain-fed crops in rotation with fallow cycles. This study was based on the network of eco-hydrological and energy data acquired continuously during 7 years (2005-2012) by the South-West Niger AMMA-CATCH Observatory. Quality and consistency of these observations allowed analyzing the main features of the eco-hydrological functioning of the two main land-covers in the region: millet and fallow savannah. However, observations alone were not sufficient to compute comprehensive water and energy budgets at all the different time scales of interest (sub-daily to inter-annual). A detailed modelling of coupled water and energy cycles was therefore undertaken for these two land-covers, using the soil-vegetation-atmosphere transfer model SiSPAT. The model was first calibrated on a 2-year period, and further validated on the remaining 5-year observations, by constraining model parameters to physically realistic values. This multi-year modelling was in good agreement with the observations, and provided a precious analysis tool that integrated the relevance, richness and consistency of the dataset. Thanks to the representativeness of the studied period, results served at the different temporal scales to (1) analyze the impact of climatic variability on water and energy budgets and (2) produce a preliminary climatology for the water and energy fluxes and storages at the soil-vegetation-atmosphere interface. Similarities and differences in eco-hydrological and energy functioning between ecosystems were evidenced. For instance, evapotranspiration represented more than 80% of annual precipitations and close to half of the global radiation at the heart of the monsoon for both sites. Seasonal distribution and partitioning of evapotranspiration between soil evaporation and plants transpiration differed between the two ecosystems, as well as the runoff, and the drainage below the root zone which appeared significant for the millet field but not for the fallow site. A sensitivity analysis of the energy and water budgets to soil and vegetation characteristics was conducted. Robustness of the produced results should enable them to serve as reference for studies of water and energy processes in this region. The resulting calibrated model showed an obvious potential for prospective studies, such as those on climate change or on the evolution of agricultural practices.
Le Sahel est particulièrement exposé à la variabilité de la mousson Ouest-Africaine dont les répercussions socio-économiques peuvent prendre un caractère dramatique. Cette région est en outre confrontée à l'une des plus fortes croissances démographiques jamais observées, se traduisant par une pression toujours plus forte sur de faibles ressources naturelles et un environnement fragile. Dans ce contexte, un enjeu important se situe dans notre capacité à proposer des outils aidant au suivi des ressources hydriques et végétales, et permettant d'anticiper les impacts climatiques et anthropiques à moyen terme sur ces ressources. Pour cela, il est indispensable d'étudier et mieux comprendre les processus d'échanges d'énergie et de matière à l'interface terre-atmosphère, qui contribuent à la régulation de la mousson d'une part et gouvernent le cycle hydrologique local et le développement végétal d'autre part. Les travaux réalisés s'inscrivent dans cette problématique, portant précisément sur l'analyse des cycles de l'eau et de l'énergie en région sahélienne sous les effets combinés du climat et de l'activité humaine. La démarche s'appuie sur une méthodologie alliant observations in situ et modélisation à base physique. L'étude a été réalisée dans la région centrale du Sahel, dont le système agricole traditionnel associe pastoralisme et cultures pluviales en alternance avec la jachère. Elle s'est appuyée sur le réseau d'observations éco-hydrologiques et énergétiques acquises en continu durant 7 années (2005-2012) par l'Observatoire AMMA CATCH au Sud-Ouest Niger. La qualité et la cohérence de ces observations ont permis de dresser des grands traits du fonctionnement éco-hydrologique des deux couverts végétaux les plus répandus dans la région : cultures de mil et jachères arbustives. Les observations ne permettent cependant pas à elles seules d'établir des bilans complets aux différentes échelles temporelles d'intérêt (infra-journalière à interannuelle). Une modélisation couplée détaillée des cycles de l'énergie et de l'eau a par conséquent été élaborée pour ces deux couverts, à l'aide du modèle de transferts sol-plante-atmosphère SiSPAT. Etalonné sur une période de 2 ans, le modèle a ensuite été validé sur les 5 autres années d'observation, en contraignant les paramètres du modèle à des valeurs physiquement réalistes. En bon accord avec les observations, cette modélisation pluriannuelle s'est révélée être un outil d'analyse précieux, intégrant toute la pertinence, la richesse et la cohérence du jeu de données. La représentativité de la période étudiée a permis d'en exploiter les résultats pour (1) analyser l'impact de la variabilité climatique sur les bilans d'eau et d'énergie aux différentes échelles temporelles et (2) fournir une première climatologie des flux et stocks d'eau et d'énergie à l'interface sol-végétation-atmosphère, à ces mêmes échelles. Les similitudes et différences de fonctionnement éco-hydrologique et énergétique entre écosystèmes ont été mises en évidence. Par exemple, l'évapotranspiration représente plus de 80% des précipitations annuelles et près de la moitié du rayonnement global au cœur de la mousson pour les deux sites. Sa distribution saisonnière et son partitionnement en évaporation du sol et transpiration des plantes diffèrent néanmoins entre les deux écosystèmes, tout comme le ruissellement, et le drainage sous la zone racinaire. Ce dernier apparaît significatif pour le champ de mil mais pas pour la jachère. Une analyse de sensibilité des processus aux caractéristiques du sol et du couvert a été réalisée. La robustesse des résultats produits devrait leur permettre de servir de référence pour les études des processus hydrologiques et énergétiques dans cette région. La modélisation ainsi construite présente un potentiel évident pour des études prospectives, relatives notamment au changement climatique ou à une évolution des pratiques agricoles.