Un nouveau modèle pour adapter les vignobles au changement climatique



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Cartographier les températures à l'intérieur des zones viticoles par la combinaison de deux modèles spatiaux à échelle fine, tel est l'objet de la publication à paraître dans Agricultural and Forest Meteorology en décembre 2017, avec notamment Renan Le Roux, Thomas Corpetti et Hervé Quénol du labo LETG-COSTEL (université Rennes 2, CNRS).

Cartographier les températures à l'intérieur des zones viticoles par la combinaison de deux modèles spatiaux à échelle fine, tel est l'objet de la publication à paraître dans Agricultural and Forest Meteorology en décembre 2017, avec notamment Renan Le Roux, Thomas Corpetti et Hervé Quénol du labo LETG-COSTEL (université Rennes 2, CNRS).


Le changement climatique est un enjeu majeur pour la filière vinicole. Le climat, et en particulier la température, joue un rôle clé dans la physiologie et la phénologie, i.e. l’apparition d'événements périodiques, de la vigne. Les températures peuvent en effet être très variables à l'intérieur d'une région viticole et sont fortement liées à l'environnement local : caractéristiques de la topographie, présence éventuelle de plans d'eau, types de végétation, zones urbaines.... Or les modèles actuels de circulation générale et les modèles régionaux dynamiques ne peuvent pas tenir compte de cette variabilité locale en raison de leur faible résolution. Pour la modélisation à échelle fine, une option classique consiste à créer un modèle basé sur la régression linéaire multiple (MLR) en utilisant la température comme une variable dépendante et les paramètres locaux comme des variables prédicteurs. Cependant, bien qu'efficace, l'hypothèse de non-linéarité est une contrainte forte qui limite les performances des modèles spatiaux à l'échelle du vignoble.

Dans cette étude, les auteurs ont comparé deux méthodes entièrement automatisées qui permettent d'estimer les températures journalières de température et les sommes de température à une échelle très fine, basée sur des hypothèses linéaires (MLR) et non linéaires (Support Vector Regression: SVR). Les données ont été enregistrées grâce à un réseau d'enregistreurs de température installés en 2011 dans des sous-appellations renommées de la région bordelaise, dont Saint-Emilion et Pomerol. Trois saisons de croissance ont été étudiées en 2012, 2013 et 2014. La validation du modèle a montré que la SVR présentait de meilleurs résultats dans chaque cas grâce à la composante non linéaire, pour un temps de calcul équivalent. La présente étude a mis en évidence qu'un réseau à haute densité produit des cartes avec une gamme de températures plus large que les réseaux à moyenne et basse densité couramment utilisés à l'échelle régionale. Les auteurs ont mis au point un modèle reproductible et très précis pour produire des cartes de température à l'échelle fine. Ce modèle intéressera immanquablement l’industrie vinicole car l'évaluation de la variabilité précise des températures à une échelle fine est essentielle pour celle-ci si elle veut s'adapter au changement climatique.


La température, facteur clef de l’évolution des terroirs… et donc des vignes

La viticulture est un secteur agricole important dans de nombreuses régions du monde, voire une activité économique clé dans divers pays. Une superficie de 7,5 millions d'hectares de terres arables est occupée par la vigne dans le monde. Ces vignes sont très sensibles aux conditions environnementales qui influencent le rendement, la composition du raisin, la qualité du vin et le style de vin. Le concept de terroir quant à lui représente l'effet combiné du sol, du climat et de la topographie ; il intègre également l'impact des facteurs humains, par exemple la viticulture - i.e. la gestion du vignoble - et le choix du cultivar. La variabilité du climat d'une année à l'autre (effet dit « millésimé ») fait donc partie intégrante du terroir, mais on constate cependant qu'il existe depuis quelques décennies une tendance à une hausse des températures dans les régions viticoles en lien avec les effets actuels du changement climatique : une augmentation d'environ 1°C a été enregistrée au cours du siècle dernier (GIEC, 2013). Une autre augmentation de 1 à 3°C est attendue vers la fin du XXIe siècle, dont l'ampleur dépend du taux d'émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, au cours des prochaines décennies, les vignerons seront confrontés à une modification des caractéristiques climatiques qui se traduira par une expression différente de chaque terroir. Parmi la diversité des variables climatiques qui influent sur la physiologie et la phénologie de la vigne, la température est souvent considérée comme la plus importante.

De nombreuses études ont été consacrées à l'évaluation de cet effet sur le comportement de la vigne. Les superficies viticoles ont ainsi été classées par indices en fonction de la chaleur accumulée ou par degrés-jours. D'autres indices ont été mis au point qui établissent un lien entre la concentration de sucre dans le raisin et la température, ou encore l'occurrence de stades phénologiques clés avec les totaux de température. Les relations entre ces indices et le comportement de la vigne ont été étudiées dans le monde entier. Dans ces études, les données d'une station climatique au sein de chaque région viticole sont souvent utilisées : ces données sont supposées représenter l'ensemble de la zone. Or, cette méthode n'est pas optimale, car les températures sont susceptibles de montrer une grande variabilité aux échelles fines. Dans une étude de 2014, Hervé Quénol et Valérie Bonnardot (LETG-COSTEL) ont ainsi montré une différence possible de plus de 2 °C sur une surface viticole donnée, soit du même ordre de grandeur que la hausse de température globale estimée pour l’ensemble du XXIe siècle ! Cette marge d’incertitude étant évidemment trop importante, il apparait essentiel de mieux connaître la variabilité climatique locale pour mieux concevoir et mettre en œuvre des stratégies d'adaptation face aux changements climatiques futurs.


Définir avec précision la variabilité climatique locale : les différents modèles

Différents types de modèles existent pour représenter le climat sur Terre à différentes échelles. Pour les échelles globales, à l'échelle planétaire donc, mais avec une faible résolution spatiale (de 500 à 50 km), les modèles de circulation générale (MCG) sont principalement utilisés pour la prévision météorologique, mais aussi pour élaborer des scénarios de changement climatique et estimer les paramètres climatiques futurs tels que la température, les précipitations et le vent. De toute évidence, ce type de modèle ne permet pas de tenir compte de la variabilité des températures à l'échelle locale du vignoble. Plusieurs études ont tenté d'améliorer la résolution des MCG, ce qui a mené à l'élaboration de différents modèles climatiques régionaux, comme les modèles RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) et WRF (Weather Research and Forecasting). Dans le contexte de la variabilité climatique des vignobles, RAMS a été utilisé dans la région viticole du district sud-africain de Stellenbosch pour étudier les modèles climatiques locaux à une résolution de 200 mètres. Cependant, les résultats ont montré d'importantes erreurs de prévision à cette échelle. Le modèle WRF a récemment été utilisé pour caractériser le climat et modéliser la phénologie de la vigne dans la région de Marlborough, en Nouvelle-Zélande, à une résolution de 1 kilomètre. Toutefois, les études ont montré que, pour un endroit et une période précis, le modèle WRF peut représenter la variation de température à une échelle plus fine mais uniquement sur des périodes courtes (quelques années) en raison notamment des temps de calcul. WRF a également été utilisé à une résolution de 4 kilomètres sur l'ensemble de la Bourgogne viticole mais pas à une échelle plus fine. Par conséquent, à ce stade, force est de constater que les modèles dynamiques fondés uniquement sur des processus biophysiques ne sont pas en mesure de représenter de façon adéquate les variations de température à l'échelle locale.

D’autres pistes sont explorées : en plus d'appliquer des modèles locaux basés sur la physique, des techniques de réduction d'échelle basées sur les relations statistiques entre variables globales et variables locales peuvent être utilisées pour représenter les variations de température à plus petite échelle dans les régions viticoles. Cependant, les résolutions spatiales de ces modèles ne sont généralement pas encore assez précises pour être utilisées par les viticulteurs. Les techniques de télédétection fournissent également des informations thermiques intéressantes à des échelles fines de température, mais la résolution temporelle n'est pas assez élevée pour créer des cartes de température quotidiennes.

Comme nous l'avons déjà mentionné, la composante climatique du terroir viticole, dans lequel la température joue un rôle clé, varie sur de très courtes distances, influençant les caractéristiques du vin sur les zones viticoles. Un modèle correct et précis de la température est donc nécessaire pour caractériser précisément ce composant.



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Enregistreur de données et son bouclier solaire dans le vignoble du site d'étude


Un nouveau modèle hybride observation/modélisation qui prend en compte la topographie

Pour compenser la difficulté des modèles dynamiques à représenter avec précision la variabilité locale des températures, des réseaux d'observation fine ont été mis en place pour suivre les températures du vignoble. La distribution spatiale des sondes de température est déterminée sur la base des caractéristiques topographiques dérivées des modèles altimétriques numériques (MAN). Bien que la variabilité de la température soit régie par un grand nombre de paramètres tels que l'humidité du sol, le vent et le rayonnement solaire, on sait désormais que ces paramètres dépendent également de la topographie. Par conséquent, l'explication de la variabilité des températures en utilisant les caractéristiques topographiques comme variables explicatives est un moyen de réduire le nombre de données d'entrée nécessaires à la modélisation spatiale. La relation entre la température et ces variables topographiques peut être utilisée pour estimer la variabilité de la température à une échelle très fine afin de fournir une meilleure analyse du comportement des plants. Des études menées en 2011 ont montré que des plantes spécifiques poussent dans les climats locaux en fonction des variations locales de température. Dans un vignoble, les dégâts sur les vignes dus au gel peuvent être très localisés et sont généralement fortement liés à la topographie locale. C'est la raison pour laquelle les approches améliorées de la cartographie des températures à haute résolution fournissent des outils prometteurs pour l'industrie du vin.

Plusieurs auteurs ont établi des cartes de températures à échelle précise dans les régions viticoles en combinant des réseaux d'observation de capteurs de température à haute résolution avec des modèles d'interpolation à échelle fine. Pour les études climatiques axées sur la température, on a utilisé avec succès la régression linéaire multiple en couplant entre la température et les caractéristiques topographiques dérivées d'un modèle numérique d'altitude. Ces études supposent que la température a une relation linéaire avec chaque prédicteur. Bien qu'efficace, l'hypothèse de linéarité demeure une contrainte importante qui limite peut-être la performance du modèle et, compte tenu des progrès récents dans le domaine de la puissance de calcul et des méthodes statistiques, il est maintenant possible d'utiliser la régression non linéaire pour estimer la distribution spatiale de la température.


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Pour cette étude, un réseau d'enregistreurs de température a été mis en place en 2011 dans les fameuses sous-appellations de la région viticole bordelaise, dont Saint-Emilion et Pomerol. Cette zone viticole est largement documentée en ce qui concerne les conditions du sol, l'absorption d'eau et le climat régional. Pour comprendre l'impact du changement climatique à l'échelle du vignoble et comprendre comment le secteur viticole pourrait s'adapter à ce changement, un programme de recherche complet était nécessaire. Ces travaux s'appuient donc sur plusieurs programmes scientifiques (dont le programme européen LIFE-ADVICLIM1) traitant de l'impact du changement climatique sur la viticulture à petite échelle. Il complète l'effort de développement d'une méthodologie basée sur la combinaison de l'observation climatique et agronomique in situ et sur la modélisation spatiale, qui permet d'évaluer la variabilité spatiale des paramètres atmosphériques à l'échelle du terroir, ce qui est crucial pour les viticulteurs, en permettant de générer des cartes de températures précises et reproductibles à l'échelle locale. Une fois validés, ces modèles seront à même de proposer pour le futur des scénarii de changements climatiques à petite échelle.


En conclusion, cet article permet de mieux comprendre la variabilité du climat dans un sous-ensemble d'appellations renommées de la région bordelaise. Le microclimat, et en particulier la température, sont une caractéristique importante des terroirs viticoles. Les températures influencent la phénologie, or la période de maturation est cruciale pour la production de vins de haute qualité : quand les raisins mûrissent trop tard, les vins sont acides et ont un goût vert ; lorsque les raisins mûrissent trop tôt, les vins sont déséquilibrés à cause d'un excès d'alcool et d'un manque de fraîcheur. Les enjeux sont clairs : si on peut apporter aux producteurs une connaissance précise des températures locales, alors ils pourront s’adapter en choisissant du matériel végétal ad hoc (variétés et porte-greffes) et adopter des pratiques de gestion efficientes (temps d'élagage, hauteur du tronc, gestion de la canopée). Ces adaptations pourront être mises en œuvre à l'échelle de la parcelle, avec une parcelle viticole de moins d'un hectare en moyenne. Par conséquent, la connaissance du climat, et en particulier des températures, à l'échelle du microclimat, est essentielle pour les producteurs.

Les auteurs démontrent que le modèle non linéaire SVR (Support Vector Regression) peut être un outil utile pour améliorer la modélisation climatique des vignobles à l'échelle locale. En effet, des modèles stables et précis à l'échelle fine sont essentiels pour établir un lien avec les modèles mondiaux et régionaux du changement climatique. A terme, ils pourraient constituer une étape vers une modélisation fine des scénarii de changement climatique, afin de projeter à l'échelle de la parcelle l'adaptation nécessaire pour que les viticulteurs puissent continuer à cultiver des vins de haute qualité dans un climat changeant.


Source
Renan Le Roux, Laure de Rességuier, Thomas Corpetti, Nicolas Jégou, Malika Madelin, Cornelis van  Leeuwen, Hervé Quénol. Comparison of two fine scale spatial models for mapping temperatures inside winegrowing areas. Agricultural and Forest Meteorology, 247, December 2017, 159-169. doi.org/10.1016/j.agrformet.2017.07.020




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Renan Le Roux (LETG-COSTEL)
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