Constraining large-scale photosynthesis and transpiration fluxes in a biosphere model through data assimilation of in situ flux measurements including carbonyl sulfide
Contraindre les flux de photosynthèse et de transpiration à grande échelle dans un modèle de biosphère par assimilation de mesures de flux in situ dont l'oxysulfure de carbone
Résumé
Gross primary production (GPP), the photosynthetic absorption of atmospheric CO2 by continental vegetation, plays a critical role in climate mitigation. In parallel, transpiration, the emission of water by plants, returns a significant portion of land precipitation to the atmosphere. Despite GPP being the largest carbon cycle flux and transpiration the largest component of terrestrial evapotranspiration, their global estimates and responses to climate change remain uncertain. Therefore, this research aims to enhance the simulation of GPP and plant transpiration in a land surface model (LSM), ORCHIDEE. First, I investigated the use of carbonyl sulfide (COS) measurements, an atmospheric gas absorbed by plants similarly to CO2, to constrain GPP and plant transpiration in ORCHIDEE. This involved implementing a model for soil COS exchanges, complementing the existing vegetation COS uptake model. This development enabled the simulation of ecosystem COS fluxes from the site to the global scale and provided new estimates of vegetation and soil contributions to the global atmospheric COS budget. Notably, this study highlighted the importance of considering that oxic soils can emit COS in addition to absorbing COS, and that anoxic soils can produce significant amounts of COS (96 GgS y-1), offsetting much of the net oxic soil COS uptake (-126 GgS y-1), and resulting in a total global net soil uptake of -30 GgS y-1. With these developments, in situ measurements of ecosystem COS fluxes have been used to optimize the parameters of ORCHIDEE through data assimilation (DA) techniques. Therefore, in a second phase, I assimilated the longest time series of ecosystem COS flux from the Hyytiälä boreal evergreen needleleaf forest in Finland to optimize parameters involved in GPP and plant transpiration simulation. Comparing a joint assimilation or independent assimilations of COS and GPP data showed that assimilating COS along with GPP data improves the simulated latent heat flux (LE) as well as GPP, unlike the GPP-only assimilation. Upscaling the optimized parameters across the boreal evergreen needleleaf forest biome increased COS uptake in high latitudes, aligning with independent studies. Then, in collaboration with other researchers, I worked on atmospheric concentrations of COS and CO2 to constrain surface COS fluxes, GPP, and respiration. Finally, as the evaluation of COS constraint on the simulated GPP and LE during a drought event revealed structural errors in the simulated fluxes uncorrected by DA, the final part of my PhD focused on improving the representation of vegetation response to drought events in ORCHIDEE. To this end, I assimilated GPP and LE data at over 40 sites capturing recent drought years across Europe. This work demonstrated that the parameter determining stomatal closure speed during soil moisture stress, influencing both GPP and transpiration, could be defined as a function of long-term vapor pressure deficit conditions. Implementing this response in ORCHIDEE allows better consideration of site-specific vegetation responses to droughts and vegetation acclimation capacity. Finally, I performed projections to assess the impact of this new response under future climate. Overall, this research supports using COS as a proxy for GPP and transpiration, advocating for more COS flux and concentration measurement campaigns to refine LSM parameterization. It also suggests future avenues to improve GPP and plant transpiration representations in LSMs by accounting for plants' ability to acclimate in their response to climate change.
La production primaire brute (GPP), absorption photosynthétique du CO2 atmosphérique par la végétation, joue un rôle crucial dans l'atténuation du changement climatique. La transpiration, émission d'eau par les plantes concomitante à la GPP, renvoie une part significative des précipitations terrestres dans l'atmosphère. Bien que la GPP soit le plus grand flux du cycle du carbone et que la transpiration soit la principale composante de l'évapotranspiration terrestre, leurs estimations globales et leurs réponses au changement climatique demeurent incertaines. Cette recherche vise donc à améliorer la simulation de la GPP et de la transpiration dans un modèle de surfaces continentales, ORCHIDEE. J'ai exploré l'utilisation de mesures d'oxysulfure de carbone (COS), un gaz atmosphérique absorbé par les plantes de manière similaire au CO2, pour contraindre la GPP et la transpiration dans ORCHIDEE. J'ai tout d'abord implémenté un modèle des échanges de COS par les sols, complétant le modèle existant d'absorption de COS par la végétation. Ce développement a permis de simuler les flux de COS de l'écosystème à différentes échelles et de fournir de nouvelles estimations des contributions de la végétation et des sols au budget global du COS. Cette étude a montré l'importance de considérer la capacité des sols oxiques à émettre du COS en plus de leur absorption, et que les sols anoxiques peuvent produire des quantités significatives de COS (96 GgS/an), compensant en grande partie l'absorption nette de COS par les sols oxiques (-126 GgS/an), résultant en une absorption nette totale des sols de -30 GgS/an. Avec ces développements, des mesures in situ de flux de COS de l'écosystème ont pu être utilisées pour optimiser les paramètres d'ORCHIDEE via des techniques d'assimilation de données (DA). J'ai assimilé la plus longue série temporelle de flux de COS de l'écosystème de la forêt boréale de Hyytiälä en Finlande, afin d'optimiser les paramètres impliqués dans la simulation de la GPP et de la transpiration. La comparaison entre une assimilation conjointe ou indépendantes des données de COS et de GPP a montré que l'assimilation des données de COS en plus de celles de GPP améliore à la fois le flux de chaleur latente (LE) et la GPP simulés, ce que ne permet pas l'assimilation de la GPP seule. L'application des paramètres optimisés à l'ensemble de ce biome boréal a augmenté l'absorption de COS dans les hautes latitudes, en accord avec des études indépendantes. Ensuite, en collaboration avec d'autres chercheurs, j'ai travaillé sur les concentrations atmosphériques de COS et de CO2 pour contraindre les flux de COS de surface, GPP, et respiration. Enfin, l'évaluation de la contrainte apportée par le COS sur la GPP et le LE simulés lors d'une sécheresse ayant révélé des erreurs structurelles non corrigées par la DA, la dernière partie de ma thèse s'est concentrée sur l'amélioration de la représentation de la réponse de la végétation à un stress hydrique. J'ai assimilé des données de GPP et de LE sur plus de 40 sites enregistrant les récentes années de sécheresse en Europe. Ce travail a montré que le paramètre déterminant la vitesse de fermeture stomatique pendant un stress hydrique pouvait être défini en fonction des conditions à long terme de déficit de pression de vapeur. L'implémentation de cette réponse dans ORCHIDEE permet de mieux prendre en compte la diversité de réponse de la végétation aux sécheresses et sa capacité d'acclimatation. Enfin, j'ai réalisé des projections pour évaluer l'impact de cette nouvelle réponse dans un climat futur. En conclusion, cette recherche encourage l'utilisation du COS comme proxy pour la GPP et la transpiration, et préconise davantage de mesures de flux et de concentration de COS pour affiner la paramétrisation des modèles. Elle suggère également des pistes pour améliorer la GPP et la transpiration simulées dans les modèles en tenant compte de la capacité des plantes à s'acclimater face au changement climatique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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