topoclimat lebourgeois 2006 pdf - ressources permaculture

Cours ENGREF FIF1

cours n°2

Bioclimatologie

Topoclimat

F. Lebourgeois

Enseignant-Chercheur

UMR ENGREF-INRA 1092 LERFOB - Equipe Ecologie Forestière

[email protected]

Plan de l�’exposé

2. Variations des températures selon...L�’altitude

L�’exposition

1. Topoclimat et paramètres topoclimatiques

3. Variations des pluies selon l�’altitude

4. Variations du bilan radiatif selon l�’altitude et l�’exposition

5. Topoclimat et comportement des essences

Topoclimat…

vous avez dit topoclimat ?

Topoclimat

Introduction

… est une ambiance climatique particulière liée principalement auxirrégularités du relief et à l’altitude

… l�’échelle spatiale est de l’ordre de 10 km en plaine et 1 km en montagne

Qu�’est ce qu�’un topoclimat ? (p.1)

Pas de cartographie… réseau météorologique insuffisant (données 1984)

40

35

30

25

20

15

10

5

500-700

700-900

> 1500

900-110

0

1100-13

00

1300-15

00

Alpes (210 postes)

Massif Central (267 postes)

Pyrénées (60 postes)

Topoclimat

Introduction

Les paramètres topoclimatiques ?

Lac des Bouillouses ((Pyrénées Orientales ; 2000-2400 m)

altitude Exposition

Nord = ubac Sud = adret

Col de Puymorens (Ariège)

Pente

Modification du bilan d�’énergie…

TempératurePrécipitationEnsoleillementPression atmosphérique...

Topoclimat

Que se passe-t-il quand l�’altitude augmente ?

• La température

(fréq. des gelées, SdV…)

• La pression atmosphérique

• Le degré hygrométrique

• Les précipitations

(pluie, neige…)

• Le rayonnement

• L�’amplitude thermique

Potentialités forestières

Choix des essences en reboisement RTM

(Pin cembro, Mélèze, Pin à crochets, Pin sylvestre, Epicéa…)

Effet de l�’altitudesur la température

Topoclimat

Variation thermique et altitude

Quelles sont les variations observées ? (p.7 à 9)

La température décroît linéairement avec l�’altitude

L�’amplitude des variations varie selon :

• la région (latitude)

• la saison

• l�’exposition

Tmin = -0,45 °C / 100 m

Tmax = -0,44°C / 100 m

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Altitude (en m)

T (°C)

La grande Chartreuse (1951-1980)

Topoclimat






• la saison


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

J F M A M J Ju A S O N D

Alpes du Sud

Alpes SuissesMassif Central

maximum au printempsminimum en hiver

Topoclimat






• la saison


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

jan fév mars avr mai juin juil août sept oct nov déc

Gradient (°C/100 m)

Nord

Sud

Premier chaînon du Jura(Ebener 2000)

Topoclimat






• la saison


Jan Fév Mars Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Année

0,4 0,5 0,63 0,70 0,70 0,66 0,61 0,38 0,55 0,49 0,41 0,37 0,54

Moyenne pour les montagnes françaises

Topoclimat

Air saturé

2 : saturation de l�’air…. Condensation (pluie)… dégagement de chaleur (-0,5°C/100 m adia. Humide)

2

2-0,5°C

Conséquence 1 : l�’effet de foehn - Principes (p. 9)

T = 15°C

altit ude

température 15°C

1 : l�’ air humide s�’élève le long de la montagne… détente… refroidissement... -1°C/100 m (adia. Sèche)

1

-1°C/100 m

Base nuage amont

1

3 : franchissement du sommet… descente des masses d�’air le long du versant

3

3 sommet

4

+1°C/100 m

Base nuage aval

4

4 : compression de l�’air… augmentation de la pression… réchauffement… comme la masse d�’air a perduune partie de son eau… la condensation disparaît à une altitude plus élevée… +1°C/100 m

20°C

T = 20°C

Air sec

En aval… T. plus élevée, pluie moins abondante, plus fort ensoleillement


Ouest Est

Topoclimat

Nancy (212)

Laneuveville (240)

Ram

bervillers (290)

760

723 850

80010041036

1139

2000

Mirecourt (289)

Epinal (340)

Luxeuil (271)

Pouxeux (350)

1105

Gerardmer (665)

St Dié (340)

1443

Vermont (600)

1870

1780

15341526

Xonrupt (700)

Crêtes (1300)

Lac Noir (950)

1258

700944

582

Munster (381)

Kayserberg (300)

Strasbourg (150)

Colmar (220)

610

Plaine Lorraine VosgesMoyennes

Plaine d'AlsaceHautes VosgesBassesVosges

Nancy ColmarT année 9,6 10,2T été 17,2 18,4Tmax > 25°C Eté 29 40

P année 760 581P hiver 191 108P été 201 189

Insol 1650 1723

Conséquence 1 : l�’effet de foehn - Exemple des Vosges (p. 11)Variation thermique et altitude

Topoclimat

Conséquence 2 : Augmentation du nombre de jours de gel (p. 16)

Jour de gel = Tmin < 0°C


Nb = 0.052x + 78.859R2 = 0.445

0

50

100

150

200

250

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000

Altitude (m)

Nb

jour

s ge

lées

(H

iver

)

N = 78 stations météorologiquesRéseau RENECOFOR15 à 1850 m

+ 5 jours / 100 m

Topoclimat

Conséquence 2 : Augmentation du nombre de jours de gel (p. 16)

0

50

100

150

200

250

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Altitude (en m)

Pyrénées

+ 8 jours par 100 m

0

50

100

150

200

250

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Altitude (en m)

Alpes

+ 8 jours par 100 m

0

50

100

150

200

250

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Altitude (en m)

Jura

+ 13 jours par 100 m

0

50

100

150

200

250

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Altitude (en m)

Vosges

+ 6 jours par 100 m

Nb de jours de gel souvent > 130 jours au dessus de 1000 m (1 jour sur 3)Faibles altitudes… gelées hivernalesHautes altitudes… gelées de printemps et estivales possibles

Jour de gel = Tmin < 0°C


Topoclimat

Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétation (p.17)

Processus de débourrement des arbres

Fin d�’hiver… début du printempsaction des températures de forçage :accumulation de «�degrés-jours�»au dessus d�’un «�seuil utile�»

(seuils: 2 à 5°C)(ontogénèse)

Hiver… dormance

Activation des «�processus�» internes… levée progressive de la dormance

(sans signe extérieur visible)

Printemps…Somme des degrés-joursnécessaire atteinte…débourrement des arbres

Seuil de 3°C490°C jour pour Abies alba (Sapin pectiné)540°C jour pour Pseudotsuga menziesii (Douglas)

600 °C jour pour Picea abies (Epicéa commun)


Topoclimat


Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétationExemple du réseau RENECOFOR (Lebourgeois et Godfroy 2005)

48 Feuillus

42 Résineux

Topoclimat


Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétationExemple du réseau RENECOFOR (Lebourgeois et Godfroy 2005)

dd10 = 0.0229 (Alt) + 100.65

R2 = 0.44 ***

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Altitude (en mètres)

Dat

e de

déb

ourr

emen

t (dd

1)Débour. : - 2 jours / 100 m LSV = -3jours/100 m

Topoclimat


Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétationExemple du réseau RENECOFOR (42 feuillus-moyenne 1997-2003)

Paramètre Equation avec la…(r²)

Temp. moy. annuelle (°C) Temp. moy. de mars (°C)

LSV99 =59.8333 + 10.7525 (T) ; (0.506) =101.341 + 9.8999 (T) ; (0.548)

LSV19 =54.3763 + 12.1762 (T) ; (0.483) =100.9134 + 11.2685 (T) ; (0.529)

LSV11 =56.2892 + 10.5385 (T) ; (0.375) =95.3167 + 9.9078 (T) ; (0.424)

LSV91 =60.5516 + 9.1302 (T) ; (0.308) =94.5901 + 8.5582 (T) ; (0.346)

LSV99 = 10.058 (T) + 99.408

R2 = 0.5303

100

120

140

160

180

200

220

240

260

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Température moyenne mars ( en °C)

Dur

ée d

e la

sai

son

de v

ég. (

LSV

99)

+10 jours / degré

Topoclimat


Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétationExemple du réseau RENECOFOR (42 feuillus-moyenne 1997-2003)

Feuillus de « plaine » - Moyenne 1997-2003Feuillus de « plaine » - Moyenne 1997-2003

LSV19 =255.25 -0.038 (LSV19 =255.25 -0.038 (ALTALT ) - 2.595 () - 2.595 (LATLAT ) + 5.71 () + 5.71 (TxTx Mars Mars ))r² = 78%r² = 78%précision de la prédiction = 8 à 9 joursprécision de la prédiction = 8 à 9 joursdurée moyenne saison végétation : 193 joursdurée moyenne saison végétation : 193 jours(hêtre : 180 j ; chênes : 200 j)(hêtre : 180 j ; chênes : 200 j)

(Lebourgeois et (Lebourgeois et Godfroy Godfroy 2005)2005)

Topoclimat

Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétation(p. 20)

• Formule de Langlet (Bouvarel 1961 ; Nanson 1967)

N = 514,18 - 5,85 L - 0,0736 H + 0,000365 LH

• Formule de Wiersma (in Arbez 1969)

N = 510 - 5,75 (L + H/100)

N = durée de la saison de végétation

L = latitude (en degré et décimales)

H = altitude en mètres


Par rapport aux feuillus de plaine Par rapport aux feuillus de plaine Surestimation moyenne Surestimation moyenne d�’un moisd�’un mois

Topoclimat

Conséquence 3 : Diminution de la longueur de la saison de végétation(p.20 - 21)

1400

• Puy de Dôme (T > 6°C)… -7 à -15 jours

400

600

800

1000

1200

270

240

215

195

180

165

• Hêtraies en Allemagne… - 7 jours par 100 m

184 jours à 200 m… 152 jours à 1000 m

Durée de la période de végétation 0 m 293 jours 1000 m 190 jours 2000 m 85 jours

• Haute-Ardèche T > 7°C (Oswald 1969)


Effet de l�’altitudesur le rayonnement

Topoclimat

Variation rayonnement et altitude

(Piedallu et Gégout 2006, «�A multiscale approach for radiation modelling, Ecological Modelling, soumis)

Estimation d�’après un modèle de radiation solaire... Gradient par 100 m

0

200

400

600

800

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Altitude (m.)

Mars JuinR

adia

tion

(MJ /

m²)

Décembre

+ 4,4 MJ/m²+ 4,4 MJ/m²

+ 14,7 MJ/m² + 14,7 MJ/m²

Effet de l�’altitudesur les précipitations

Topoclimat

«�Principes�» de l�’augmentation de la pluviosité avec l�’altitude…

• augmentation plus rapide quand la pente est forte

• augmentation plus marquée quand le vent pluvieux souffle

perpendiculairement à la direction du versant

• dépend de la température initiale et de son humidité

Variation pluviom

étrique et altitude

(p. 29)

Année : + 76 mm / 100 m

Saison Végétation : + 36 mm / 100 m0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Altitude (en m)

Pluie (en mm)

Massif de la Grande Chartreuse

Dans les Alpes du Nord…. +30 à +60 mm / 100 m

Vosges:

• Opposition Versants lorrain et alsacien

• Versant lorrain (21 stations, 260 à 1150 m)

Pluie annuelle = 1.264 (alt) + 616 mm

=> env. 100 à 120 mm/100 m

Effet de l�’expositionsur la température

Topoclimat

Variation thermique et exposition

Variations saisonnières entre ubac et adret (p. 23)

J F M A M J Ju A S O N D

25

20

15

10

5

0

-5

Montagne de Lure (Alpes de Haute-Provence)Deux postes à 1600 m (Douguedroit 1987)

Température maximaleVersant sud (adret)Versant nord (ubac)

∆ (adret/ubac) = + 3,5°Cmax en hiver et au printemps

Température minimaleVersant sud (adret)Versant nord (ubac)

∆ (adret/ubac) = + 0,5°C

En moyenne :∆ (adret/ubac) = + 2 °C

Topoclimat

Variation thermique et exposition Forêt en Bourgogne calcaire

Année 1971 - postes à 450 m (Bugnon et al. 1974)

Frênaie-tillaie-érablaieà scolopendre (3)

Chênaie pubescente àbuis dominant (2)

Chênaie charmaiede plateau (1)

Automne Hiver Printemps Eté

Nord (1)Tmax

Sud (2)

-0,5 -1,3 -1,8 -0,5

+1 +3,0 +4,0

Nord (1)Tmin

Sud (2)

-1,6 -1,2 -1,4 -0,6

+0,5 +0,5 +1,5Sud : ∆ = + 3 à 5 °C

Nord : ∆ = -1 à -2 °C

Variations saisonnières entre ubac et adret (p. 24)

Effet de l�’expositionsur le rayonnement

Topoclimat

Relief et bilan radiatif

Bilan radiatif et pente… (p. 33 et 37)

Outre l�’effet de la latitude et de la saison, l�’intensité de l�’énergie solaire reçuepar une surface dépend fortement de la pente et de l�’exposition...

Energie reçue : CD >> BC >> AB

Topoclimat


Comparaison pente/expo au printemps...

Rad

iatio

n (M

J/m

²)Mars

0100200300400500600

0 20 40 60 80Pente (°)

Nord

Sud

Est

(Piedallu and Gégout 2006, «�A multiscale approach for radiation modelling, Ecological Modelling, soumis)

50° (50° ( envenv. 120%). 120%)

Sud Sud / / Nord Nord : : x5x5

20° (20° ( envenv. 36%). 36%)

Sud Sud / / Nord Nord : : x2x2

Bassin de Cornimont - Vosges 2.4 km²

Topoclimat


Comparaison printemps / été

mars juin

Nord0 400 700 x 1,7

20 300 600 x 2

40 120 480 x 4

60 50 300 x 6

pente (°) ∆

0 400 700 x 1,7

20 500 650 x 1,3

40 550 650 x 1,2

60 500 500 id

Sud

Versant Sud / NordVersant Sud / Nord

•• ∆∆ maxmax printemps/hiver printemps/hiver

•• ∆ ∆ augmente avec la penteaugmente avec la pente

•• 2 à 5 fois plus d ’énergie 2 à 5 fois plus d ’énergie

(20 à 120% de pente)(20 à 120% de pente)

(Piedallu and Gégout 2006, «�A multiscale approach for radiation modelling, Ecological Modelling, soumis)

Topoclimat


Bilan radiatif et pente…

800

600

400

200

Rg (W

/m²)

Bassin Versant d�’Aubure (Vosges)(Thèse Biron 1994)

288 289 290

Exposition Nord-Est

Exposition Sud-Est

∆Rg = 250 W/m²

0,4

0,3

0,2

0,1 Transpiration (mm/h)

Nord-Est = 0,2 mm/h

288 289 290

Sud-Est = 0,3 mm/h

Effet sur le rayonnement global… +�40%

Effet sur la transpiration… +50%

Topoclimatet comportement des essences

Topoclimat

Com

portem

ent des essences

Hêtre et chêne sur les plateaux calcaires de Lorraine (p. 45)

Travaux de Becker et al. (1977)

• Elaboration de la typologie des station• Etudes station-production hêtre et chêne• Etude régénération et fructification du hêtre...

Topoclimat



Com

portem

ent des essences

19

21

22

23

24

26

25

20

28

hêtre

chêne

AHt de V. Sud

∆ = 5 m

27

29

31

30

32

33

34

Taillis-sous-futaie

BSud

∆ = 6 m

CNord

∆ = 7 m

Plateau(D,E,G,H,I)

RU et prof décarb. augmentent

∆ = 6 m

∆ = 6-7 m

∆ = 7 m

FFdV

Topoclimat



Com

portem

ent des essences

100

150

200

250

300

350

BSud

CNord

Plateau(D,E,G,H,I)

RU et prof décarb. augmentent

FFdV

AHt de V. Sud

Nb cu pu le s par m²

113

189

258

296

322

350

Faînée de 19745 arbres / site

Nord / Sud = x 0,5

Plateau / Sud = x 3

Nord / SudHauteur : + 6 à 7 mFaînée : x 0,5

Plateau (RU max) / SudHauteur : + 6 à 7 mFaînée : x 3

Plateau (RU max) / NordHauteur : + 4 mFaînée : x 2

Topoclimat

15

20

25

1020 40 60 80 100 120

mètres (m)

Age (à 1,30 m en années)

merisier

Versants (sauf sud) forte pente

Versants (sauf sud) faible pente

Bas de pente et fond de vallon

E. sycomore

4 à 5 m

2 à 3 m

Com

portem

ent des essences

Merisier, Erable sycomore et frêne dans le quart Nord-Est (p. 48)

15

20

25

FrêneHauteur dominante à 50 ans (m)

Horizons supérieursavec plus de 45%d�’argile

Horizons supérieurs avecplus de 55% de limons

Autres cas

Apport > départ

Apport >> départ(FdV…)

Engorgementtemporaire

A suivre...

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