Thèse Modélisation des Tourbières Tropicales dans le Modèle de Surfaces Continentales Orchidee H/F - 74

Établissement : Ecole normale supérieure - PSL
École doctorale : Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure
Direction de la thèse : Bertrand GUENET ORCID 0000000243118645
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Les tourbières sont des écosystèmes humides et riches en matière organique, formées à partir de l'accumulation de litière végétale dans le sol, qui n'est pas dégradée par les microorganismes du fait de la saturation en eau du sol. L'objectif de la thèse est d'intégrer une modélisation des tourbières tropicales dans le modèle ORCHIDEE. Cette modélisation se basera sur un module de tourbière déjà existant mais qui ne modélise que les tourbières boréales et tempérées. En effet, les tourbières tropicales sont moins représentées que les tourbières boréales et tempérées dans les modèles de surfaces continentales. On représentera la dégradation de la matière organique, l'hydrologie et le couvert végétal qui diffèrent entre les hautes et basses latitudes, entre autres. Ces changements se feront par modification du code du modèle, ainsi que des fichiers de forçages. Dans un second temps, une étape de validation sera menée à partir de données expérimentales, utilisant plusieurs paramètres. Ensuite, nous conduirons une optimisation de certains paramètres du module, encore à définir après une analyse de sensibilité. Enfin, nous réaliserons des simulations couplées comprenant le modèle ORCHIDEE et la composante atmosphérique LMDZ afin de déterminer les rétroactions existantes climat-tourbières tropicales, actuelles et futures.

Les tourbières ne représentent qu'environ 3% des surfaces émergées terrestres (Xu et al. 2018), mais contiennent, selon les estimations, entre 400 et 600 GtC (Lappalainen et al. 1996). Ce sont donc des réservoirs de carbone très importants à l'échelle mondiale, et leur stock est équivalent à celui de toute la biomasse végétale terrestre (Pan et al. 2011). Selon le Programme des Nations Unies pour l'Environnement (UNEP), les tourbières sont de finies comme des écosystèmes constitués de tourbe, elle-même formée à partir de litière végétale partiellement décomposée dans un sol saturé en eau (United Nations Environment Programme 2022). Une tourbière résulte donc d'une accumulation en surface et en sous-sol de matériel organique, dont le taux d'accumulation est supérieur à son taux de dégradation par les microorganismes. Cette matière organique n'est que peu ou pas dégradée, du fait de la saturation en eau du sol qui empêche la respiration aérobie des microorganismes. Le niveau élevé des nappes d'eau fait également la particularité de ces écosystèmes. Il existe une grande diversité de tourbières, et les processus peuvent être localement différents, mais aboutissent tous à une accumulation importante de matière organique, ce qui en fait des zones d'intérêt majeur dans l'étude du changement climatique.

Dans les hautes latitudes, les températures du sol proches de zéro degré ou bien négatives une partie de l'année empêchent davantage les microorganismes de dégrader la matière organique, même si le sol n'est pas complètement saturé en eau. L'activité biologique est en effet corrélée à la température. Dans les tourbières tropicales en revanche, la matière organique est dégradée plus facilement, du fait des températures plus importantes et favorables aux microorganismes, mais les apports de litière sont quant à eux bien plus importants, car le couvert végétal est généralement plus dense. Le régime hydrologique est également différent : les précipitations représentent les principaux apports en eau de cet écosystème. Ce sont autour de ces dernières, les tourbières tropicales, que l'on souhaite articuler ce projet de thèse.

Les tourbières tropicales figurent parmi les écosystèmes terrestres les plus denses en terme de stockage de carbone, avec en moyenne plus de 2,000 MgC.ha1 (Kauffman et al. 2025). Bien que représentant seulement 11% en surface de toutes les zones humides (Page et al. 2011), les stocks de carbone y sont estimés à hauteur de 20% généralement (Leifeld and Menichetti 2018). Cependant, les estimations restent très incertaines, variant de 12% a` 45% du stock total de carbone présent dans les tourbières (Dargie et al. 2017, Jaenicke et al. 2008, Page et al. 2011). Ces écosystèmes ont donc un rôle crucial à jouer dans le contexte du changement climatique, où les émissions de gaz à effet de serre jouent un rôle prépondérant. Ainsi, savoir les représenter de façons optimale afin de connaître leur étendue actuelle et future, ainsi que leur évolution est déterminant au regard des enjeux climatiques. De plus, elles représentent des réservoirs hydriques et de biodiversité très importants.

Représenter ces écosystèmes est d'autant plus important que ces écosystèmes sont menacés à la fois par le changement climatique et les activités anthropogéniques. Actuellement, 25% des tourbières sont considérées comme impactées par l'activité humaine, notamment par drainage pour l'agriculture, ou pour l'utilisation de la tourbe comme source énergétique (FAO 2020). Certaines zones sont particulièrement affectées, notamment en région tropicale, comme en Indonésie où les
tourbières deviennent des sources nettes de carbone (United Nations Environment Programme 2024). Le changement climatique affecte également les tourbières : avec une modification du régime des précipitations, des sécheresses plus importantes et des baisses pérennes du niveau des nappes d'eau, certaines tourbières voient la dégradation de la matière organique se relancer, et donc redevenir des sources nettes de carbone. Le risque lié aux incendies est également de plus en plus important, pouvant émettre de large quantités de gaz à effet de serre en peu de temps (Ribeiro et al. 2021). C'est pourquoi il est important de pouvoir déterminer l'évolution des tourbières, en particulier afin de connaitre leur contribution future au changement climatique, ou pour simuler la mise en place de gestion ou pratiques qui pourraient jouer un rôle dans l'atténuation du changement climatique.

La modélisation et les LSM (Land Surface Models) permettent de représenter les liens entre différents types de surfaces terrestres - dont les tourbières - et l'atmosphère, à travers des bilan d'énergie, d'hydrologie et de matière notamment. Ce sont des composantes clés utilisées dans les modèles de climat. Les LSM peuvent être intégrés dans des ESM (Earth System Models) afin de représenter l'état actuel du climat, et surtout d'établir des prédictions sur la vulnérabilité des écosystèmes face au changement climatique, en plus de simuler le potentiel effet de diverses mesures pour protéger les sols.

Le modèle ORCHIDEE (ORganizing Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms) est un modèle de surfaces continentales de l'IPSL utilisé notamment pour les simulations climatiques du GIEC (Krinner et al. 2005). Développé depuis le début des années 2000, il est de plus en plus complet et de nombreuses modifications y ont été apporté, comme par exemple l'addition de modules pour les feux de forêt, le changement d'utilisation des sols, ou plus récemment la description plus précise des écosystèmes boréaux. Il compte également un module de représentation des tourbières, développé plus récemment et nommé ORCHIDEE-PEAT (Qiu et al. 2018). Il a été adapté notamment au niveau de la végétation et de l'hydrologie particulière de ces écosystèmes, développé et validé sur les tourbières boréales et tempérées, mais pas pour les tourbières tropicales.

De manière générale, peu d'études simulent le fonctionnement et les flux dans les tourbières tropicales dans des LSM, qui sont sous-représentées en comparaison à la quantité de carbone qu'elles stockent (Mozafari et al. 2023). Seuls quelques modèles s'attachent à représenter les tourbières tropicales dans des LSM, à partir de versions développées pour les tourbières boréales ou tempérées et qui ont été adaptées pour les écosystèmes tropicaux par la suite (Apers et al. 2022, Kurnianto et al. 2015, Young et al. 2023). Il existe également quelques modélisations plus locales qui s'appuient sur un site via une représentation empirique (Cobb et al. 2017).

Développer une version du modèle ORCHIDEE qui prend en compte explicitement le rôle des les tourbières tropicales.

Chapitre 1 : Elaboration d'un module de représentation des tourbières tropicales
Le premier objectif de la thèse sera donc d'intégrer une nouvelle modélisation des tourbières tropicales dans le modèle ORCHIDEE, pour une description plus complète des zones humides dans ledit modèle. La modélisation se basera sur le module de tourbières déjà existant (Qiu et al. 2018) du modèle ORCHIDEE, mais des différences relatives à cet écosystème seront implémentées. Il s'agira notamment de représenter la dégradation de la matière organique, plus importante dans les basses latitudes, associée à une accumulation de tourbe plus rapide. Concernant l'hydrologie, la perméabilité des sols ainsi que l'action du couvert végétal (interception de l'eau de pluie, évapotranspiration) devra également être prise en compte, en plus de la modélisation de zones partiellement inondées au cours d'une année. On s'attachera également à représenter le bilan énergétique, avec un albédo différent de celui des tourbières boréales, mais aussi à représenter l'effet isolant de l'épaisseur de la tourbe, comme cela a pu être développé dans d'autres études (Gaillard et al. 2025). Enfin, la végétation devra être adaptée aux zones tropicales, notamment en ce qui concerne la productivité primaire et les paramètres de la litière du sol qui en provient. D'autres changements pourraient également intervenir au cours du développement de ce module.

Toutes ces modifications seront faites soit directement en modifiant une partie du code du modèle, soit en changeant les fichiers de forçage ou de conditions aux limites. Pour représenter le couvert végétal par exemple, il s'agira d'adapter les propriétés des plantes modélisées et déjà existantes dans le modèle (les PFT, pour Plant Functionnal Type). En plus de cela, une partie de recherche et récupération de données importante devra donc être conduite, notamment pour les variables météorologiques, le couvert végétal, et les propriétés des sols. Ces données ne sont pas toutes accessibles au sein du modèle ORCHIDEE. On s'appuiera donc sur des études existantes en zones humides tropicales. L'objectif n'est pas de se focaliser uniquement sur la représentation du cycle du carbone dans les tourbières tropicales, mais bien de modéliser l'ensemble des variables biophysiques qui régissent ces écosystèmes, dans le but de développer un module avec une approche cohérente, considérant qu'il serait moins pertinent d'essayer de représenter un type de processus en particulier sans une représentation adéquate des autres processus avec lesquels il interagit.

Chapitre 2 : Validation, paramétrisation et implémentation dans ORCHIDEE

Dans la première partie, on cherchera donc à développer un nouveau module (sous-unité) du modèle ORCHIDEE. Une fois le modèle viable mathématiquement (avec la fermeture des bilans d'énergie notamment), il s'agira de l'adapter et de l'optimiser. C'est ce qui sera fait dans cette deuxième partie.

Tout d'abord, on effectuera une étape de validation. Pour cela, on se basera sur des différentes données mesurées in situ (gaz à effet de serre, niveau de nappe d'eau), que l'on pourra comparer avec des simulations réalisées avec le module précédemment développé. Ces données seront récupérées dans le cadre de travaux actuellement en cours au sein du PEPR FairCarboN. Une étape de bibliographie et de récupération de sites supplémentaires, pourra être conduite si les données utilisables pour la validation ne sont pas suffisamment nombreuses. Plusieurs métriques seront utilisées pour fournir une évaluation complète et la moins biaisée possible du module. Dans un deuxième temps, le modèle sera optimisé avec les observations : certains paramètres, à définir avec une analyse de sensibilité, seront modifiés pour renforcer la performance générale du modèle. Pour ce faire, on pourra tester par plusieurs méthodes probabilistes (bayésienne notamment) les valeurs de paramètres les plus proches des observations, en essayant de minimiser une fonction de coût. Après cela, une nouvelle validation avec un jeu de données d'observations indépendant permettra de valider la meilleure performance du modèle. Enfin, lorsque le module sera correctement développé, il pourra être intégré de façon pérenne au modèle ORCHIDEE. En effet, dû à la la taille du modèle et aux nombreux collaborateurs participant à son développement, celui-ci sera fait sur une branche personnelle et sera intégré dans la version globale pour qu'il puisse être utilisé par tous les collaborateurs. Cette étape va demander beaucoup d'interactions avec tous les développeurs du modèle ORCHIDEE, et une nouvelle phase de validation du modèle, pour s'assurer de son bon fonctionnement général.

Chapitre 3 : Réalisation de simulations couplées pour comprendre les rétroactions climat - tourbières tropicales
Lorsque le module développé pour les tourbières tropicales sera validé, optimisé et intégré au modèle ORCHIDEE, on pourra utiliser le modèle dans son ensemble pour effectuer des simulations globales, et éventuellement couplées avec le modèle de circulation atmosphérique LMDZ, afin d'étudier l'impact et les rétroactions entre le climat et les tourbières, à différentes échelles. Les simulations couplées permettent de rajouter une composante dynamique atmosphérique, et donc de réaliser une simulation moins contrainte par des fichiers de forçage, avec plus de degrés de liberté, et de variabilité dans les résultats du modèle. Réaliser ce type de simulations pourra finalement permettre de voir l'effet du module développé et intégré sur les variables atmosphériques, pour analyser comment la modification de ces variables va impacter la formation ou la dégradation de la tourbe en zone tropicale. La question de déterminer les modalités d'études de ces rétroactions reste encore ouverte : on pourrait les étudier par les flux de carbone, mais aussi les flux d'azote ou d'autres variables implémentées dans le modèle. On pourrait donc s'intéresser de manière plus générale aux différences notables en simulation couplées, lorsque les tourbières tropicales sont prises en compte ou non.