Thèse Impact de la Structure Tri-Dimentionnelle d'Un Couvert Végétal dans la Réponse de la Productivité Primaire et la Transpiration des Écosystèmes Terrestres au Changement Climatique H/F - Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes
École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
Direction de la thèse : Philippe PEYLIN ORCID 0000000193356994
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes terrestres au changement climatique en termes de flux de carbone, d'eau et d'énergie reste un enjeu scientifique majeur, au centre de nombreuses rétroactions entre cycle du carbone ou de l'eau et climat. Dans ce contexte, les modèles de surface terrestre (LSM) sont des outils puissants pour mieux quantifier et prédire la réponse des écosystèmes terrestres aux perturbations anthropiques et évaluer la durabilité des services écosystémiques, notamment la séquestration du carbone. Cependant, ces modèles présentent d'importants défauts structurels ; en particulier la prise en compte de la structure tri-dimentionnelle complexe des écosystèmes, notamment selon la verticale, reste très simplifiée (i.e. approche de type grosse feuille pour le bilan d'énergie et non-représentation des gradients d'humidité, de température et de concentration en CO2 selon la verticale dans la canopée).

L'objectif de la thèse sera donc de d'implémenter dans le LSM ORCHIDEE une représentation cohérente des profils verticaux des différents facteurs contrôlant les échanges d'eau, de carbone et d'énergie entre les couches foliaires et l'atmosphère environnante. Ce travail s'appuiera sur l'inclusion récente d'une représentation multi-couches selon la verticale du bilan d'énergie et du climat intra-canopée permettant de simuler les gradients de température et d'humidité, ainsi que d'un transfert radiatif distinguant feuilles au soleil et à l'ombre. Il complétera le modèle multi-couches avec une représentation du gradient de CO2 ainsi que de la fraction entre rayonnement direct et diffus, deux facteurs clés de la régulation stomatique contrôlant les échanges d'eau et de carbone entre les feuilles et l'atmosphère. Une fois le modèle consolidé, l'objectif sera d'étudier, sur sites, l'importance relative des différents gradients au sein de la canopée (radiation, température, humidité, CO2) dans la modulation des flux photosynthétiques (productivité primaire) et d'eau (transpiration) lorsque les conditions environnementales varient : augmentation du ratio entre rayonnement diffus et direct, évènements de sécheresses, augmentation du CO2 atmosphérique, etc. Le modèle sera appliqué principalement pour des écosystèmes forestiers (mais aussi pour des cultures ou prairies hautes), pour lesquels on dispose de mesures de flux de carbone, d'eau et d'énergie ainsi que de la fluorescence de la végétation (traceur de l'activité photosynthétique).
Enfin, des simulations spatialisées seront envisagées pour mieux représenter la réponse carbonée et hydrique des écosystèmes terrestres aux changements climatiques en cours et futurs.
Ce travail permettra de revisiter les prédictions des bilans de carbone et d'eau avec un modèle représentant de manière beaucoup plus réaliste les couplages température - humidité - rayonnement - CO2 au sein de la canopée.

Le rôle fondamental de la végétation sur le climat de la Terre à travers son impact sur les principaux cycles biogéochimiques (énergie-eau-carbone (E-W-C)) a été démontré par de nombreuses études (e.g., Bonan et al., Science, 2008)). Dans le contexte du réchauffement climatique, les services rendus par les écosystèmes, en particulier forestiers, dans la régulation du climat et la lutte pour l'atténuation et l'adaptation au changement climatique, présentent de forts enjeux et des solutions qu'il faut pouvoir modéliser à toutes les échelles (locales à globales). Ainsi, le potentiel des végétations arborées dans la séquestration du carbone, la protection des cultures, la sécurité alimentaire mais aussi la biodiversité, nécessitent d'être mieux quantifiés pour aider les gestionnaires dans leur prise de décisions.
Les modèles de biosphère continentale qui sont utilisés dans les modèles de climat ne représentent pas (actuellement) la structure verticale de la végétation, ni toute la complexité de l'organisation spatiale à l'intérieur d'une maille de calcul. Dans la plupart des cas, la végétation est assimilée à une couche aux propriétés moyennes (approche « big-leaf ») qui ignore les interactions plante-atmosphère intra-canopée, et les échanges horizontaux. Un seul bilan d'énergie et une température unique sont calculés par maille, empêchant ainsi de pouvoir modéliser le climat proche de la surface et son évolution, c'est-à-dire le climat qui va être le plus impacté par la gestion humaine des écosystèmes. Dans ces conditions, la plupart des solutions innovantes basées sur l'utilisation d'arbres telles que l'agroforesterie, pour maximiser le stockage de carbone, la production alimentaire et l'atténuation au réchauffement ne peuvent pas être étudiées correctement dans un modèle qui ne prendrait pas en compte les rétroactions climat - gestion des écosystèmes

Nous proposons d'estimer les principaux services écosystémiques, liés à la séquestration du carbone, à l'atténuation du changement climatique et à l'habitat des sous-bois pour l'agroforesterie via l'utilisation d'une modélisation nouvelle, intégrée, décrivant l'hétérogénéité verticale et horizontale des couverts.
Pour cel l'étudiant finalisera le développement d'un modèle multi-couches du fonctionnement de la végétation terrestre (ORCHIDEE) prenant en compte le micro-climat à l'intérieur d'une canopée forestière (profils de température, rayonnement, humidité et CO2), et realisera une calibration à l'aide de données sur sites;
Des simulation spatialisées du modèle seront réalisées pour mieux représenter la réponse carbonée et hydrique des écosystèmes terrestres aux changements climatiques en cours et futurs.

Tâche 1 : développement du modèle
Développement d'une version du modèle ORCHIDEE incluant une représentation cohérente des profils verticaux des différents facteurs contrôlant les échanges d'eau, de carbone et d'énergie entre les couches foliaires et l'atmosphère environnante. Le travail s'appuiera sur l'inclusion récente d'une représentation multi-couches selon la verticale du bilan d'énergie en complétant ces développement afin d'avoir une représentation complète du climat intra-canopée incluant gradients de température et d'humidité, gradient de CO2 ainsi que la fraction entre rayonnement direct et diffus.

Tâche 2 : évaluation et validation
Le modèle sera évalué et calibré avec des observations sur sites, notamment de profil verticaux de température, humidité et concentration en CO2 (données déja rassemblées).

Tâche 3 : simulation-expériences spatialisées
Une fois le modèle calibré, des simulations spatialisées des bilans d'eau, de carbone et d'énergie seront réalisés sous différentes trajectoires de changement climatique.

Master en sciences de l environnement ou diplome d ingénieur
compétences en modélisation dans le domaines des géosciences, et en physique de l'environnement, compétences en informatique Fortran et Python