Les écarts à la moyenne des précipitations des données HISTALP

La dendroclimatologie en Europe

Nous retrouvons dans le monde entier des études en dendroclimatologie. Certaines portent essentiellement sur la reconstruction des températures et d’autres sur les précipitations passées. Ces études sont situées dans les milieux semi-arides, en zone boréale, ou en limite supraforestière dans les zones de montagne. En effet, au niveau de ces écotones, les stress hydriques ou thermiques importants favorisent la réponse des arbres au climat.
Dans l’arc Alpin, les reconstructions dendroclimatologiques se situent principalement en Suisse, en Italie, en Autriche et dans la partie orientale des Alpes Française (Tableau 2). Dans notre cas, nous nous intéressons particulièrement aux études menées sur Pinus uncinata Mill. A ce jour, la plupart des études dendrochronologiques consacrées au pin à crochets à l’exception de celles de Rolland sur dalles karstifiées (1995,1996), ont été réalisées dans les Alpes externes (Edouard et al., 1991) et internes. Cependant, dans les Préalpes françaises, aucune chronologie n’a été utilisée dans une perspective de reconstruction du climat passé.

Le projet CERNES

PREAMBULE DU PROJET

Le diagramme ci –dessous (Figure 3) matérialise les étapes et l’organisation du projet selon différents axes de travail.

Le projet CERNES (Caractérisation dEndrochronologique des forêts de pins à crochets de la Réserve

Naturelle des Hauts-Plateaux du vErcorS) est subventionné par le Conseil Général de l’Isère. Les partenaires scientifiques collaborant au projet sont : l’IRSTEA (unité Ecosystèmes Montagnards), le laboratoire CNRS GEOLAB (UMR CNRS6042) localisé à Clermont-Ferrand et la réserve des Hauts Plateaux du Vercors. Le Parc Naturel Régional (PNR) du Vercors qui recouvre l’intégralité du massif s’intéresse tout particulièrement à cette forêt de pin à crochets. Elle représente un intérêt patrimonial en raison de son exploitation pour les fours à Poix jusque dans les années 1950 et parce qu’il s’agit de la plus grande pinède de pins à crochets des Alpes occidentales. Des connaissances précises sur l’histoire et l’écologie de la forêt permettent d’appréhender son fonctionnement et de prévoir sa gestion à long terme.
Le projet CERNES repose sur trois objectifs :
– La datation des vieux peuplements de pin à crochets de la réserve naturelle des Hauts Plateaux du Vercors à partir d’une approche dendrochronologique,
– La détermination des facteurs climatiques qui influencent la croissance radiale de cette espèce à partir d’une approche dendroécologique,
– La reconstruction d’un ou des paramètres climatiques simples (précipitation et température) à l’échelle du massif du Vercors à partir d’une approche dendroclimatologique. Ce dernier objectif fait l’objet de ce mémoire.
Ce dernier objectif fait l’objet de ce mémoire. Afin d’affiner les relations entre la croissance radiale du pin à crochets et le climat passé, plus de 300 arbres ont fait l’objet de prélèvements et d’analyses dendrochronologiques. La chronologie de largeurs de cernes issue des mesures de plus de 30 000 cernes de croissance constitue la première référence dendrochronologique disponible dans les Préalpes Françaises. Elle met en évidence le rôle favorable des précipitations printanières et estivales sur la croissance des pins vertacoriens. Cet archive climatique permet ainsi de reconstituer les fluctuations du climat depuis la fin du Petit Age Glaciaire.

Le contexte géographique de l’étude

Localisation géographique du massif du Vercors

Le massif du Vercors (5°27’4,465″E 44°56’50,019″N) se situe dans les Préalpes nord-ouest des Alpes Françaises (Figure 4). Il est découpé par deux départements qui sont l’Isère et la Drome de la région Rhône-Alpes. En plus d’être composé de 86 communes, le massif est divisé en plusieurs régions (les Coulmes, les Quatre Montagnes, le Vercors drômois, les Hauts-Plateaux du Vercors, le Royans, la Gervanne, le Diois et le Trièves).
Le Vercors fait partie des trois massifs qui encadrent l’agglomération grenobloise. Le massif du Vercors a obtenu le statut de Parc Naturel Régional (PNRV) depuis le 16 octobre 1970. En 2009, le PNRV couvre 206 208 hectares dont 139 000 hectares de forêts. Sa création a pour objectif de contribuer à des actions de protection de la nature et de mise en valeur des sites et monuments historiques. La Réserve Naturelle des Hauts-Plateaux du Vercors entièrement inscrite dans le PNRV a été créée le 27 févier 1985. Elle inclut depuis le 16 octobre 2009 une Réserve Biologique Intégrale (RBI). La Réserve Naturelle reste un espace réglementaire ayant pour but de conserver un aspect « naturel » à ce milieu. Par une diversité d’habitats forestiers et d’espèces végétales et animales, la RBI est un laboratoire à ciel ouvert. L’ONF et le PNRV se chargent de veiller aux développements et aux suivis des expériences laissées aux services de la nature.

Une biodiversité importante

La géologie et la géomorphologie du massif ainsi que la variété des microclimats (liée à l’exposition, à la latitude et à l’altitude) sont favorables à la biodiversité spécifique et écosystémique. On retrouve dans le Vercors l’étagement altitudinal classique observé en montagne avec la juxtaposition d’étage montagnard (700 à 1500 mètres), subalpin (1300 à 2200 mètres) et alpin (2000 à 3000 mètres).
Néanmoins la géomorphologie karstique induit une perméabilité importante et sont à l’origine d’une aridité d’origine édaphique. La végétation est, de ce fait, soumise à des stress hydriques estivaux réguliers.
L’étage montagnard est largement colonisé par une forêt de type Hêtraie-sapinière en versant ubac et de pin sylvestre en versant adret. Dans la partie septentrionale du massif, l’écotone montagnardsubalpin est caractérisé par une pessière dominante souvent entrecoupée par des clairières. Dans la partie sud du massif du Vercors cette transition n’est pas visible. Cet étagement s’explique par l’influence méditerranéenne du climat. A 1600 mètres, dans l’étage subalpin, le pin à crochets (Pinus uncinata) et l’épicéa (Picea abies) cohabitent, laissant place peu à peu en altitude au pin à crochets (Pinus uncinata). La strate arbustive dense est essentiellement composée de Genévrier nain (Juniperus sibirica), Raisin d’ours commun (Arctostaphylos uva-ursi), Myrtilles (Vaccinium myrtillus), Rhododendron ferrugineux (Rhododendron ferrugineum) ou d’Airelles bleues (Vaccinium uliginosum). A l’étage alpin (+2 100 m à 2 341 m), les habitats dominants sont de types « steppiques» avec la présence de pelouses rases sur lapiaz.

Les données climatiques

Les données HISTALP

La base de données Histalp recense le plus grand nombre de séries climatiques homogénéisées à travers les Alpes (Efthymiadis et al., 2006 ; Auer et al., 2008). Les données climatiques sont disponibles sous forme de points de grille avec une résolution de 1*1 degré (températures et pressions atmosphériques) ou 5*5 minutes (précipitations) au pas de temps mensuel. Les points de grille utilisés pour notre analyse couvrent une surface qui s’étend entre 4°E-19°E et 43°-49°N. Les séries de précipitation couvrent la période 1801-2003, les températures la période 1780-2003. Au total, 5 points de grilles ont été utilisés (Figure 10). Disponible en données brutes, ces données ont été transformées en anomalies. Pour cela, les écarts à la moyenne 1961 à 1990, considérée en climatologie comme le reflet du climat moyen, ont été calculés.

Les données instrumentales de Météo France

Les séries des stations Météo France ont également été utilisées dans notre analyse. Le choix des stations a été réalisée en fonction de : la position de la station (à l’intérieur du massif), la longueur des séries (les séries les plus longues ont été privilégiées) et le caractère continu des données météorologiques. Notre choix s’est porté sur les stations de Villard-de-Lans qui dispose d’une série météorologique qui couvre la période 1959-2013 (Tableau 4) et d’Autrans qui couvre la période 1905-2013 (Tableau 5) Cette dernière présente cependant des lacunes pendant la première et la seconde guerre mondiale. Ainsi, les années 1939, 1940, 1944, 1945, 1947, 1948, 1949 sont manquantes. Certains mois sont également absents de la série: aout et septembre de 1914, juillet à septembre de 1934, juin à septembre de 1938, avril à juin de 1941 et avril de 1950.

Le comptage des cernes et création d’une chronologie de référence

Le pointage des cernes sur CooRecorder

Afin de réaliser les mesures de largeur de cernes, les échantillons sont au préalable scannés à très haute résolution (1200DPI). Les mesures sont réalisées au moyen du logiciel Coorecorder (Cybis Elektronik & Data AB, 2001) à partir de l’image numérisée.
Chaque cerne est repéré sur l’image et le logiciel convertit le nombre de pixels entre deux repères en largeur. La précision dépend de la résolution du scanner mais est évalué au 1/10 de mm. Afin d’optimiser la mesure, les repères de cernes doivent être placés à la fin du bois final et doivent être alignés perpendiculaires aux cernes (Figure 16).

L’interdatation au moyen du logiciel CDendro

La fonction de base utile dans ce logiciel est le coefficient de corrélation R (Pearson, 1896). Il permet de déterminer l’intensité de la liaison entre deux variables quantitatives. En d’autres termes,  il permet de définir le pourcentage de variance commun à deux carottes, individus ou population. Ce coefficient est compris entre -1 et 1. Dans notre cas un r>0,5 pour un recouvrement supérieur à 100 ans a été jugé significatif.
Dans chaque placette, les séries individuelles issues de chaque carotte sont interdatées puis moyennées afin de former une série moyenne de largeurs de cernes. Une fois les séries moyennes interdatées celles-ci sont moyennées afin de former une chronologie. L’interdatation de l’ensemble des séries moyennes qui composent la chronologie est finalement vérifiée et validée au moyen d’une matrice de corrélations. L’interdatation est considérée comme satisfaisante lorsque le coefficient de corrélation entre les séries moyennes est supérieur à 0,5 pour un recouvrement de 100 ans. Les individus mal interdatés ou non corrélés significativement à la chronologie moyenne sont exclus de l’analyse. Un protocole identique est utilisé dans chaque placette et 11 chronologies ont été produites, une par placette. Le pourcentage d’échantillons exclus varie de 0 à 50% selon les placettes.
La chronologie de référence du massif du Vercors, établie avec 250 arbres (500 carottes) provenant des 11 placettes couvrent ainsi la période 1755 à 2013 (Figure 17 et tableau 6).
L’objectif de l’analyse dendroclimatologique est de reconstruire le climat passé à l’échelle du massif du Vercors. Afin d’optimiser la reconstruction du signal climatique, un protocole en trois étapes a été utilisé.

Standardisation des données

La standardisation de la série brute de largeur de cerne a pour objectif de conserver seulement le signal à haute fréquence de la chronologie (Fritts, 1976 ; Schweingruber, 1900).
Elle est censée retirer les signaux qui peuvent interférer dans la relation cerne / climat. L’autre intérêt est de transformer la série brute de largeur de cerne en indices adimensionnels. La standardisation est réalisée pour chaque série moyenne de largeur de cernes et permet de transformer les séries brutes (en mm) en série d’indices de croissance. (Lebourgeois et Mérian, 2012).
En dendroclimatologie, il existe différents types de standardisation. Après, les avoir toutes testées, dans cette étude une double standardisation (Figure 18) a été retenue (Mérian, 2012) :
– Standardisation au moyen d’une courbe négative exponentielle, d’une droite ou de la moyenne : Cette standardisation permet de retirer la tendance d’âge. Cette tendance, géométrique, indépendante du climat correspond à la diminution de la largeur du cerne consécutive à l’augmentation du diamètre de l’arbre. Lorsque le prélèvement atteint la moelle la courbe exponentielle négative est utilisée. Dans le cas contraire, une régression linéaire ou une droite correspondant à la croissance de l’arbre est utilisée ?
– : cette méthode permet d’ajuster le signal Standardisation au moyen d’une courbe spline dendrochronologique à une courbe spline plus ou moins flexible. Cette méthode permet d’éliminer les fluctuations de moyenne fréquence (liées à la compétition par exemple) du signal dendrochronologique.
Afin d’éliminer les corrélations pouvant persister entre l’année n-1 et l’année n (du fait notamment de la constitution de réserves l’autocorrélation est retiré des données indicées au moyen d’un bruit blanc. qui constituent la grande Cette double standardisation a été réalisée sur l’ensemble des 67 individus placette. L’ensemble des séries de moyennes indicées a ensuite été agrégée pour constituer une chronologie moyenne indicée pour la grande placette.

Relation cerne/climat

La fonction de réponse

La fonction de réponse a pour objectif d’étudier quels paramètres climatiques influencent en premier lieu sur la croissance radiale et à quelle intensité (Payette et Filion, 2010). Fritts (1971) définit la fonction de réponse comme « l’équation de calibration statistique exprimant les effets relatifs séparés de plusieurs facteurs climatiques sur l’épaisseur des cernes ». Les observations climatiques sont divisées en deux jeux indépendants (calibration, vérification). Aussi, la procédure de type rééchantillonnage appelé bootstrap est employé. Elle permet de tirer au sort les années qui vont être nécessaires à la calibration et d’utiliser les autres comme jeu de vérification. La répétition de la calibration est répétée 30 fois fournissant 30 estimations du coefficient de vérification pour les paramètres climatiques. La significativité des coefficients de corrélation doit être égal ou supérieur à 95% afin que la fonction de réponse soit statistiquement fiable. Les données utiles pour une telle analyse sont les indices de croissance des cernes et les paramètres climatiques (température et précipitation, HISTALP).
Comme le précise Petitcolas (1996), le climat influence la croissance du Pinus unicinata Mill. à l’année n-1 et n. La période d’analyse de la fonction de réponse ce porte du mois de mai (n-1) jusqu’au mois de septembre (n) des années 1900 à 2000.

La fonction de réponse mobile

La fonction de réponse mobile correspond à une succession de fonctions de réponse simples calculées sur la base d’un intervalle de calcul mouvant (moving intervals). Elle permet de mettre en évidence des modifications temporelles (shifts) des paramètres climatiques qui conditionnent la croissance de l’arbre. Les fonctions de réponses sont calculées sur des périodes de temps de longueurs constantes décalées d’un an (Mérian, 2012). Dans notre étude, l’intervalle choisi a une durée de 50 ans. Ainsi, avec les données Histalp, une première fonction de réponse est calculée sur la période 1801-1850, la seconde sur l’intervalle 1802-1851, la troisième sur l’intervalle 1803-1852.
La dernière fonction de réponse couvre la période 1964-2003. L’intervalle de 50 ans est suffisant pour obtenir des résultats statistiquement significatifs. Un intervalle de durée inférieure ne permet pas d’obtenir des résultats robustes en raison de la longueur insuffisante des intervalles de validation et de calibration. Des intervalles plus longs ne permettent pas de saisir précisément d’éventuelles modifications des paramètres climatiques qui contraignent la croissance de l’arbre.

Les paramètres utiles pour la reconstruction climatique

Les écarts à la moyenne des précipitations des données HISTALP

Le traitement de la chronologie des cernes en dendroclimatologie est basé sur l’utilisation de la station centrale (5°30 E ; 44°49’ N) HISTALP du Massif du Vercors. Ce choix s’est orienté vers cette localisation géographique car elle n’est ni trop au nord ni trop au sud. Elle est considérée comme la représentation du climat moyen sur ce massif.
Après avoir étudié la fonction de réponse qui permet d’observer la relation cerne/climat, c’est à dire l’impact du climat vers la croissance radiale, les fonctions de transfert jouent un tout autre rôle. En effet, elles ciblent les informations présentes dans la chronologie de référence, ici c’est celle de GP, afin de constituer une reconstruction climatique.

La reconstruction climatique

Pour effectuer une reconstruction climatique, il est indispensable de connaitre le paramètre climatique qui influence la croissance du végétal et à quelle période de l’année. Le paramètre climatique à reconstruire est la pluviométrie sur une période de référence de 1920 à 1969.
La validation de la reconstruction se fait en trois étapes. Dans un premier temps, il faut choisir la période qui permettra une reconstruction adéquate. Le premier intervalle de temps utilisé est le plus large, c’est-à-dire de 1801 à 2003. Ensuite, la sélection se base sur la représentation de la reconstruction et des données HISTALP afin de remarquer la zone où les courbes semblent en adéquation. Après plusieurs essais, l’intervalle de temps retenu est de 1920 à 1969. Ainsi, les données instrumentales HISTALP sont divisées en deux, P1 et P2. P1 (1920-1944) est exploitées pour la calibration du paramètre climatique tandis que P2 (1945-1969) est utilisé pour la vérification de la reconstruction et inversement. Des indices statistiques reflètent la qualité de la reconstruction. Le coefficient de détermination R² entre la chronologie indicée de largeur de cerne et les données météorologiques permet de cerner le pourcentage de variance expliqué par les séries de cerne. La significativité du R² est testé au moyen du test t de Student. Le climat reconstitué est testé afin de définir s’il est un meilleur prédicteur du climat réel que la moyenne des données d’étalonnage ou que celle des données de vérification. La réduction de l’erreur (RE) de Lorenz (1956) est d’abord calculée suivit du coefficient CE de Briffa et al (1988). A l’heure actuelle, il n’existe pas de seuil prédéfinit pour affirmer qu’une reconstruction climatique est acceptable ou non. Or, lorsque RE et CE sont négatifs, les reconstructions sont moins bonnes que la moyenne climatique. C’est pour cela que le seuil 0 représente la limite inférieure acceptable. Ainsi, plus ces valeurs sont élevées, plus la reconstruction sera convenable (Payette et Filion, 2010).

Table des matières
LISTE DES ACRONYMES 
INTRODUCTION 
PARTIE 1 : ETAT DE L’ART
PARTIE 2 : LE PROJET CERNES
PREAMBULE DU PROJET
APPROCHE DENDROCHRONOLOGIQUE
APPROCHE DENDROCLIMATOLOGIE
PARTIE 3 LES RESULTATS ET LA DISCUSSION
RESULTATS 
DISCUSSION 
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 
BIBLIOGRAPHIE 
TABLES DES ILLUSTRATIONS 
TABLES DES TABLEAUX 
TABLES DES MATIERES 
ANNEXES

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