Bioclimatologie

Par

Pr Boulaacheb N

Programme

Introduction1- Climatologie générale (Définitions )- Météorologie- Climatologie- Le temps et les types de temps2- Les données climatologiques :- Sources de données- Exploitation des données- Mesures en surface (pluviosité, températures, pression atmosphérique, Humidité relative, ensoleillement, vent)3- Bilan thermique à la surface de la terre :- Rayonnement net à la surface de la terre- Bilans énergétiques

4- Aridité : - Les différents indices d’aridité- Les régions arides dans le Monde , en Afrique, au Maghreb5- Les bilans hydriques : - Evapotranspiration réelle- Evapotranspiration potentielle6- Méthodes de caractérisation du climat méditerranéen 7- Relation végétation – climat

Introduction

Le climat

• Le terme climat du latin clima, inclinaison, emprunté du grec Mima, désigne l'angle entreles rayons du soleil et la surface de la terre

• Le climat est la résultante des états de l'atmosphère (précipitation, température, vent,ensoleillement, vent…etc) en un lieu donné pendant une période définie (mois, année,décennie…).

• Les Mésopotamiens, les Égyptiens, les Indiens observaient et cherchaient à expliquer,souvent en liaison avec leurs croyances religieuses, les phénomènes atmosphériques.

• Les philosophes grecs, par exemple Aristote (334 av. J.-C), ont cherché à rationaliserl'explication des climats et ont esquissé un découpage de l'espace : la répartition desrégions sèches et humides, chaudes et froides était alors expliquée par des différencesde durée du jour, de l'inclinaison des rayons solaires.

• Les savants arabes du Moyen Âge ont apporté des précisions sur ce découpage.

• Les évolutions constatées des climats, attribuées notamment à l’effet de serre, sontindispensables pour anticiper des phénomènes ayant un impact direct sur la faune, laflore et même les populations : désertification, élévation du niveau de la mer, inondationou sécheresse et incendies liés aux phénomènes climatiques extrêmes.

• Le climat est de toute évidence un facteur important d’instabilité pour les formationsvégétales. Son action directe apparait surtout par l’existence de conditions climatiquesmarginales (Microclimatique).

• L’hétérogénéité du climat et du relief, jouent un rôle déterminant dans la distribution desdifférentes espèces végétales. Les données écologiques, et en particulier bioclimatiquesinfluent sur la répartition spatiale et temporelle de la région.

Situation géographique

Altitude

Bâti

Plusieurs facteurs fondamentaux influent sur les caractéristiques climatiques d’une région

Météorologie

Définition 1

• Du grec Météos: haut dans l’air

• La météorologie est la science qui étudie les phénomènes atmosphériques ou les états de l'atmosphère, fondée sur les lois de la mécanique des fluides et de la thermodynamique.

Définition 2

• La météorologie est une discipline scientifique qui s’occupe de la prévision del’état du temps à différentes échelles temporelles, ses sources d’informationssont issues de mesures et de statistiques portant sur des grandeurs climatiques etphysiques.

Définition 3

• La météorologie est l’étude du temps, elle fait appel à la physique del’atmosphère pour expliquer et comprendre le temps. Autrement dit lamétéorologie étudie les processus mécaniques et physiques qui déterminentl’évolution du temps.

Toutes les observations doivent être méticuleusement définies, normalisées, sélectionnées et organisées pour concourir à mieux comprendre et prévoir les phénomènes météorologiques

Le météorologue à deux taches fondamentale

Observation de l’atmosphère et la mesuredes variables atmosphériques :(précipitations, pression atmosphérique,le vent, l’ensoleillement, l’humidité de l’airet les températures).

Prévoir le temps à partir des mesureseffectuées (c’est un domaine trèstechnique réservé à des spécialistes).

Prévision

Le Climatologue Pour Étudier Le Climat

Le Météorologiste ou Météorologue Pour Prévoir Le

Temps

Observation

• Les phénomènes météorologiques se produisent dans la partiede l'atmosphère qui s'étend du sol à une trentaine de kilomètresd'altitude.

Afin d'avoir une représentation d'ensemble des phénomènes

• les observations doivent être effectuées au niveau du sol, maiségalement en altitude, au-dessus des océans et sur l'ensemble dela planète.

• Les phénomènes météorologiques se déplacent très rapidement

donc

• Les observations doivent être renouvelées en permanence

Des mesures à toutes les échelles

-La mission de la météorologie est d'assurer lasécurité des biens et des personnes en particulierdans le domaine aérien, civil ou militaire

- Grâce à la Prévision Numérique du Temps (PNT)la qualité des prévisions météorologiques s’estaméliorée.

Climatologie

Définition 1

•La climatologie est l'étude du climat, c'est-à-dire des conditions moyennes et extrêmesdu temps, sur une longue période de temps.

Définition 2

•La climatologie étudie les échanges énergétiques dans le système Terre-atmosphère.Définition 3

•La climatologie est une science de l'atmosphère qui a pour objectif la descriptionsynthétique, le classement et l'explication de la répartition des différents types de climatsdans un cadre géographique.

•Est une science géographique

La climatologie

Appliquée

Elle constitue l'un des nombreux sous-domaines de la

géographie

Elle recouvre, au sens large, l'étude du climat dans la

perspective des relations entre les sociétés humaines et leur

environnement.

Le climat et l’homme

(tourisme et santé)Le climat et l’aménagementLe climat et l’économieLe climat et le milieu naturel

Dynamique

Étude du climat en tant que branche de la physique.

La fréquence et la succession des événements météorologiques

(Les facteurs influant le climat)

Physique

Examine les processus, l'amplitude et les directions des échanges d'énergie et de masse dans l'atmosphère, à la surface de la Terre et en son sous-sol,

et en effectue une modélisation numérique.

La climatologie permet de construire des hypothèses et desperspectives à long terme sur le devenir de la planète.

La climatologie utilise les données météorologiques à la surface de la terreet des mers sur une longue période: 30ans pour les précipitations et 10pour les températures selon les normes de l’Organisation Mondiale deMétéorologie (OMM) ou bien la normale climatique.

Intérêts: les archives enregistrent les données météorologiques, ce quipermet de connaître l’évolution en un lieu donné des différentsparamètres climatiques. Ces études historiques ont une grandeimportance dans les programmes étatiques de planification, la sécuritécivile et même les compagnies d’assurances ont recours régulièrementaux statistiques climatologiques.

Bioclimatologie

Définition 1

• La bioclimatologie est une branche de l’écologie.

Définition 2

• La bioclimatologie étudie lesrelations entre les êtes vivants et lemilieu ambiant

Le temps et les types du temps

Le temps

• est la condition atmosphérique dominante dans unezone à un moment déterminé, se traduisant par lachaleur ou le froid, un ciel clair ou nuageux, la sécheresseou l'humidité, le vent ou le calme.

Le temps

• change toujours. Pour le prédire, les scientifiquesprennent des mesures dans des stationsmétéorologiques du monde entier.

Les types du temps

Un type de temps

• est constitué par l'état présent et momentané de l'atmosphère(direction et force du vent, température, nébulosité, pluie, etc.).

Un type de temps

• est déterminé par les déplacements des masses d'air à la surface duglobe

Un type de temps

• est déterminé par la situation relative des continents et des mers et par les conditions locales de relief, de végétation et d'hydrographie qui peuvent modifier la direction des vents ou la pluviosité.

Un type de temps

• Désigne l’association plus ou moins durable, de quelques heures àquelques jours, d’éléments atmosphériques sensiblementidentiques sur un espace d’échelle régionale à locale.

Un type de temps

• constitue les manifestations des types de circulation sur les élémentsatmosphériques combinés aux niveaux d’échelles régional et local.

Un type de temps

• Par sa répartition spatiale, sa fréquence, sa durée et sa succession, permetde saisir concrètement la réalité des conditions atmosphériques au-dessusd’un lieu et d’en envisager les conséquences sur l’espace géographique.

Les types de temps

Le catalogue de types de temps

,

4 catégories

• d’état du ciel (fraction d’insolation)

4 catégories

• de niveaux de température

2 catégories

• de cumuls de précipitations

2 catégories

• de vitesse du vent

Tableau 1. Discrétisation des 4 variables météorologiques en 12 classes (données journalières). Leslettres correspondent aux initiales des variables. Les codes de « type de temps » se construisent encombinant les lettres de la gauche vers la droite du tableau 1 (1 lettre par variable).

soit, au total, 64 combinaisons possibles.

Exemple: Le temps gris, frais, arrosé et venteux (GFAW)

C'est la durée qui fait la différenceentre ce qui relève de la climatologieet de la météorologie.«Le temps qu'il fait se définit dans lecourt terme, le climat dans le longterme»

Bilan énergétique au niveau de la surface de la Terre: le RAYONNEMENT NET

Rn = Rg*(1-a) + Ra - Rt

Où - Rg : rayonnement global- a*Rg : rayonnement global réfléchi par la surface

- Ra : rayonnement atmosphérique (grandes longueurs d’onde émis par l’atmosphère) - Rt : rayonnement grandes longueurs d’onde émis par la surface

Bilan thermique à la surface de la terre

Rayonnement net à la surface de la terre

Bilan énergétique se calcul comme la différence entre la quantité de chaleur absorbée par les continents et celle renvoyée à l’atmosphère

Rayonnement global « Rg »: Rayonnement solaire ≤5μ ou énergie rayonnante totale du soleil reçu sur une surface horizontale. Ou bien, ensemble du rayonnement à ondes courtes qui frappe la (horizontale) surface de la terre

Elle s’obtient en ajoutant 3 types de rayonnement:

Le rayonnement direct: varie en fonction de la hauteur du soleil au dessus de l’horizon. I l

n’est pas mesuré mais calculé à partir d’un Rg et Rd

Le rayonnement diffus: rayonnement provenant de l’ensemble de l’atmosphère et qui

dépend de sa composition

Le rayonnement réfléchi par le sol dépend lui aussi de l’inclination du rayonnement

- outil de mesure: pyranomètre

-Unité de mesure: watts par mètre carré (W/m2)

• Si un objet reçoit plus d’énergie qu’il n’en perd, sa température augmente.

• Comme sa température augmente, l'énergie perdue par émission de rayonnement augmente

• L’équilibre est atteint lorsque l’énergie que perd l'objet est exactement compensée par

l’énergie qu’il reçoit

Température d'équilibre

Deux domaines principaux de rayonnements naturels : - Domaine des courtes longueurs d’ondes (solaires) - Domaine des grandes longueurs d’ondes (terrestres)

Plus la longueur d’onde est petite, plus l’énergie transportée est élevée

Fraction du rayonnement: 85% par temps clair et 5% par temps nuageux

6000 K 255 K

L'absorption du rayonnement solaire est totale pour l'ultraviolet, et nulle ou très faiblepour le visible et le proche infrarouge. Parcontre, la plus grande partie durayonnement émis par le sol est absorbé parla vapeur d'eau.

Le spectre d’émission du soleil s'étend de 0,2 à 4 μ c'est-à-dire de l’ultraviolet, le visible à l’infrarouge

Le rayonnement solaire:

30%atteint la

stratosphère

8%réfléchis par

les particules dans l’air

Répartition du rayonnement solaire (lumière incidente)

Directement réfléchis, sans être absorbé, dans l’espace par l’atmosphère elle même et par les nuages

52%parviennent

au sol10% absorbé

La vapeur d’eauL’ozone ou O3D’autres gaz

10%perte par réflexion

« Albedo » Neige fraîche 75 à 95%Surface de la mer 2 à 7 %Sol sombre 5 à 15%Cultures 15 à 25%Nuages 4-9%

Sur les 40% qui restent: ¼ seulement est utilisé par la

photosynthèse

Albedo : rapport entre énergie réfléchie et énergie incident

Rôle de l’albedo et de l’effet de serre dans l’ajustement de la température superficielle terrestre

La valeur de δt serait en l’absence de gaz de serre dans l’atmosphère de255 K soit -18°En réalité la T° moyenne effective actuelle de la surface terrestre δt est nettement supérieure Car elle atteint 288 K soit = + 14,8 °C.La différence tient en l’importance de l’effet de serre dû aux divers gaz qui absorbent lesradiations caloriques infrarouges: vapeur d’eau (H2O), CO2, méthane (CH2), N2O et ozone (O3).En l’absence de ces gaz de serre, la surface terrestre serait gelée et donc inapte à la vie

Où - Te: Température d'équilibre radiatif- A : albédo planétaire- F0: Flux solaire à l'extérieur de l'atmosphèreδ: constante de Stefan Boltzmann

La quantité d’eau transpirée par les plantes est d’autant plus élevée que leur alimentation en eau est meilleure. Un hectare de forêts évapore 20 à 50 tonnes d’eau /jour. Ex: en Suède, sur sol sec , un hectare d’épicéa transpire 2100 tonnes d’eau/an contre 4000 tonnes/an sur un sol humide.

Evapotranspiration

La somme de la quantité d’eau transpirée par les plantes et évaporée par les sols

Dans certaines régions semi-arides, l’évapotranspiration est supérieure au montant annuel de la pluviométrie. Elle est compensée par les apports d’origine extérieure: circulation superficielle ou souterraine

Bilans hydriques

L'évaporation de l'eau est le passage progressif de l’état liquide à l’état gazeux

Remarque: le reboisement des espèces du genre Eucalyptus est déconseillé dans les zones subdésertiques méditerranéennes

L’évaporation du couvert est gouvernée par la disponibilité simultanée de deux facteurs: – L’énergie du milieu– L’eau du milieu

Eau + Énergie = Évaporation

•à l’échelle continentale, 62% de l ’eau tombant sous forme de précipitation repart dansl ’atmosphère par évaporation • à l’échelle du bassin versant, ce pourcentage est plus faible (ruissellement en plus)

L'océan occupe 79% de la surface du globe, mais reçoit proportionnellement plus de pluie que les continents.Le rapport pluie/évaporation est inférieur à 1 pour les océans et supérieur pour les continents : la capacité d'évaporation des continents est limitée par la sécheresse des sols et le fait qu'une partie importante de l'eau de pluie rejoint l'hydrosystème (lacs, rivières, nappes).

1g (10ml) d’eau nécessite 2430 j pour s’évaporer

Evapotranspiration

Etp= (P+A)-D

Où P: précipitationsA: les quantités d’eau ajoutéesD: les quantités d’eau drainées

Le climagramme d’Emberger prend en considération que le fait que l’évaporation annuelle est d’autant plus élevée que l’amplitude thermique est plus grande

L'évapotranspiration est déterminée par le climat et la réserve en eau du sol via la formule ci dessous:

L'évapotranspiration réelle d'une région représente l'eau réellement perdue par celle-ci sous forme de vapeur. Ou bien: Diffusion de vapeur d'eau vers l'atmosphère, combinant la transpiration des plantes et l'évaporation du sol

• Evapotranspiration réelle « ETR »

La connaissance de ces deux données est indispensable pour étudier la circulation de l'eau ou pour définir les besoins en eau des cultures.

Correspond, par définition, au cas où l'énergie disponible est le seul facteur limitant de l'évaporation. Elle correspond à une surface saturée en eau.

• Evapotranspiration potentielle «ETP »

Types d’évapotranspiration:

En général, l’ETP n’est pas une variable mesurée, elle est obtenue à l’aide de formules (ou modèles), qui sont des combinaisons entre des paramètres climatiques.

- la température de l’air (agitation moléculaire et capacité de

l’air à stocker l’eau),

- la vitesse du vent (pour la convection, qui permet de

remplacer de l’air humide par de l’air plus sec),

-l’humidité de l’air (capacité de l’air à stocker l’eau),

- la durée d’insolation ou rayonnement (source d’énergie pour

la vaporisation)

Méthodes du bilan hydrique:

Les méthodes du bilan hydrique pour déterminer l’ETP sont les mêmes que les méthodes

pour déterminer l’évaporation d’une surface humide ou d’une nappe d’eau libre.

Nous pouvons citer en particulier quelques techniques courantes :

les bacs à évaporation,;

l’évaporomètre Piche;

les mesures lysimétriques

Méthodes aérodynamiques:

Les méthodes aérodynamiques utilisent le concept du mouvement de la vapeur d’eau de la

surface évaporante vers l’atmosphère et dérivent donc de la physique même du phénomène.

Ce sont les plus vieilles méthodes pour estimer l’évaporation d’une surface libre et elles

restent parmi les plus attractives par leur simplicité.

Les méthodes basées sur la température

ou

où

- Ta est la température de l’air,

- D est la durée moyenne d’insolation,

- RH est l’humidité relative de l’air,

- c, c1, c2, c3 et α sont des constantes

Les méthodes basées sur le rayonnement

Les équations empiriques basées sur le rayonnement sont généralement issues du bilan d’énergie

Ou

où

-f est une fonction de l’humidité relative et de la vitesse du vent,

- w est une fonction dépendant de la température et de l’altitude,

-Rg est le rayonnement solaire global,

-Rn le rayonnement net.

Zones climatiques

Equatoriale et subéquatoriale

Forêts pluvieuses tropicales

(ombrophiles sempervirentes)

- Précipitations abondantes et régulières (> à 1800mm/ an)

- Chaleur maximale: les grands arbres captent la majorité du flux lumineux (feuilles grandes, rigides..)

Ambiance faiblement éclairée (sciaphile).

Ex: Mangroves

Tropicale

Forêts caducifoliées

(Forêts sèches tropicales)

- Précipitations réduites (< à 1200-1400 mm/an)

- T: 10°-20° C

- Saison sèche prolongée

Ex: Mangroves et savanes

Relation végétation – climat

La géographie des plantes est déterminée par la réponse des végétaux aux différents régimesd’énergie.

La végétation permet de connaitre les climats passés (pollens contenus dans les sédiments)

Zones climatiques tempérées

Tempérées chaudes subtropicales

Forêts laurifoliées(laurisylves)

sempervirentes

Tempérée au sens strict

- Forêts pluvieuses tempérées de conifères (arbres gigantesques atteignant 70-100 m: Sequoiasempervirens ). Strates arbustive et herbacée importante

- Forêts caducifoliées (chênes, hêtres, châtaigniers, tilleuls, érables)

- Forêts mixtes tempérées

Semi aride et tempérées continentales

steppes graminéennes

Zones climatiques

Méditerranéenne

Forêts sclérophylles sempervirentes et formation arbustives)

Le climat méditerranéen se caractérise par des étés chauds et secs ainsi que des hivers doux et humides.

Subarctique

Forêts boréales de conifères: la Taïga

(immense forêt de conifères: pin sylvestre, épicea…)

P: assez faible (de 250 à 700 mm) mais étalé sur l’ensemble de l’année

Exige un minimum d’un mois où T moyenne est >à 10° C et deux mois consécutifs sans gelée

Polaire

Toundra

Végétation pauvre et rare due aux froid, la neige et la glace

Zones climatiques désertiques

Arides (désertiques)

Déserts de sables (ergs) et de cailloux (regs) à végétation éparse

- Précipitations réduites (< à 200mm/ an)

- Degré d’aridité d’autant plus élevé que les pluies y sont plus rares et plus irrégulières

- Le couvert déserticole est discontinu: plantes vivaces, ligneuses, xérophytes, annuelles à période végétative très brève

- Les parties souterraines des végétaux sont extrêmement développées. Les feuilles très réduites (en écailles par exemple)

Semi déserts tropicaux

Steppes à épineux, fourrés d’épineux et (ou) fourrés clairs