Université Blaise Pascal - Clermont II .Rapporteur : Marco ACUTIS, Professeur, Université de Milan

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Text of Université Blaise Pascal - Clermont II .Rapporteur : Marco ACUTIS, Professeur, Université de Milan

N dordre : D.U : 2444

EDSPIC : 647

Universit Blaise Pascal - Clermont II

cole Doctorale Sciences pour lIngnieur de Clermont-Ferrand

Thse

Prsente par

Ben Touhami Haythem

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DUNIVERSIT

Spcialit : Informatique

Calibration Baysienne dun modle dtude dcosystme

prairial : outils et applications lchelle de lEurope

Soutenue publiquement le 07/03/2014 devant le jury :

Rapporteur : Marco ACUTIS, Professeur, Universit de Milan

Nicolas VIOVY, Charg de recherche, CEA

Examinateur : David HILL, Professeur, Universit Blaise Pascal

David MAKOWSKI, Directeur de recherche, INRA

Directeur de thse : Gianni BELLOCCHI, Directeur de recherche, INRA

Co-encadrent de thse : Vincent BARRA, Professeur, Universit Blaise Pascal

1

Table des matires

Remerciements ................................................................................................................................... 8

Rsum.. ...................................................................................................................................10

Abstract... ..................................................................................................................................11

Introduction gnrale .......................................................................................................................12

Chapitre 1 : Les cosystmes prairiaux et les changements climatiques ......................................14

1.1. Introduction ......................................................................................................................14

1.2. Les cosystmes prairiaux .................................................................................................14

1.2.1. Diffusion et rle des prairies en Europe et en France ...............................................15

1.3. Rponses des cosystmes prairiaux au changement climatique ....................................17

1.3.1. Le changement climatique .......................................................................................17

1.3.2. Contribution de lagriculture aux missions de gaz effet de serre.........................18

1.3.3. Consquences possibles du changement climatique pour l'agriculture ...................19

1.3.4. La prairie et le changement climatique .....................................................................20

1.4. La modlisation des cosystmes .....................................................................................22

1.4.1. Modles agro-cologiques ........................................................................................23

1.5. Description de PaSim ........................................................................................................25

1.6. Problmatique ...................................................................................................................27

1.7. Conclusion .........................................................................................................................29

Chapitre 2 : tat de lart : calibration et statistiques Baysienne .................................................30

2.1. Introduction ......................................................................................................................30

2.2. Sources dincertitudes .......................................................................................................30

2.3. Calibration : techniques et dfinitions ..............................................................................32

2.3.1. Les approches frquentistes .....................................................................................32

2.3.2. Lapproche Baysienne .............................................................................................36

2.3.3. Mthodes Monte Carlo par Chanes de Markov .......................................................42

2.4. Analyse de sensibilit ........................................................................................................47

2.4.1. La mthode de Morris ...............................................................................................49

2.4.2. Autres mthodes danalyse de sensibilit .................................................................51

2.5. Ressources informatiques .................................................................................................53

2.5.1. Ressources matrielles ..............................................................................................53

2.5.1. Ressources logicielles ................................................................................................54

2.6. Conclusion .........................................................................................................................55

2

Chapitre 3 : Calibration Baysienne de PaSim en conditions de scheresse ............................... 56

3.1. Introduction ...................................................................................................................... 56

3.2. Matriels et mthodes ..................................................................................................... 57

3.2.1. Sites et variables de sortie utiliss ........................................................................... 57

3.2.2. Paramtres calibrs .................................................................................................. 61

3.3. Rsultats et discussion ..................................................................................................... 65

3.3.1. La posteriori des paramtres .................................................................................. 66

3.3.2. Analyse du posteriori des variables de sortie........................................................... 71

3.3.3. Evaluation du posteriori des variables de sortie ...................................................... 78

3.4. Conclusion ........................................................................................................................ 80

Chapitre 4 : Nouveau paramtrage de PaSim lchelle de lEurope (donnes long terme) ... 82

4.1. Introduction ...................................................................................................................... 82

4.2. Analyse de sensibilit de PaSim ....................................................................................... 83

4.2.1. Mthodologie ........................................................................................................... 83

4.2.2. Plasticit du modle ................................................................................................. 92

4.2.3. Rsultats et discussion ............................................................................................. 93

4.3. Calibration Baysienne multi-sites lchelle de lEurope ............................................ 103

4.3.1. Matriels et mthodes ........................................................................................... 103

4.3.2. Rsultats et discussion ........................................................................................... 106

4.4. Validation du nouveau paramtrage de PaSim .............................................................. 113

4.5. Conclusion ...................................................................................................................... 121

Conclusion gnrale ....................................................................................................................... 122

Perspectives ............................................................................................................................... 124

Bibliographie ................................................................................................................................ 126

Annexes.. ................................................................................................................................ 135

I. Implmentation du code principal de la calibration Baysienne sous R ........................ 135

II. Rsultats de lanalyse de sensibilit ............................................................................... 136

III. Relevant parameters into the modelling equations ......................................................... 143

3

Table des figures

Figure 1. Part des prairies agricoles dans la couverture des sols en Europe (UE-23, enqute LUCAS

du programme de travail dEurostat, initie en 2009,

http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/eurostat/home) ........................................ 16

Figure 2. Changements de la temprature annuelle entre la priode (2016-2035), la priode

(2046-2065) et la priode (2081-2100) (source : IPCC, 2013) ......................................................... 19

Figure 3. Illustration du modle PaSim [Graux, 2011] .................................................................... 25

Figure 4. Structure du modle PaSim (entres + modules) ............................................................. 26

Figure 5. Fonctionnement de lalgorithme de base desprance-maximisation [Kung et al., 2005] 35

Figure 6. Principe de la calibration B