Stabilité et résilience du socio-écosystème forestier d’Amazonie
Stabilité et résilience du socio-écosystème forestier d’Amazonie face aux perturbations climatiques et anthropiques
Stabilité et résilience du socio-écosystème forestier d’Amazonie face aux perturbations climatiques et anthropiques
L’équilibre des écosystèmes forestiers tropicaux est fortement perturbé par le changement climatique, ce qui se manifeste notamment par l’augmentation en fréquence et en sévérité d’événements extrêmes des feux de forêt : surfaces brulées plus étendues, saisons des feux plus précoces… La préservation des écosystèmes forestiers tropicaux constitue donc un défi sociétal et scientifique majeur. L’objectif principal de ce projet est de proposer un nouveau modèle de dynamique de forêt qui intègre l’impact des événements extrêmes, et d’en étudier les propriétés.
A gauche : visualisation de données de biomasse du programme MODIS pour la forêt d’Amazonie. A droite : confrontation du modèle mathématique (en rouge) avec les données de biomasse (en vert).
Questions et outils mathématiques
Malgré le développement récent de modèles mathématiques de végétation, la modélisation de la dynamique des forêts tropicales reste particulièrement difficile, en partie en raison de la grande variabilité spatiale des espèces végétales, et de la difficulté à obtenir des données à long terme sur les paramètres qui caractérisent la distribution, l’âge et la croissance des arbres.
Ce projet vise à modéliser la dynamique de la forêt tropicale par une approche hybride. D’une part, l’évolution biologique de la forêt est décrite par un modèle déterministe, c’est à dire que le système évolue selon des lois données, réagissant toujours de la même façon à un événement. Cette composante déterministe est décrite par un système d’équations aux dérivées partielles de type réaction-diffusion, traduisant le fait que les espèces se transforment et se répandent dans l’espace.
D’autre part, l’impact des événements extrêmes est pris en compte par le biais d’un modèle prenant un caractère aléatoire qui est décrit par un processus probabiliste discret. Le modèle hybride résultant du couplage définit l’évolution dans le temps et l’espace de l’écosystème forêt-climat, dont le comportement est difficile à analyser. Les méthodes classiques d’analyse des équations aux dérivées partielles sont donc complétées par des méthodes computationnelles issues de l’informatique fondamentale.
Premiers résultats et perspectives
Les chercheurs se sont attachés à caractériser les équilibres du modèle proposé, c’est à dire les états vers lequel l’écosystème peut naturellement évoluer puis se stabiliser. Ils ont également étudié la capacité du système à se maintenir dans cet état d’équilibre lorsqu’il subit des perturbations.
Dans un premier article, la stabilité des trajectoires du modèle mathématique a été analysée, et des simulations numériques ont été réalisées. Les auteurs ont montré que l’écosystème forestier a une forte tendance à converger vers des équilibres hétérogènes, dont le niveau de stabilité est modifié sous l’effet des perturbations climatiques. Dans un second article, les chercheurs ont montré que les équilibres de l’écosystème forestier présentent un caractère chaotique en espace, qui rend difficile leur prédiction, même dans un futur proche.
Dans le prolongement de ces travaux théoriques, le projet prévoit une estimation des paramètres du modèle par confrontation aux données d’observation, notamment produites dans le cadre des programmes satellitaires Treecover et TerraClimate.
Ce projet associe d’autres chercheurs de Nantes Université (Benoît Delahaye), du CNRS (Géraldine Derroire) et du Cirad (Camille Piponiot), ainsi qu’une post-doctorante (Lu Li) financée par l’iMPT.
