Les Sentinelles du Climat

Le climat joue un rôle fondamental dans la répartition et la vie des êtres vivants. Il est caractérisé par plusieurs facteurs : température, précipitations, humidité, vent, lumière,… Ces facteurs sont à relier à la théorie de la hiérarchie des niveaux d’organisation des systèmes écologiques à différentes échelles  :
– le globe terrestre (zone climatique-biome/peuplement),
– la région (macroclimat-écosystème/communauté),
– la localité (méso climat-habitat/population),
– de l’individu (microclimat-environnement immédiat/organisme).

Des approches mixtes sont alors nécessaires pour étudier l’effet du changement climatique sur la biodiversité. Les prévisions de l’évolution du climat à l’échelle de la planète avec des modèles statistiques permettent un niveau de détail limité. Les résultats doivent être affinés à des domaines spécifiés . Les différentes zones géographiques connaîtront des intensités variables du changement climatique . Elles renferment des espèces avec des sensibilités différentes à la pression des modifications climatiques .

À l’échelle du globe, les grandes zones sont les suivantes : zones à climat équatorial, tropical, subtropical, tempéré, subpolaire et polaire .

La France est en zone tempérée.

D’ici 2100, l’augmentation de la température moyenne en zone tempérée se retrouvera dans une gamme comprise entre 3,4°C à 3,6°C en hiver, et 2,6°C à 5,3°C en été, selon les scénarios utilisés. L’augmentation de la température sera également associée à une forte augmentation du nombre de jours de vagues de chaleur en été, des épisodes de sécheresse au sud du pays, du taux de précipitations extrêmes et à une diminution des extrêmes froids .

La zone tempérée contient une grande richesse botanique liée à la diversité de climats, de reliefs et de types de sols, qui en font une zone d’étude avec une grande diversité d’écosystèmes naturels bien documentés , fermés ou ouverts, aquatiques et terrestres – forêts, prairies, landes, milieux méditerranéens, zones humides et écosystèmes aquatiques . Cette biodiversité diversifiée est potentiellement impactée par le changement climatique.

A l’intérieur d’une même zone climatique, les conditions climatiques ne sont pas uniformes. Sous le climat tempéré de la France, plusieurs régions climatiques sont distinguées à l’échelle des climats régionaux ou macroclimats .

La Nouvelle Aquitaine fait partie de la région climatique océanique et de montagne.

Dans le sud-ouest de la France, le réchauffement climatique sera parmi le plus important. Les scénarios prévoient des sécheresses estivales récurrentes dans les décennies à venir, un réchauffement général marqué par des vagues de chaleur plus nombreuses et un accroissement possible des épisodes de pluie intense en été. Les évolutions moyennes sont généralement caractérisées par des vents hivernaux moins violents et des vents d’été éventuellement plus violents car associés à des tempêtes d’origine convective. À la différence des situations hivernales, le mécanisme qui peut amplifier les circulations atmosphériques d’été est connu : il s’agit de la condensation de la vapeur d’eau. Il s’agit de risques fortement étayés, mais pas de prévisions certaines. Le sud-ouest, avec sa très longue façade maritime sera également particulièrement sensible au relèvement moyen du niveau de la mer. Un relèvement de quelques dizaines de centimètres est anticipé pour la fin de ce siècle .

L’augmention des niveaux de température (3-4°C) sont à rapporter au domaine du vivant sauvage qui se situe entre 10°C et 35°C. Dans ce programme un partenariat avec Météo France est en cours de développement et permettra de travailler sur une relation entre la simulation climatique future avec les projections des modèles de biodiversité. Rappelons que les facteurs climatiques étudiés seront la température, l’humidité relative, la vitesse du vent, les précipitations, la radiation solaire, et, en milieu montagnard, l’épaisseur de la couche de neige. La température et les précipitations représentent les facteurs les plus importants du climat.

La température dépend de la nébulosité jouant un rôle de filtre, de la latitude, de l’angle d’exposition du site au rayonnement, de la présence d’une masse d’eau par son inertie, des courants marins (Gulf Stream, Labrador) apportant, prélevant des calories, des caractéristiques de surface du sol (les roches claires renvoient plus de chaleur que les terres sombres), des formations végétales en place (les végétaux amortissant les variations de température). La quantité de précipitations (pluie, neige, brouillard, rosée…) indique la quantité d’eau disponible pour les êtres vivants. L’humidité dépend de la quantité d’eau tombée par unité de temps, de la durée (nombre de jours de pluie), de la forme de ces précipitations (orage, ou pluie fine), de la température, des vents et de la morphologie de la station considérée. A chaque température, correspond une tension maximale de vapeur d’eau permettant de déterminer l’humidité relative. La vitesse du vent dépend fortement de la nature du terrain, de sa rugosité. La lumière joue un rôle fondamental dans la vie des plantes mais également des animaux par sa durée, son intensité et la qualité de ses radiations. La luminosité dépend de la latitude, de I’altitude, de la saison, de l’incidence locale des rayons, de la nébulosité, de la nature du substrat et du couvert végétal . La période de fonte des neiges est influencée par la température mais également par la quantité de précipitions et d’autres facteurs . Le ressenti du vivant est une combinaison de ces facteurs.

Dans une région climatique, le climat n’est pas le même en tout lieu. Les climats locaux sont variables suivant l’altitude et la latitude. Dans le programme, ce climat est défini par les données de stations météorologiques disposées localement sur la plupart des sites observés. Les conditions climatiques sont particulières et résultent notamment de la topographie et du couvert végétal. L’action combinée des facteurs climatiques, et notamment du couple température-humidité, conditionne directement la répartition des espèces végétales et animales, et le développement de leurs populations . Les suivis des espèces sentinelles sont donc complétés par des suivis météorologiques ponctuels (température et humidité de l’air) sur chaque site. Ces deux facteurs sont les plus représentatifs et les plus facilement mesurables des conditions climatiques des populations à cette échelle locale. Les variables température et humidité de l’air ont été sélectionnées pour refléter les deux principales composantes du climat : l’énergie et l’eau ; qui ont un rôle déterminant dans la répartition et la biologie des espèces comme les amphibiens et les reptiles . En effet, la température corporelle de ces espèces détermine la plupart des processus physiologiques et biochimiques. La température extérieure influence la phénologie, par exemple la sortie de l’hibernation ou la dormance chez les plantes . La disponibilité en eau est un facteur clé pour la faune et la flore ; par exemple, pour la reproduction des amphibiens. La quantité et la durée des précipitations peuvent affecter dramatiquement l’efficacité de la reproduction annuelle d’une population d’amphibiens. D’après Guillon (2014), l’humidité semble être une composante importante pour la Vipère aspic, Vipera aspis, et la Vipère péliade, Vipera berus, lors de la sélection de leur habitat.

La région Nouvelle Aquitaine offre des sites d’étude privilégiés par ses écosystèmes diversifiés. Les différents types d’écosystème choisis ont des conditions climatiques spécifiques. Le changement climatique augmentera la caractéristique des milieux secs et dunaires, déficitaires en eau absorbable avec des sécheresses et canicules. Le milieu dunaire est également soumis à l’érosion marine. Le changement climatique induira un déficit hydrique dans les milieux humides. Il dégradera les conditions fraiches et humides des hêtraies relictuelles de plaine. Les milieux montagnards seront soumis aux variations amorcées du régime des pluies, aux changements de températures estivales et aux modifications du manteau neigeux .

Les conditions climatiques particulières du climat local contribuent à l’étude de la réponse physiologique de l’organisme aux variations climatiques. Plusieurs études en écophysiologie ont souligné l’importance croissante de l’étude de ces réponses, y compris leurs limites de tolérance aux changements environnementaux. L’écophysiologie peut contribuer à une vision globale des impacts des changements climatiques sur les organismes, les écosystèmes et leurs réponses évolutives . Diverses approches conceptuelles et de modélisation traitent des questions de réaction thermique en se basant sur les limites de tolérance des organismes .

Dans ce programme, les réponses des individus sont étudiées au moyen de dispositifs expérimentaux sur le terrain en utilisant des sondes, des thermocouples placés dans des modèles biomimétiques permettant d’imiter les propriétés thermiques et hydriques des organismes .

A partir des mesures mésoclimatiques de température et d’humidité réalisé dans le cadre du programme, la problématique posée est la suivante : comment analyser le lien entre les mesures de température et d’humidité et les suivis locaux des espèces sentinelles du climat ? Les hypothèses de travail sont les suivantes :
1- les journées se décomposent autour de journées types apportant une signature particulière de l’évolution du milieu de vie, dont le couvert en flore qui peut en changer le comportement thermique de conductivité et de capacité calorifique ;
2- les réponses climatiques sont spécifiques dans les milieux catégorisés secs et frais agissant sur la réponse des éléments biologiques de ces milieux.

Les objectifs pratiques sont les suivants :
1- créer un réseau de stations météorologiques des sites d’étude ;
2- établir un lien entre la pression du changement climatique et les suivis de biodiversité, encadrer ces liens pour son extrapolation ;
3- suivre l’évolution de l’état de deux types de milieux dans le temps et dans l’espace.

Les mesures de température et humidité de l’air sont déployées sur les sites sentinelles. Une organisation pour la pose de stations météorologiques à l’échelle de la région Nouvelle-Aquitaine a été mise en place, en partenariat avec l’ensemble des chargés d’étude des suivis floristiques et faunistiques. Un tutoriel explique les étapes de montage des stations.

En 2016, 61 sites ont été équipés en stations météorologiques. En 2017, le réseau de stations météorologiques représente 133 sites sentinelles équipés. Les sites ont été équipés en fonction de l’opportunité d’accords des propriétaires pour la pose des stations météorologiques. En 2018, environ une cinquantaine d’autres sites d’étude seront également accessoirisés et permettront d’obtenir un réseau complet de suivi sur tous les sites sentinelles.

– Particularité des stations météorologiques le long du littoral aquitain

Le long du littoral aquitain, 15 secteurs ont été sélectionnés afin de positionner les stations météorologiques. Ils ont été regroupés en 8 classes de facteurs d’influences climatiques et morphologiques : Influence de la zone côtière basque, Influence de la dérive littorale, Influence des embouchures, Influence de l’érosion, Influence des lacs et étangs, Influences des passes du Bassin d’Arcachon, Influence de la pluviométrie, Influence de la submersion.

– Stations météorologiques et suivi des espèces sentinelles du climat

Les sites de suivis ont été choisis pour réaliser des suivis multi-espèces. Les stations météorologiques sont ainsi associées aux suivis d’un ou plusieurs taxons, globalement des suivis flore associés à des suivis faune.

Les facteurs climatiques mesurés sont la température et l’humidité relative sur chaque site d’étude de suivis floristiques et faunistiques. Ces facteurs sont les plus représentatifs et les plus facilement mesurables des conditions climatiques des populations à l’échelle locale. Le matériel de base choisi est l’enregistreur de température/humidité relative externe avec interface USB optique HOBO datalogger U23 Pro V2 (HOBO U23 Pro v2, Hobo®, Onset Computer Corporation, Bourne, MA, USA) et l’abri météorologique HOBO0039 RS1.

La station météorologique est une station autonome à faible consommation disposant d’une mémoire suffisante pour enregistrer au minimum une année de suivi. Ce matériel a été utilisé, testé et validé dans le cadre d’une étude sur les effets du changement climatique sur la phénologie des essences d’arbres en zone tempérée européenne . La plage de fonctionnement du capteur U23-002 de température externe est de -40° à 70°C. La précision est de ± 0,21°C de 0° à 50°C et la résolution 0,020°C à 25°C. La stabilité (dérive) dans le temps est inférieure à 0,1°C par an. La plage de fonctionnement du capteur d’humidité relative U23-002 est de 0-100% HR, -40° à 70°C. La précision est ± 2,5% de 10% à 90% HR, avec un maximum de ± 3,5% et une résolution de 0,03%. La stabilité (dérive) est inférieure à 1% par an. La plage de fonctionnement du logger est de -40° à 70°C. L’horloge en temps réel est de ± 1 minute par mois de 0° à 50°C. La batterie 1/2 AA, 3.6 Volt lithium est autonome pour une utilisation standard pendant maximum 3 ans avec un intervalle d’enregistrement de 1 minute ou plus. La mémoire est de 64 Ko (environ 21 000 mesures de température et d’humidité relative). Les sondes et l’enregistreur sont résistants à la submersion brève et à la pluviométrie.

Dans chaque site, les capteurs sont installés à 1,10 m-1,30 m au-dessus du sol, à proximité des points d’échantillonnage des populations, en conditions représentatives des conditions du suivi flore et faune (milieu ouvert, lisière, etc.), à l’abri des regards pour éviter les éventuelles dégradations, à une distance maximum de 100 m et à la même altitude. Cette hauteur est aussi choisie pour représenter en moyenne les conditions environnementales de vie de l’ensemble des populations des espèces suivies.

Pour éviter toute exposition à la pluie et à la lumière directe du soleil, les capteurs sont protégés par un abri constitué de couches de plastique blanc, espacées les unes des autres pour permettre une bonne circulation de l’air. Les supports de fixation sont des poteaux en acacia pour les sols meubles et épais, l’utilisation d’arbre isolé à étêter sur des sols durs et des piquets en acier encastrés entre de gros rochers pour les milieux montagnards. La face de la station météorologique est positionnée de la même manière sur chaque site, orientée sud permettant d’éviter des variations liées à l’ombre du piquet de fixation.

Les données sont enregistrées toutes les heures toute l’année soit 17520 données (24h x 365 jours x 2 mesures de température et humidité) par station météorologique. Tous les capteurs sont inter-calibrés avant l’installation sur le terrain. 60 enregistreurs ont été calibrés le 07/05/2016 à 1:00 AM (1 enregistreur recalibré 11/10/2016 1:00 AM) et 150 enregistreurs le 14/04/2017 à 1 :00 AM.

Un fichier de métadonnées recense toutes les informations de chaque station météorologique : N° de la sonde, structure en charge de la station, nom du site, la commune/secteur, le milieu (dunaire, sec, humide, forêt, montagne), le taxon, la date et l’heure de mise en route, la date et l’heure de pose de la station, les points GPS en WGS84 (Longitude, Latitude), altitude (en m), évènement, photos, le contact de la personne en charge de l’entretien de la station.

Le suivi du réseau des stations météorologiques est basé sur les normes de l’Organisation météorologique mondiale appliquée par Météo France. Tous les évènements sont renseignés : les éventuelles dégradations naturelles ou anthropiques, les défauts de fonctionnement, les conditions du milieu (photo nord-sud-est-ouest), le changement des piles, l’entretien de fixation et la récupération des données.

Une navette de transport de données 4 Mo – U-DTW-1 – Hobo est utilisée afin de récupérer les données de manière pratique dans les conditions difficiles sur le terrain comme par exemple en milieu montagnard. Un tutoriel présente la connexion de la navette à l’enregistreur pour la récupération des données de mesure.

Ensuite, un 3ème tutoriel explique l’utilisation du logiciel HOBOWARE PRO V3.0.X permettant de connecter la navette à l’ordinateur pour la récupération du fichier contenant les mesures. La récupération des données est réalisée deux fois dans l’année lors du premier suivi et du dernier suivi des chargés d’étude dans la période de mars à septembre. L’année 2017 n’est pas complète en recueil des données car les installations de 2016 ont été réalisées en milieu d’année. Les fichiers sont ensuite envoyés à Cistude Nature, Fanny Mallard, coordinatrice du programme les sentinelles du climat, soit environ 400 classeurs par an. Les piles sont changées une fois par an lors du dernier déchargement des données. Un dernier tutoriel explique les différentes étapes de manipulation de la carte mémoire.

Des macros dans Excel® 2013 (15.0.4989.1000) Visual Basic ont été développées afin d’automatiser la fusion et la gestion des classeurs. Une sonde fournit 17520 valeurs par an (N°, date, heure, température, humidité). Plus de 200 sondes au total seront installées. Le traitement sur une année pour une sonde est abordable avec un tableur. Les latitudes, longitudes, altitudes sont recensées. Des méthodes de contrôle préconisées par l’OMM (Organisation météorologique mondiale) et par Météo France sont effectuées avant les premières analyses. Les complétudes et cohérences des données sont vérifiées comme indiqué par l’OMM. Les traitements restent lourds sur tableurs et doivent être agrégés année par année pour une sonde.
Le logiciel d’exploitation utilisé est HOBOWARE PRO V3.0.X LOGICIEL. Il permet de visualiser les séries Température/Humidité en fonction du temps.