Bull. OEPP 10 (2) 53-59 (1980)

Choix des elements et de leurs limites dans I’etablissement de modeles biometeorologiques’

The Choice and Limitations of Parameters Used in Establishing Biometeorological Models

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par 6. PRIMAULT lnstitut Suisse de Meteorologie, Zurich (Suisse)

Le chercheur qui se propose d’etablir un modele biometeorologique est place devant l’alternative de suivre les phenomenes de la vie dans toute leur complexite ou de ne tenir compte que des imperatifs de la pratique. Dans le premier cas, il doit pouvoir s’appuyer sur les systemes les plus raffines d’acquisition de donnees tant meteorologiques que biologiques et disposer d’auxiliaires importants, en particulier d‘un ordinateur a grande puissance, capable de lui demontrer de facon statistiquement irrefutable que les relations supposees existent reellement. Dans le second cas, quelques indications tres simples ne necessitant qu’un materiel rudimentaire sont seules,a envisager. I1 semble donc qu’il y ait opposition suivant l’option qui est prise, mais en realite les deux approches sont etroitement liees et complementaires. On a vu que le climat subissait, en un lieu donne, des variations importantes d’une annee a I’autre et que certaines epoques ou dates connaissent des revirements non negligeables. Par consequent, seule une etude tres approfondie des repercussions d’accidents meteorologiques sur I’6tre vivant (organisme nuisible, parasite, predateur ou h6te) permet de situer les limites de developpement possible. Mais I’etude climatologique montre egalement quels sont les elements principaux que le praticien doit observer ou mesurer et les seuils critiques auquels il faut se referer. Ainsi, si seuls des chercheurs disposant de laboratoires tres bien equipes peuvent suivre le premier parti de l’alternative, d’autres, tres proches des realites naturelles et de la pratique. doivent ensuite prendre le relais pour mettre en valeur les resultats obtenus. Une telle succession de demarches apporte a l’exploitant l‘outil dont il a besoin pour lutter efficacement contre les ennemis de ses cultures.

The establishment of a biometeorological model may either take account of biological phenomena in all their complexity or limit itself to practical considerations. In the first case, sophisticated data acquisition systems are required, for both meteorological and biological data, and a powerful computer is required to prove beyond doubt the statistical validity of any proposed relations. In the second case, fairly simple observations and equipment are sufficient. In spite of this opposition, both aspects are closely linked and complementary. The climate at a given site may vary considerably from one year to the next and sudden changes are quite common during control periods. Only a thorough study of the effects of meteorological incidents on organisms (host, predator or parasite) will show the possible limits to development. However, climatological studies also show the principal elements which must be observed and measured and the critical thresholds for each. Thus, well-equipped laboratories can undertake the first task, leaving others closer to nature and practice to << digest /) the results obtained and fulfil the second. This succession provides the means for effective pest control.

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1 Communication presentee a la Conference OEPP sur les previsions et avertissements pour la protection des vegetaux, Paris, 21-23 juin 1977.

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Historique

Depuis bien des annees deja, on a cherche a simuler l'evolution des organismes vivants au moyen de modeles biometeorologiques. I1 s'agit en general de trouver avec quelle rapidite les plantes, les insectes ou les champigons se developpent sous l'action de certains parametres meteorologiques determines qui sont generalement la temperature, I'eau etlou le xayonnement.

C'est Reaumur (1735) qui, le premier, avait pense utiliser des temperatures cumul6es pour suivre l'evolution de la croissance des plantes. Dans son idee, ce developpement etait lie uniquement a ce facteur meteorologique et il pensait que ladite liaison etait lineaire et constante entre les deux phenomenes. Si, dans son raisonnement, Reaumur pensait trouver une liaison simple et univoque, on sait aujourd'hui que des accidents meteorologiques sont toujours possibles et qu'ils peuvent avoir des repercussions physiologiques irreversibles sur l'organisme vivant considere. Ainsi, on suivra I'evolution des parametres meteorologiques au cours de l'ann6e - que ce soit l'annk de reference pour la creation d'un modele ou une annee quelconque de son application - et il sera possible de mieux tenir compte des repercussions physiologiques d'accidents meteorolo- giques.

Muller (1 980 a, b) montre deux particularites des series climatologiques qu'il est indispensable de prendre en consideration lorsque l'on veut etablir un modele ou I'appliquer. I1 s'agit des fourchettes climatologiques et des singularites.

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Samie (1 980) fait etat des possibilites offertes actuellement aux chercheurs pour suivre cette evolution du temps. Cette observation peut &re effectuke minute par minute et il est ainsi possible de prendre en consideration toutes les particularites de la periode de reference afin de les traduire ensuite de faqon chiffree dans leur modeles.

Conception des modeles

Le chercheur qui s’attache a creer un modele biometeorologique - que ce soit la simulation de la croissance d’une plante afin de determiner ensuite ou cette plante pourra ktre cultivee, ou la simulation du developpement d’un insecte ou d’un champignon afin d’en faciliter la lutte - se trouve confronte a une alternative. Du choix qu’il operera dependra en grande partie la valeur pratique du modele developpe. Ce choix est d’autant plus difficile qu’il entraine necessairement une conception tres spkifique de la forme elle- mgme du modele. Les deux partis de l’alternative sont les suivants :

1. Le chercheur suit le plus exactement possible les mecanismes specifiques du metabolisme de l’ktre vivant (plante, insecte ou champignon). Ceci necessite une etude prealable des agents influenqant ce metabolisme, c’est-a-dire une etude tres specifique des parametres exterieurs qui regissent la vie tout au long du developpement. Ces parametres peuvent varier, soit dans leurs limites, soit dans leur essence mCme avec les differentes phases du developpement. Ensuite, il devra analyser I’influence specifique de chacun d’eux afin d’obtenir des chiffres de reference pertinents dans chaque cas. I1 est donc, par exemple, tout a fait concevable que le rayonnement doive etre mesure dans des bandes differentes du spectre selon les phases phenologiques atteintes.

Cette analyse faite, le chercheur devra adapter les capteurs et le programme de mesure aux resultats de ladite analyse mais, de toute faqon, ce choix entrainera l’engagement de moyens considerables, tant en ce qui concerne le nombre de parametres observes que la frequence des observations. Seules une ou des installations automatiques d’acquisition de donnkes pourront venir a bout du programme indispensable a la realisation d’une telle recherche.

L‘engagement de moyens considerables d’acquisition appelle en corollaire la necessite de disposer de moyens importants de depouillement, c’est-a-dire I’engagement d’un ordinateur a grande puissance pour l’examen des valeurs enregistrees (plausibilite) et les calculs statistiques. Le passage du systeme d’acquisition au systeme de depouillement requiert une parfaite compatibilite des deux operations, soit par un couplage direct, soit par le fait que la premiere constitue un support de l’information directement utilisable par la seconde (bande perforee, bande magnetique ou cartes perforees).

2. Le chercheur poursuit un but pratique. Dans ce cas, il n’attribuera plus le poids principal au metabolisme de la plante mais aux donnees disponibles, c’est-a-dire au programme de mesures preexistant a l’endroit ou aux endroits oh il voudra appliquer son modele. Dans ces conditions, les considerations metaboliques de l’ktre vivant passeront au second plan et l’attention principale sera vouee aux elements mesures (et non plus mesurables) et aux delais d’observation en vigueur durant de longues periodes (30 ans ou davantage). Le modele qui en resultera sera necessairement beaucoup plus simple et sa precision dans I’application en pgtira.

Comme un tel modele ne necessite pas de mesures nouvelles ni I’engagement de moyens electroniques puissants, ses possibilites d’utilisation sur de vastes espaces s’en trouvent augmentees. Pourtant, il faudra prendre en consideration l’imprecision inherente a la methode d’elaboration du modele.

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But poursuivi dans I’elaboration des modeles

L‘utilisateur dun modele, tout comme le chercheur I’ayant elabore, se trouve place devant une alternative semblable : faut-il suivre annee apres annee l’evolution des plantes ou de leurs ravageurs, voire des deux ensembles ou etudier separement les possibilites de developpement, soit de la plante h6te, soit du ravageur hi-mCme.

1. Dans le premier cas, seul un modele tres complet peut donner satisfaction, entrainant l’engagement de moyens considerables. I1 faudra placer dans les champs a proteger, ou dont on veut connaitre le rendement, des systemes d’acqilisition adaptes strictement aux modeles a utiliser. Ces systemes varieront donc d’un objet a l’autre et ne pourront que rarement 6tre utilises a d’autres projets. En effet, l’endroit (en particulier la hauteur au-dessus du sol) ou les elements sont mesures (par exemple la frequence du rayonnement) devra &tre adapte au genre d’organismes dont on veut suivre le metabolisme.

Ici aussi, comme dans la recherche, le programme de mesures, c’est-a-dire le moment et la frequence ou les capteurs seront interroges, doit dtre adapte au modele. Toute cette information devra &tre transmise ensuite a l’ordinateur et cela a tres bref delai. La solution ideale est le couplage direct du systeme d’acquisition a l’ordinateur de depouillement (plausibilite, contr6le des capteurs, etc.) et de calculs. Bien qu’il soit possible de travailler en temps differe, l’ecart de temps entre l’interrogation et le depouillement doit necessairement dtre tres bref (de l’ordre de quelques heures seulement) pour permettre une intervention rapide en cas d’incidents ou d’accidents techniques.

2. Dans le second cas, on peut orienter la recherche dans deux directions :

a) Etablir sur la base de donnees climatologiques les possibilites de developpement d’un ravageur ou d’une plante afin de calculer le risque d’evenements nefastes (epiphyties, mauvaises rh l tes , etc.). Ces calculs peuvent conduire egalement a l’etude des mouvements possibles de developpement de population afin de preparer des traitements et de supputer leur valeur economique.

b) On peut, par l’etablissement de modeles simples reposant sur des observations repetees et identiques faites au m&me endroit, donner au praticien un outil de travail lui permettant d’evaluer lui-mCme le degre de developpement, par exemple d’une population de ravageurs, et de prendre les mesures qui s’imposent.

En fait, l’opposition entre les deux alternatives decrites n’est qu’apparente puisqu’il y a, au contraire, complementarite entre les deux options, la premiere devant conduire a la seconde, mais pour cela il faut que le chercheur et l’utilisateur se soient concertes quant au but recherche. Ainsi, l’etude exacte du metabolisme d’une plante, d’un insecte ou d’un champignon conduira a l’examen tres precis de leurs besoins quant aux parametres meteorologiques et a l’etablissement de modeles compliques.

L‘etude comparke de ces modeles compliques avec les donnees disponibles (tant en ce qui concerne les elements isoles que les delais d’observation) amenera a une simplification progressive des modeles afin de les rendre applicables aux series climatologiques. Toutefois, dans cette simplification, il sera indispensable de tenir compte de certaines limites qu’elles soient physiologiques ou meteorologiques.

Considerations pratiques

Etudes bibliographiques

Les chercheurs qui veulent etablir des modeles biometeorologiques seront necessairement appeles a prendre connaissance du plus grand nombre possible de travaux existant deja et se referant a leur objet. Trop souvent, malheureusement, les chercheurs se

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limitent a certaines etudes, nationales pour la plupart. II faut reconnaitre que la barriere des langues demeure un obstacle majeur.

Seuils de d6veloppement ou limites physiologiques

A titre dexemple, reference est faite a l’influence de la temperature sur la croissance d‘une plante, en admettant que toutes les autres conditions sont optimales. On peut alors etablir des limites precises pour la temperature minimale supportable, au-dessous de laquelle des dommages irreversibles se produisent au niveau des cellules, le zero de vegetation correspondant a la temperature minimale necessaire au metabolisme de la plante, la temperature optimale a la croissance et enfin la temperature maximale supportee par le vegetal.

Limites mdt6orologiques

En plaCant ce schema dans les fourchettes climatologiques mentionnees par Muller (1 980 b), on se rend compte des possibilites de developpement de I’organisme vivant, c’est- a-dire de ses chances de developpement harmonieux (fig. 1).

Cependant, il faut tenir compte du fait qu’a certains moment du developpement d’un organisme, les limites mentionnees plus haut varient. Par consequent, les fourchettes utilisees devront dtre calculees en fonction depoques differentes de l’annee adaptees au developpement du sujet etudie. Dans cette analyse climatologique, les valeurs mensuelles, liees a un calendrier rigide, ne sont d’aucun secours.

En considerant les epoques phenologiques citees ci-dessus et les singularites climatologiques (Muller, 1980 a), on peut estimer le risque que ces dernieres apparaissent a un moment favorable ou defavorable a la plante, entrainant des risques plus ou moins grands de dommages. La figure 1 fait etat des limites dont le depassement entraine des degiits irreversibles a I’organisme vivant.

Passage d u n moddle complexe 9 un moddle plus simple

Lorsque l’on veut passer dun modele complexe a un modele simplifie, destine a un usage avant tout pratique, il faudra etudier les moyens de reduire le nombre d’elements necessaires et, eventuellement, de simplifier les rapports entre eux.

Limites naturelles d’application

Le modele etabli, si parfait qu’il puisse paraitre, sera necessairement entache derreurs inherentes a la population de reference qui ne correspondra pas integralement a une autre population. En outre, le poids attribue a chacun des parametres meteorologiques depend, avant tout, de la population et des particularites meteorologiques des annees de reference. Ce poids est donc nkcessairement empirique. Cet empirisme inherent a la conception fondamentale des modeles rend leur usage tres precaire sit& qu’on abandonne les conditions climatiques propres a l’endroit oh ledit modele a ete conqu. Lorsque on passe d’un endroit a un autre, il est donc indispensable d’examiner prealablement a I’usage du modele la justesse de ces facteurs qui, au besoin, devront ktre corriges.

Conclusions

Nous avons vu plus haut que les deux partis de l’alternative a laquelle sont confrontes chercheurs et utilisateurs ne sont pas en opposition, mais au contraire complementaires. Les modeles constituent un instrument de travail tres interessant, mais ils n’auront de valeur pratique que dans la mesure oh ils sont le fruit d’une concertation pluridisciplinaire.

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Tres dangereux

* - I I -7- Oangereux

Sans danger I I LEGENDE

3*-

Courbe de de'veloppement (vhg6toux)

f- Fourchettes climatologiques . I ' ' i I ! ' b 8 O % d 1

' 50% - 100% - Fig. 1. Schema devaluation climatologique des risques.

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BIBLIOGRAPHIE REAUMUR, R.A. (1735). Observations du thermometre faites a Paris pendant I'annee 1735, comparees a

celles qui ont ete faites sous la ligne, a I'lsle de France, a Alger et en quelques-unes de nos Isles de I'Amerique. Memoires de I'Academie Royale des Sciences, Paris : 545-576.

MUELLER, W. (1980 a). Le probleme des singularites en clirnatologie. Bull. OEPP 70 (2). - (1980 b). Possibilites de previsions ecoclimatiques sur I'interpretation dirnages-satellite en infrarouge. Bull.

SAMIE, C. (1980). Les systernes automatiques d'acquisition de donnees rneteorologiques et I'usage des OEPP 70 (2).

banques de donnees. Bull. OEPP 70 (2).

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