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Section 6.

Sciences
Hydrologiques

branche française
de l'association internationale
des sciences hydrologiques
<figure><img src="image_156.png" /></figure>
# Rôle joué par la forêt sur l'hydrologie des régions Méditerranéennes Synthèse des recherches menées en France

## THE HYDROLOGICAL IMPACT OF THE MEDITERRANEAN FOREST SUMMARY OF RESEARCH CARRIED OUT IN FRANCE

C. COSANDEY <fnref n="1" />, V. ANDREASSIAN <fnref n="2" />, C. MARTIN <fnref n="3" />, J.-F. DIDON-LESCOT <fnref n="3" />, J. LAVABRE <fnref n="4" />, N. FOLTON <fnref n="4" />, N. MATHYS <fnref n="5" />, D. RICHARD <fnref n="5" />

## ABSTRACT

In France, research on how forests affect the water balance in Mediterranean climate has been carried out mainly on three groups of Experimental Research Basins (ERB). The study sites differ in climatic, lithological, and pedological conditions, but do share a common characteristic in that each one encompasses the hydrological behaviour of a number of catchments, at least one of which is forested. During the study period, the forested catchments that underwent no change (the Draix catchments) were considered as comparative catchments, and those that were cut (the Lozère catchments) or suffered forest fires (the Réal Collobrier catchments), as experimental catchments. In each case studied, the behaviour of the forested catchment was compared to that of a control catchment. It was easier to demonstrate the forest's specific role when the study was based on the relative change in the catchment's behaviour after the forest disappeared (cuts or fire) with respect to the behaviour of the undisturbed catchment.

Included with the ERB studies are the results of research with a fundamentally different approach. The research is based on a statistical study of the inter-related development of afforestation rates and runoff characteristics for average-sized catchments (around 100 km<fnref n="2" />) in that part of the southern French Massif Central which is subject to Mediterranean rainfall conditions.

The results differ considerably from one site to another, indicating the degree of complexity of the rainfall/runoff relationship. An increase in extreme flood events could by no means be confirmed in every case. A closer look at the hydrological behaviour of the catchments cleared up the apparent inconsistencies.

## INTRODUCTION

L'incidence de la forêt sur le fonctionnement hydrologique des bassins méditerranéens, que ce soit pour les crues, les étiages ou même le bilan d'écoulement annuel, est loin de faire l'unanimité. Il est vrai que cette incidence dépend d'un grand nombre de facteurs, ce qui explique la disparité – lorsque ce n'est pas la divergence – des résultats observés. Dans le Sud de la France trois sites de BVRE (Bassins Versants Expérimentaux Représentatifs) permettent de conduire cette recherche en climat méditerranéen humide. Ces sites diffèrent par leurs conditions pédologiques et géomorphologiques, mais tous sont soumis à de fortes pluies d'automne, et parfois d'été.

La diversité des réponses observées conduit à essayer de dégager les mécanismes hydrologiques qui permettent de rendre compte des conséquences de la végétation sur le fonctionnement hydrologique des bassins versants.

## SITES D'ETUDE ET CONDITIONS D'EXPERIMENTATION

Les trois sites retenus sont : celui de Draix, situé dans les marnes noires de la région de Digne, dans l'arrière pays provençal ; celui du Réal Collobrier, très proche de la côte méditerranéenne ; celui du Mont-Lozère enfin, sur les contreforts sud-est du Massif Central (Figure 1).

Ces trois ensembles de bassins versants n'ont pas été aménagés en fonction du même objectif, et l'hydrologie forestière peut ne pas avoir joué de rôle majeur dans la proélabotique de mise en place des bassins. Dans ces conditions il n'est pas surprenant que les études, qui ont été conduites indépendamment les unes des autres, utilisent des méthodes différentes.

<footnote n="1">¹ Laboratoire de Géographie Physique, UMR 8591 du CNRS, 1 Place Aristide Briand, F - 92190 MEUDON, France - E-mail : cosandey@cnrs-bellevue.fr</footnote>

<footnote n="2">² Cemagref, URE Qualité et fonctionnement hydrologique des milieux aquatiques, BP 44, F_92163 ANTONY cedex - E-Mail : vasken.andreassian@cemagref.fr</footnote>

<footnote n="3">³ UMR 6012 "ESPACE", Equipe GVE, Département de Géographie, 98 Boulevard Edouard Herriot, BP 3209, F - 06204 NICE cedex 3, France - E-mail : martincl@infonie.fr et didon@ensam.inra.fr</footnote>

<footnote n="4">⁴ Cemagref, B.P. 31, Le Tholonet, F - 13612 AIX-EN-PROVENCE cedex 1, E-Mail : jacques.lavabre@cemagref.fr et nathalie.folton@cemagref.fr</footnote>

<footnote n="5">⁵ Cemagref, 2 Rue de la papeterie, BP 76, F - 38402 SAINT-MARTIN-D'HERES, E-Mail : nicolle.mathys@cemagref.fr et didier.richard@cemagref.fr</footnote>
<figure><img src="image_157.png" /><figcaption>TABLEAU 1 : PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES DES SITES DE RECHERCHE.</figcaption></figure>

<table><thead><tr><th>NOM DU BASSIN</th><th>SUPERFICIE</th><th>OCCUPATION DU SOL</th><th>PENTE</th><th>PÉRIODE D'ÉTUDE</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>DRAIX</strong></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Laval</td><td>86 ha</td><td>22 % bosquets ; 10 % herbe ;<br>68 % sols nus</td><td>58 %</td><td>1983-2000</td></tr><tr><td>Brusquet</td><td>108 ha</td><td>87 % bois ; 13 % sols nus</td><td>53 %</td><td>1983-2000</td></tr><tr><td><strong>REAL COLLOBRIER</strong></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rimbaud</td><td>146 ha</td><td>maquis ; feu ; repousse</td><td>20 %</td><td>1968-1990 ; 1990-2000</td></tr><tr><td>Valescure</td><td>930 ha</td><td>maquis</td><td></td><td>1968 - 2000</td></tr><tr><td><strong>MONT LOZERE</strong></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Latte</td><td>19,5 ha</td><td>épicéas ; coupe ; repousse</td><td>20 %</td><td>1981-1987 ; 1987-1999</td></tr><tr><td>Cloutasses</td><td>81 ha</td><td>pelouse pâturée</td><td>10 %</td><td>1981-1999</td></tr><tr><td>Sapine</td><td>54 ha</td><td>hêtraie climacique</td><td>18 %</td><td>1982-1999</td></tr></tbody></table>

Les principales caractéristiques des sites de recherche sont les suivantes (tableau 1) :

* Les bassins de Draix, situés dans des terrains où les problèmes d'érosion sont très importants (marnes noires de l'Oxfordien), ont pour finalité première d'estimer le rôle protecteur de la forêt dans le cadre de travaux dits de "RTM" (Restauration des Terrains de Montagne). Le dispositif expérimental dont les résultats sont utilisés ici, consiste en un bassin reboisé à la fin du 19ème siècle (le Brusquet) et un bassin non reboisé, dont le taux de couverture naturel est faible (cf. Tab. 1). La méthode est donc celle des bassins comparatifs. Les pluies annuelles moyennes sont de l'ordre de 940 mm, avec des maxima journaliers décennaux de 80 mm, et de fortes intensités lors d'orage d'été et d'automne.

* Les bassins du Réal Collobrier ont une finalité plus large d'étude du fonctionnement hydrologique de petits bassins méditerranéens situés sur socle métamorphique (gneiss, micaschistes, phyllades) avec des sols de type ranker, généralement peu épais, ne dépassant pas 30 cm par exemple sur le sous-bassin du Rimbaud.

Après un suivi de 25 années, un incendie a notamment détruit plus des 3/4 de la couverture végétale de ce sous-bassin, fournissant l'opportunité d'une étude sur les conséquences hydrologiques de la disparition de la forêt. Les données utilisées ici sont alors celles du bassin du Rimbaud avant et après incendie, comparées avec celles du bassin non modifié du Valescure (Tab. 1). La méthode est donc celle des bassins expérimentaux, même si l'expérimentation n'a pas été vraiment volontaire... Les pluies annuelles sont de l'ordre de 1200 mm, avec des pluies journalières décennales de 150 mm, et toujours de fortes intensités.

* Les bassins du Mont-Lozère sont situés sur des sols granitiques peu épais (moins d'un mètre, le plus souvent), bien filtrants. Ils ont été conçus comme des lysimètres géants, qui devaient permettre d'établir le bilan géochimique de bassins proches, aussi semblables que possible sauf en ce qui concerne le couvert végétal: une pelouse, une hêtraie climacique et une pessière. Quel que soit le type de végétation, les sols sont bien couverts, sauf pour quelques ravines du bassin en
pelouse. Les données utilisées ici sont celles des bassins en pelouse (les Cloutasses) et en résineux (la Latte). Après 6 années de mesures, une attaque parasitaire du bassin boisé de la Latte a conduit à sa coupe à blanc. Les données obtenues sur ce bassin avant et après la coupe, sont comparées à celles du bassin témoin des Cloutasses. La méthode est celle des bassins expérimentaux. Les pluies sont ici beaucoup plus abondantes que sur les bassins précédents, en raison de l'effet orographique que subissent les vents humides d'origine méditerranéenne (le Mont-Lozère culmine à 1699 m) : les précipitations annuelles moyennes avoisinent 1950 mm et les abats d'eau en 24 heures peuvent atteindre 400 mm.

## INCIDENCE DE LA FORÊT SUR LES CRUES

Les résultats concernant le rôle joué par la forêt sur le régime des crues (pointe ou volume) sont très différents d'un site à l'autre.

### A DRAIX

Le premier effet du couvert végétal est l'augmentation du seuil minimal de pluie nécessaire à l'apparition d'un écoulement : les crues du bassin boisé sont moins fréquentes, et de nombreuses averses ne produisent aucun écoulement notable (Richard et Mathys, 1999).

Lorsqu'une crue se produit dans les deux bassins, on observe que les pointes de crue sont retardées d'au moins une demi-heure dans le bassin boisé du Brusquet.

Les pointes de crue sont très fortes pour le Laval, ayant atteint 23 m³ s⁻¹ km⁻², lors d'un épisode pluvieux de 53 mm. Or pour ce même événement, la pointe de crue dans le bassin reboisé du Brusquet n'a été que de 2,3 m³ s⁻¹ km⁻², soit 10 fois moindres. Au-delà de cas extrêmes, la majorité des débits de pointe du bassin boisé est cinq fois plus faible que ceux du bassin déboisé du Laval. Un exemple est fourni par la crue du 27 mai 1988 (Figure 2).

<figure><img src="image_158.png" /><figcaption>Fig. 2 - La crue du 27 mai 1988 dans les bassins du Brusquet (reboisé) et du Laval</figcaption></figure>

Cette crue répond à une averse de 21 mm au Brusquet et de 22 mm au Laval en moins de 4 heures.

La pointe de crue au Laval est de 1,3 m³ s⁻¹ km⁻² et de seulement 0,2 m³ s⁻¹ km⁻² au Brusquet, soit dans un rapport de 1 à 6.

Il est pourtant à noter que dans certains cas particuliers (crues du 08/09/87 et du 5/11/94), le rapport n'est plus que de 1 à 2 (Combes et al., 1994), ce qui pose le problème du rôle de la forêt dans certaines situations extrêmes.

La limitation des volumes de crue est moins importante que celle de la pointe parce que la crue est plus longue dans le bassin boisé. Dans l'exemple de la crue du 27 mai 1988, la lame écoulée est de 10,9 mm dans le bassin du Laval et de seulement 4,3 mm dans celui du Brusquet : le rapport des volumes écoulés pendant la crue est environ de 1 à 2,5 ; la réduction du volume de crue dans le bassin boisé est généralement de l'ordre de moitié.

Combes et al. (1994), attribuent ces différences de fonctionnement à la présence d'un sol forestier jouant un rôle spécifique dans la rétention de l'eau.

### DANS LES BASSINS DU REAL COLLOBRIER

Un incendie de forêt, intervenu durant l'été 1990 a détruit plus de 80 % de la couverture forestière du petit bassin du Rimbaud. L'automne qui a suivi cet incendie, le comportement du ruisseau du Rimbaud est devenu fortement impulsionnel. Ce changement de comportement est bien visible sur la figure 3, qui met en relation les débits instananés maximaux relevés en automne et les précipitations en 24 heures correspondantes.

Immédiatement après l'incendie, le débit maximal a atteint 7,8 m³ s⁻¹ le 9 décembre, soit un peu plus que 5 m³ s⁻¹ km⁻², pour des précipitations ne présentant aucun

<figure><img src="image_159.png" /><figcaption>Fig. 3 - Relations en automne (septembre, octobre et novembre) entre les débits de pointe de crue (en m³/s) et les précipitations en 24 heures (période après incendie: septembre 1990 - novembre 1994).</figcaption></figure>
caractère exceptionnel, ni par leur abondance ni par leur intensité (80 mm, avec des pointes ne dépassant pas 40 mm/h pendant 6 mn). Les montées de crue ont souvent demandé moins de cinq minutes, et les décrites ont été elles-mêmes très rapides. Le caractère excessif pris par les réactions du cours d'eau aux précipitations s'explique par la production d'un ruissellement sur les versants mis à nu par l'incendie (Martin et Lavabre, 1997).

Si l'année suivante (1991-92) n'a connu qu'un seul épisode violent (3,6 m³ s⁻¹, en octobre), plusieurs crues spectaculaires se sont encore produites en 1992-93 (7,7 m³ s⁻¹ en septembre ; 3,5 m³ s⁻¹ en octobre ; 4,3 m³ s⁻¹ en novembre). Ensuite, la reprise végétale est devenue plus efficace pour amortir la réponse des écoulements aux précipitations (taux de recouvrement des surfaces incendiées par les arbustes : 15 % en août 1991, 30-35 % en août 1992 et 45-50 % en août 1993 – en s'appuyant pour partie sur les observations de Puech et al., 1994, et de Viné, 1997) : en 1993-94, le débit maximal n'a pas dépassé 2,2 m³ s⁻¹.

Toutefois, de nombreux débits de crue après incendie se positionnent dans le nuage de point représentant les crues avant incendie. Diverses analyses concourent à montrer qu'en fait, ce sont les réponses aux pluies intenses qui sont particulièrement plus violentes après incendie (Lavabre et al., 1997). Les pluies de type frontal, de durée longue et de faibles intensités, génèrent des réponses de crue tout à fait comparables après et avant incendie.

Il apparaît donc que le comportement hydrologique du bassin versant n'est réellement différent après incendie que de façon très fugace lors des pluies intenses. Ce qui se traduit par une augmentation du débit de pointe de certaines crues sans qu'une augmentation sensible des volumes de crue soit discernable.

Ceci est corroboré par l'examen des bilans hydrologiques annuels sur lesquels l'impact de l'incendie de forêt est difficilement discernable et reste dans la marge d'incertitude de des mesures et des modélisations utilisées

## SUR LE MONT-LOZERE

Les conditions de travail très difficiles qui prévalent lors des pluies cévenoles (dangerosité des orages, fugacité des pointes de crue) empêchent d'établir des courbes de tara-ge totalement fiables pour les débits les plus forts. La com-paraison entre les débits de pointe des bassins en pelouse (les Cloutasses) et en forêt (la Latte) n'est donc pas facile.

Une tentative a pourtant été faite par Lavabre et al. (1999) qui, à partir de 48 pointes de crue sélectionnées sur 16 années d'observation, ont déterminé les débits pour les périodes de retour annuelle et décennale, en utilisant la formule de Hazen (1930). Selon ces calculs le débit de pointe annuel serait de 1 m³ s⁻¹ km⁻² pour le bassin de la Latte et de 1,45 m³ s⁻¹ km⁻² pour celui des Cloutasses, ce qui tendrait à montrer une certaine réduction de la poin-te de crue dans le bassin boisé. En revanche, la tendance change avec les débits décennaux, puisque ceux-ci s'élè-vereaient à 3,15 m³ s⁻¹ km⁻² pour le bassin de la Latte et à 3 m³ s⁻¹ km⁻² seulement pour celui des Cloutasses. Si les pointes de crue semblent amorties par la forêt lors de la crue annuelle, la forêt ne jouerait plus aucun rôle lors de

la crue décennale.

La coupe de la forêt, qui intervient après 6 ans d'observation permet une autre approche, à partir de la comparaison des débits mesurés aux stations implantées sur les deux bassins versants pour deux épisodes de fortes crues, celui du 5 au 7 novembre 1984 et celui du 2 au 5 novembre 1994. Cette comparaison ne met pas en évidence une modification sensible du comportement du bassin de la Latte en fonction de la coupe des épicéas (Lavabre et al., 1999b).

Lors de l'épisode de novembre 1984 (P = 350 mm en 72 heures au poste de La Vialasse), après une réponse initia-le moins marquée que celle des deux autres bassins, le bas-sin de la Latte (pourtant boisé) présente le plus fort débit spécifique de pointe: 2.1 m³ s⁻¹ km⁻², contre 1.8 m³ s⁻¹ km⁻² pour celui des Cloutasses. En novembre 1994 (P = 431 mm en 4 jours à La Vialasse, dont 408 mm du 3 au 5), la répon-se du bassin de la Latte est encore très légèrement retardée par rapport aux réponses des deux autres bassins et les débits de pointe atteignent respectivement 3.1 m³ s⁻¹ km⁻² pour le bassin de la Latte et 3 m³ s⁻¹ km⁻² pour celui des Cloutasses. Or la crue de novembre 1994 est survenue bien après la coupe, dans une période qui marquait peut-être le retour du bassin de la Latte à un fonctionnement semblable à celui qu'il connaissait avant la coupe (Martin et al., 2000).

Si les pointes de crue sont difficiles à connaître, en revanche les volumes de crue sont souvent convenablement mesurés. Un simple graphique de double cumul établi à partir des volumes journaliers écoulés lors des fortes crues par les bassins de la Latte (avant et après la coupe) et des Cloutasses (considéré comme témoin) peut donner des informations sur une éventuelle modification de la relation entre les deux bassins. Ce graphique est basé sur les données des jours où le bassin des Cloutasses a écoulé une lame d'eau supérieure à 30 mm (Figure 4). Des écoulements de cette importance se produisent en moyenne moins de 8 fois par an, mais assurent plus du cinquième des écoulements (21,8 % – Martin et al., 2000).

<figure><img src="image_160.png" /><figcaption>Fig. 4 - Double cumul des lames d'eau écoulées par les bassins de la Latte et des Cloutasses lors des très fortes crues.</figcaption></figure>
Cette figure ne montre pas de cassure qui indiquerait un changement de fonctionnement du bassin de la Latte en relation avec la coupe. Ce résultat se retrouve en utilisant un seuil plus faible, puisqu'une étude du même type, menée sur des débits dépassant 20 mm/jour dans le bassin de la Latte, aboutit à des conclusions identiques (Cosandey et al., 2000).

Ainsi la coupe des épicéas du bassin versant de la Latte n'aurait pas entraîné d'augmentation des écoulements lors des fortes crues. Ceci est le fait de la forte perméabilité des sols et des processus spécifiques de formation des crues (Cosandey, 1994).

Il est à noter que les travaux de Cognard-Plancq et al. (2001) aboutissent à des conclusions différentes, à savoir que la coupe de la forêt aurait provoqué une augmentation des débits de crue de 9 à 13 %. Toutefois l'approche par modélisation globale des relations pluies-débits utilisée ne permet pas de distinguer fortes et faibles crues.

Il n'est donc pas étonnant que, du fait de l'impact très fort de la coupe sur les faibles crues (résultant de la diminution des pertes par interception dont on a montré toute l'importance, Cosandey et al. 2001), cette approche fasse ressortir une tendance globale à l'augmentation des écoulements pour l'ensemble des crues.

## LE RÔLE DE LA VEGETATION FORESTIERE SUR L'ABONDANCE ANNUELLE DES ECOULEMENTS

### A DRAIX

La problématique qui a guidé l'installation des bassins de Draix était celle de l'étude de l'érosion, et la métrologie est essentiellement orientée vers l'observation des événements extrêmes. La mauvaise qualité des mesures de basses eaux ne permet pas d'estimer avec fiabilité les lames d'eau écoulées à l'échelle de l'année hydrologique.

On a vu pourtant que les écoulements de crue étaient beaucoup plus importants dans le bassin non boisé, et il est clair que l'eau retenue dans le bassin boisé est utilisée pour l'alimentation en eau de la forêt, donc perdue pour

l'écoulement. Par ailleurs, les observations de terrain montrent que la période sans écoulements est plus courte dans le bassin du Laval, mal couvert, que dans celui du Brusquet, reboisé. Ces observations qui peuvent paraître surprenantes, s'expliquent par la combinaison de deux processus différents.

Si les tarissements sont plus longs dans le bassin forestier dont les sols sont plus épais, les pluies donnant lieu à un écoulement sont beaucoup plus nombreuses dans le bassin non boisé, du fait de la faible perméabilité comme de la faible capacité de rétention des sols.

Une tentative pour combler les lacunes ou corriger les mesures douteuses a pourtant été menée par Poinard (2000), qui a reconstitué les débits annuels pour 2 années caractéristiques. Sa conclusion est que les déficits d'écoulement sont un peu plus élevés - de 5 à 10 % de la pluie incidente - pour le bassin en forêt.

En définitive, bien qu'aucune estimation fiable des différences ne puisse être avancée, les observations conduisent à conclure que dans le bassin boisé de Draix, les pertes par évapotranspiration sont plutôt plus fortes et les écoulements annuels plus faibles que dans le bassin déboisé, bien que cette différence reste minime.

### DANS LE BASSIN DU REAL COLLOBRIER

L'étude de l'influence de l'incendie du bassin du Rimbaud est menée par plusieurs approches statistiques et de modélisation pluie-débit (modèles GR). Ces différentes approches sont basées sur la comparaison des écoulements observés après l'incendie avec ceux établis pour la même période à partir d'équations ou de modèles basés sur des relations calculées avant l'incendie entre les pluies et les écoulements du bassin du Rimbaud ou entre les écoulements du bassin du Rimbaud et de celui non incendié de Valescure (Lavabre et al., 2000b).

Toutes les modélisations, que ce soit au pas de temps annuel (Figure 5), au pas de temps mensuel et au pas de temps journalier indiquent une augmentation des écoulements après incendie.

En se fondant sur ces analyses, on pourrait estimer à

<figure><img src="image_161.png" /><figcaption>Fig. 5 - Écarts entre les écoulements annuels du bassin versant du Rimbaud observés et calculés à partir de la relation pluie-écoulement du bassin du Rimbaud (relation calée avant l'incendie)</figcaption></figure>
100 mm environ le supplément d'écoulement durant les trois années après incendie (ce qui représente une augmentation de l'ordre de 15 %). Il importe pourtant de noter que, ces résultats s'appuient sur le seul pluviographe du bassin du Rimbaud, dont la stationnarité semble devoir être mise en cause : il est probable que la destruction par le feu du couvert végétal autour de l'appareil a provoqué une diminution de son pouvoir de captation (Lavabre et al., 1999a). La comparaison des précipitations enregistrées par le pluviographe du Rimbaud avec celles indiquées par les autres pluviographes du réseau du Réal Collobrier, ne permet pas de trancher (Fourcade, 2001). Mais si, au lieu des pluies mesurées sur le bassin du Rimbaud, on prend comme référence celles mesurées sur le bassin témoin du Valescure, l'augmentation des débits apparaît beaucoup moins nette.

En conclusion, on peut écrire que sur le bassin versant du Rimbaud, qui est constitué de roches très massives et dispose d'une capacité de stockage en eau extrêmement réduite, les conséquences de l'incendie sur les écoulements annuels sont modestes et se situent dans la marge d'incertitude des méthodes utilisées et des incertitudes métrologiques.

## SUR LE MONT-LOZERE

Si l'on compare les écoulements annuels des bassins avant et après la coupe forestière (en année hydrologique, de juillet à juin), on observe une modification sensible après la coupe, comme le montre la figure 6.

<figure><img src="image_162.png" /><figcaption>Figure 6 - Ecoulements comparés des bassins de la Latte et des Cloutasses avant et après la coupe.</figcaption></figure>

Avant la coupe, les écoulements des bassins de la Latte sont systématiquement inférieurs à ceux du bassin des Cloutasses. Après la coupe, ils sont confondus ou très proches pendant huit années, ce qui veut dire que les écoulements du bassin de la Latte ont augmenté en valeur relative. Ensuite, il semble que les écoulements redeviennent plus faibles pendant les trois dernières années de mesures. Cette tendance, s'observe aussi clairement sur un gra-

phique de double cumul entre les débits journaliers du bassin de la Latte et ceux du bassin de référence des Cloutasses (Figure 7).

<figure><img src="image_163.png" /><figcaption>Fig. 7 - Double cumul des lames d'eau écoulées mensuelles (mm) des bassins versants de la Latte et des Cloutasses sur la période juillet 1981/décembre 1998.</figcaption></figure>

Les écoulements mesurés après la coupe sont supérieurs à ceux prévus à l'aide de la régression établie à partir des données recueillies avant la coupe (Martin et al., 2000). Des investigations portant sur les déficits d'écoulement aboutissent à des résultats du même ordre (Cosandey, 1993; Didon-Lescot, 1996), de même que des approches par un modèle conceptuel global (le modèle GR, Cognard-Plancq et al., 2001).

En prenant pour référence, non plus le bassin des Cloutasses, mais celui, un peu plus éloigné, de la Sapine (occupé par une hêtraie non modifiée pendant la période d'étude), on aboutit également à des écarts positifs entre, d'une part, les valeurs mesurées et, d'autre part, celles calculées correspondant au fonctionnement antérieur à la coupe. Mais ces écarts se révèlent plus faibles, puisque l'augmentation de l'écoulement annuel ne serait plus que de l'ordre de 5 %.

Cet écart, qui ne s'observait pas pour les très fortes crues (cf. plus haut), s'explique par une augmentation du débit des crues moyennes et faibles, du fait de la diminution des pertes par interception.

## ETUDES MENEES DANS LE SUD DU MASSIF CENTRAL

Il peut être intéressant de compléter cet exposé par le résultat d'une recherche (Andréassian et al., 1999; Andréassian, 2002) qui n'a pas été conduite sur des bassins expérimentaux, mais qui a également porté sur les conséquences de la forêt sur le comportement hydrologique des bassins versants, en prenant en compte un plus grand nombre de bassins de superficie plus importante (Tab.2) et une longue période d'observation (de 20 à
<figure><img src="image_164.png" /><figcaption>(1) : écoulement total</figcaption></figure>

<figure><img src="image_165.png" /><figcaption>(3) : déficit d'écoulement en étiage</figcaption></figure>

<figure><img src="image_166.png" /><figcaption>(2) : écoulement en crue</figcaption></figure>

<figure><img src="image_167.png" /><figcaption>(4) : écoulement de base</figcaption></figure>

<caption>**Fig. 8 :** hydrogramme présentant les lames d'eau correspondantes à chacune des variables hydrologiques retenues.</caption>

Les deux lignes horizontales représentent respectivement les seuils retenus pour définir les crues (4 fois le module) et les étiages (un quart du module).

30 ans au moins au cours de la période 1960-1996).

Les 14 bassins versants étudiés sont tous situés sur la bordure sud du Massif Central (Figure 1). Leur climat méditerranéen présente cependant un caractère nettement montagnard.

Cette recherche s'est intéressée à quatre variables hydrologiques représentatives du comportement hydrologique d'un bassin versant. Ces variables sont les suivantes (voir Figure 8) :

1. l'écoulement total ;

2. l'écoulement en crue (défini comme le volume écoulé au-dessus d'un seuil égal à 4 fois le module de l'écoulement) ;

3. l'écoulement en étiage (défini comme le déficit d'écoulement au-dessous d'un seuil égal à un quart du module de l'écoulement) ;

4. l'écoulement de base (l'indice considéré correspond au rapport entre l'écoulement de base calculé par la méthode de L'vovitch (1979) et l'écoulement total).

L'étude menée sur la bordure Sud du Massif central a consisté à analyser conjointement l'évolution des surfaces boisées et celle des quatre variables hydrologiques :

■ Les tendances au sein des quatre variables hydrologiques ont été détectées par le test de non-stationnarité présenté par Andréassian (2002), en se fixant un seuil de significativité de 5 %.

■ L'évolution du couvert forestier a été déterminée à partir de l'étude de photos aériennes et des données de l'Inventaire Forestier National (méthode présentée par Muraz, 1999).

L'ensemble des bassins versants considérés montre une tendance à l'accroissement du couvert forestier, en terme de surface comme de densité. Cette évolution n'appelle pas de commentaire spécifique, dans la mesure où elle correspond à la tendance lourde de déprise agricole et de reprise forestière que connaît l'ensemble du Massif Central. Pour ce qui est du comportement hydrologique, les tendances sont bien moins nettes (Tab. 2) :
<table><caption>TABLEAU 2 - TENDANCES OBSERVÉES DANS LA RELATION PLUIES-DÉBITS POUR LES 14 BASSINS VERSANTS ÉTUDIÉS DANS LE SUD DU MASSIF CENTRAL</caption><thead><tr><th rowspan="2">Bassin versant</th><th rowspan="2">surface du BV (km_)</th><th colspan="2">Evolution moyenne du couvert forestier sur la période</th><th colspan="4">Tendance apparente pour chacune des variables hydrologiques</th></tr><tr><th>en surface terrière (m_/_ha/an)</th><th>du volume de bois (m³/_ha/an)</th><th>1 écoulement total</th><th>2 écoulement en crue</th><th>3 déficit d'écoulement en étiage</th><th>4 écoulement de base</th></tr></thead><tbody><tr><td>Goudeche à la Cépède</td><td>10</td><td>+ 1.28</td><td>+ 0.17</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Rieumalet au Pont-de-Montvert</td><td>20</td><td>+ 0.35</td><td>+ 0.05</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>+</td></tr><tr><td>Mirals à Rhunes</td><td>12</td><td>+ 0.85</td><td>+ 0.11</td><td>-</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Briançon à Cocurès 2</td><td>25</td><td>+ 0.13</td><td>+ 0.01</td><td>0</td><td>0</td><td>-</td><td>+</td></tr><tr><td>Brèze à Meyrueis</td><td>36</td><td>+ 0.67</td><td>+ 0.08</td><td>-</td><td>0</td><td>+</td><td>-</td></tr><tr><td>Dourbie au Mazet</td><td>43</td><td>+ 0.73</td><td>+ 0.04</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Agout à Fraisse</td><td>48</td><td>+ 2.94</td><td>+ 0.37</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>+</td></tr><tr><td>Gardon de Saint-Martin à la Roquette</td><td>31</td><td>+ 0.10</td><td>+ 0.03</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Gardon de Saint-Germain à la Bastide</td><td>31</td><td>+ 0.07</td><td>+ 0.05</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Gardon de Sainte-Croix à Gabriac</td><td>33</td><td>+ 0.08</td><td>+ 0.01</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Herault à Valleraugue</td><td>46</td><td>+ 0.14</td><td>- 0.07</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>-</td></tr><tr><td>Gardon d'Alès à la Farelle</td><td>30</td><td>+ 0.04</td><td>+ 0.01</td><td>0</td><td>0</td><td>-</td><td>0</td></tr><tr><td>Tarn à Fontchalette</td><td>67</td><td>+ 0.49</td><td>+ 0.06</td><td>+</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>Gagnière à Banne</td><td>55</td><td>+ 0.97</td><td>+ 0.07</td><td>-</td><td>0</td><td>+</td><td>-</td></tr></tbody></table>

+ : augmentation. - : diminution. o : peu de modification.

* Pour ce qui est de l'écoulement total, seulement 4 bassins montrent une tendance significative au seuil retenu. Cette tendance est négative dans 3 cas sur 4, ce qui correspond à l'évolution attendue suite au reboisement d'un bassin versant (Bosch et Hewlett, 1982).

* Pour ce qui est de l'écoulement en crue, aucun bassin ne montre de tendance significative. A court terme (une trentaine d'années), le reboisement de ces petits bassins versants du Sud du massif central ne semble donc pas capable d'avoir un effet sur les crues. Il faut rappeler que nous nous trouvons ici dans la zone Cévennes-Montagne Noire, où les crues sont la conséquence d'événements pluvieux très violents, sur lesquels les hydrologues s'accordent pour dire que le couvert végétal n'a qu'un rôle négligeable (Cosandey et Robinson, 2000; Cosandey, 1990).

* Pour ce qui est de l'écoulement en étiage, seuls 4 bassins montrent une tendance significative au seuil retenu. Cette tendance est positive dans 2 cas (aggravation de la sévérité de l'étiages), et négative dans 2 cas. On ne peut donc rien en conclure sur l'effet de l'évolution du couvert forestier.

* Pour ce qui est de l'écoulement de base, 6 bassins montrent une tendance significative. A nouveau, les tendances se répartissent à égalité dans un sens et dans l'autre, et on ne peut donc rien en conclure sur l'effet de l'évolution du couvert forestier.

En conclusion, il apparaît que cette étude n'a pas permis de mettre en évidence une relation simple entre les volumes d'écoulement annuel et la modification du couvert végétal dans la zone Cévennes-Montagne Noire. On peut

expliquer cet état de fait par les incertitudes qui demeurent assez fortes tant sur l'estimation des surfaces boisées que sur celle des tendances hydrologiques (notamment en raison de l'incertitude relative à l'estimation de la pluie de bassin versant). Il peut aussi dénoter un impact limité de la forêt sur le fonctionnement hydrologique des bassins versants étudiés.

## QUE CONCLURE DU RÔLE HYDROLOGIQUE DE LA FORET EN CLIMAT MEDITERRANEEN ?

## COMPLEXITE DES RESULTATS OBTENUS

Si l'on se rapporte strictement à l'ensemble des résultats acquis lors des différentes études exposées plus haut, on note :

### POUR CE QUI EST DE L'ABONDANCE DES ÉCOULEMENTS ANNUELS

La coupe à blanc de la forêt augmente les écoulements annuels d'environ 10 % sur les bassins du Mont-Lozère dans les premières années qui suivent la coupe (mais seulement 5 % si l'on change de bassin de référence). Ce résultat rejoint les observations effectuées sur d'autres bassins de par le monde, largement exposés par ailleurs (Bosch et Hewlett, 1982; Lavabre et al., 2000a). Sur les bassins du Réal Collobrier, une tendance identique semble se manifester après le feu, mais la certitude n'est pas acquise. Enfin, à Draix, même si les estimations manquent de précision, il semblerait que la présence de la forêt diminue les écoulements.
Par ailleurs, on a vu que l'augmentation observée du cou-
vert forestier depuis un demi-siècle sur la bordure sud du
Massif Central ne modifie pas de façon sensible les écou-
lements annuels. Notons pourtant qu'il s'agit de bassins
versant de taille nettement supérieure à celle des bassins
de recherche, et qu'ils n'ont pas subi de changement
brusque et total de l'occupation de l'espace.

POUR CE QUI EST DES CRUES

Les résultats obtenus à Draix sont très explicites sur ce
plan. Les volumes de crue du bassin forestier sont infé-
rieurs de moitié à ceux du bassin non couvert. Les débits
de pointe de crue, dans la gamme des fréquences cou-
rantes, sont encore plus affectés, puisqu'ils sont réduits
dans un rapport de 1 à 5.

Sur le Réal Collobrier, l'incendie du bassin du Rimbaud a entraîné une augmentation très nette des débits de pointe de crue les premières années après l'incendie. mais cette augmentation s'est avérée de courte durée.

Sur le Mont-Lozère, en revanche, aucune modification
des débits de pointe de crue n'a été mise clairement en
évidence après la coupe pour les fortes crues. Ce sont les
débits moyens qui ont été sensiblement augmentés.

Ainsi synthétisés, les résultats obtenus peuvent apparaître
peu concordants, voire contradictoires, et amener à pen-
ser qu'il est bien difficile de conclure quant au rôle hydro-
logique de la forêt. Cette impression est d'autant plus forte
que des études différentes, parfois menées par les mêmes
auteurs, portant sur les mêmes expérimentations quand ce
n'est sur les mêmes jeux de données, peuvent aboutir à
des résultats pas toujours concordants.

Pourtant, loin d'être opposés, les résultats des recherches rapportées sont complémentaires et leurs apparentes contradictions ne font que mettre en évidence la complexité des relations pluies-débits. Ils ne peuvent se comprendre sans prendre en compte les rôles spécifiques que jouent la nature et l'épaisseur des sols, le type de végétation (lorsque le bassin de référence n'est pas forestier), les conditions climatiques... qui conditionnent à la fois l'évapotranspiration (donc les écoulements annuels) et la forme comme le volume des crues.

RÔLE DE LA FORET DANS LES RELATIONS
PLUIES-DEBITS; CONSIDERATIONS
THEORIQUES ET DISCUSSION.

RÔLE DE LA FORÊT SUR L'ABONDANCE DES ÉCOULEMENTS ANNUELS

La forêt intervient sur l'évaporation à partir de deux pro-
cessus essentiels : d'une part, une meilleure utilisation des
réserves hydriques en été et, d'autre part, la perte par inter-
ception d'une partie des pluies incidentes.

L'utilisation plus grande de la réserve hydrique sous forêt suppose des sols assez profonds (sinon, tout le sol est colonisé par les racines, même en cas de végétation de prairie ou de buissons), mais aussi un déficit hydrique (ETP - P) important pendant l'été (sinon, une faible réserve hydrique suffit à satisfaire la demande en eau des plantes), ce qui est le cas en climat méditerranéen. Dans les régions étudiées,

si le déficit hydrique d'été est élevé, les sols sont, sauf très
localement, peu épais, ce qui ne permet pas une forte éva-
potranspiration d'été.

Les pertes par interception, quant à elles, sont d'autant
plus fortes que les pluies sont abondantes, peu intenses et
fréquentes. Si la première condition est assez bien remplie
dans les régions étudiées, puisqu'on a des totaux pluvio-
métriques qui en moyenne dépassent toujours
900 mm/an, les fortes intensités des averses méditerra-
néennes sont peu favorables aux pertes par interception.

Les conditions pédologiques et climatiques ne sont donc
pas celles dans lesquelles les écarts dans les valeurs d'é-
vapotranspiration, et donc d'écoulement, entre végétation
forestière et végétation basse ont tendance à se creuser.

Enfin, il faut remarquer que les travaux portant sur les conséquences de la forêt sur les écoulements montrent en général que les coupes partielles n'ont que peu d'influence sur l'évaporation, même dans les situations où les coups totales en ont de sensibles. La raison en est que l'interception demeure globalement forte et que l'évaporation est favorisée, le vent circulant mieux à travers une forêt ouverte. Il n'en est pas de même lors de la croissance d'une jeune forêt après une coupe à blanc, du moins tant que sa taille ne lui confère pas un pouvoir d'interception élevé et une rugosité suffisante pour assurer une forte turbulence de l'air et donc une bonne utilisation de l'énergie advective. Mais des situations aussi tranchées ne sont pas identifiées en tant que telles dans les études menées ici. Il n'est donc pas surprenant que les travaux d'Andréassian dans le sud du Massif Central, n'aient pas réussi à mettre en évidence une relation simple entre les volumes d'écoulement annuel et la modification du couvert végétal. Et si une tendance semble pourtant apparaître lors des études en bassin versant, qui va dans le sens d'un écoulement plus fort en faveur des bassins non forestiers, elle n'est que faible (10 % de l'écoulement annuel) quand elle est avérée.

RÔLE DE LA VÉGÉTATION FORESTIÈRE SUR LES CRUES

Les crues sont liées à une circulation rapide de l'eau sur les versants, que cette circulation soit strictement superficielle (on parle de ruissellement) ou par transmission de pression dans l'épaisseur du sol et exfiltration rapide de la nappe dans le cours d'eau. Lorsque les processus résultent des circulations souterraines profondes, le type de végétation n'intervient guère. Il influence en revanche la formation du ruissellement, comme on va le voir.

On distingue classiquement deux types de ruissellement :
d'une part, le ruissellement par refus d'infiltration d'un sol
non saturé ("excess infiltration overland flow", qu'on tra-
duit en français par "ruissellement par dépassement d'un
seuil d'infiltration") et, d'autre part, le refus d'infiltration
d'un sol saturé ("excess saturation overland flow", soit
"ruissellement par dépassement d'un seuil de saturation").
Cette distinction présente pourtant l'inconvénient de ne
pas faire la différence entre le ruissellement dit "horto-
nien", pour lequel la modestie de l'infiltration est liée à
une très faible perméabilité intrinsèque des sols, et le ruis-
sellement résultant de l'évolution - parfois très rapide de
l'état de surface de sols mal protégés par la végétation sous l'impact des gouttes de pluie (évolution des OPS). Il faut en outre noter que la forêt modifie les caractères hydrodynamiques des sols forestiers en agissant à la fois sur leur structure et sur leur stabilité à différentes échelles, soit directement, soit indirectement. Or ces sols forestiers sont une composante essentielle du comportement hydrologique des bassins versants forestiers lors des crues. Comme ils peuvent mettre très longtemps à se constituer, les effets d'un boisement ou d'un déboisement peuvent être limités par le fait que la nature du sol n'a pas changé. Une déforestation, si elle ne s'accompagne pas de mise en culture ou d'érosion des sols, ne provoque pas forcement une aggravation significative des crues, surtout lorsque la végétation de remplacement s'installe rapidement et densément. C'est bien ce qui s'observe sur le Mont-Lozère, il est vrai dans des conditions pluviométriques (précipitations très abondantes qui minimisent le rôle atténuateur de la forêt sur les crues) et pédologiques (sols extrêmement filtrants qui empêchent l'apparition du ruissellement par dépassement du seuil d'infiltration) assez particulières.

## SUR LES VOLUMES DE CRUE

Dans tous les cas, l'interception d'une partie de la pluie incidente par la végétation forestière (interception plus importante pour la forêt que pour tout autre type de végétation) diminue d'autant la pluie qui arrive au sol. Mais l'interception est proportionnellement plus faible lors de fortes pluies, qui sont justement celles qui provoquent les crues : dans le cas du Mont-Lozère, l'effet de la forêt est limité pour les très fortes crues, alors qu'il est avéré pour les écoulements plus faibles.

Lorsque le ruissellement générateur des crues présente un caractère hortonien, avec des sols très peu perméables, la forêt modifie la structure du sol, améliorant ses capacités d'infiltration. Mais ces caractéristiques restent acquises indépendamment du couvert végétal, et le sol peut les conserver longtemps après déboisement.

Lorsqu'il s'agit de ruissellement généré par des évolutions des états de surface (OPS), les arbres, et leur litière, ne protègent pas mieux que d'autres types de végétaux couvrant bien le sol. En revanche, si la coupe de la forêt laisse le sol à nu (ce qui n'a pas été le cas sur le Mont-Lozère) ou si l'incendie détruit complètement la végétation (ce qui a été le cas pour le Rimbaud), le sol mal protégé est soumis à une modification des OPS, ce qui peut favoriser le déclenchement d'un ruissellement qui ne se produisait pas avant. Le fonctionnement très impulsionnel du bassin du Rimbaud immédiatement après l'incendie pourrait s'expliquer, au moins en partie, par l'évolution des OPS. Lorsqu'il s'agit de ruissellement par saturation à partir d'une remontée de nappe, le type de couvert n'intervient pas directement sur la progression des surfaces saturées pendant la durée des pluies - et donc pas davantage sur le coefficient de ruissellement -. Mais le type de couvert peut jouer sur l'état des réserves hydrologiques par l'intermédiaire de l'interception, laquelle est susceptible de réduire la quantité d'eau qui s'infiltre jusqu'à la nappe.

Par ailleurs, l'installation d'une forêt s'accompagne souvent d'une reprise d'érosion des cours d'eau, liée à la diminution de la charge sédimentaire en provenance des versants; le lit peut alors s'enfoncer si les conditions géomorphologiques s'y prêtent (Bravard, 1993). Or un enfoncement du lit contribue au rabattement de nappe, et peut ainsi limiter l'extension des surfaces saturées, donc l'importance des crues qu'elles peuvent générer.

## SUR LES POINTES DE CRUE

Pour un bassin versant donné, l'importance des pointes de crue dépend de la vitesse de circulation de l'eau sur les versants. Or l'on considère souvent que la végétation forestière freine la circulation du ruissellement, et ralentit donc les temps de concentration. Ce ralentissement n'est pourtant pas plus efficace, sinon moins, que celui exercé par d'autres types de végétation, prairie notamment. Là encore, la différence essentielle se situe entre sol nu et sol végétalisé, plus qu'entre un type de végétation et un autre. Lorsque les transferts d'eau résultent essentiellement de processus de subsurface, on peut penser que les sols forestiers, généralement très perméables en raison de leur structure, peuvent favoriser les transmissions de pression et/ou les vitesses de circulation de l'eau dans le sol. Cependant tous les auteurs ne sont pas d'accord sur ce point (Rawling et al., 1997).

Enfin, la mise en place de la forêt favorise la reprise de l'érosion linéaire, du fait de la réduction de la charge solide des cours d'eau. Dans certaines conditions géomorphologiques, cette évolution est susceptible d'entraîner une accentuation de la pente longitudinale des thalwegs. L'évacuation plus rapide des crues qui en résulte (Arnaud-Fassetta et al., 1993) peut jouer un rôle dans les vitesses de concentration en aval.

## DISCUSSION

Il ressort de ces différents exposés que, si dans certaines conditions la forêt semble devoir diminuer les pointes de crue, il apparaît bien que, dans d'autres, elle semble ne pas avoir d'effet, au moins par rapport à un autre type de végétation en bon état, et couvrant bien le sol.

En fonction de ces considérations, il est facile de comprendre la diversité des résultats obtenus.

Tout d'abord, il importe de noter que le protocole expérimental n'est pas le même dans les trois bassins. Dans les cas du Mont-Lozère et du Réal Collobrier, il s'agit de déboisement, ce qui veut dire que le sol forestier initial existe, et continue de jouer un rôle hydrologique. Ce sol forestier n'existe pas pour le bassin non boisé de Draix. Enfin, un incendie de forêt n'est pas une coupe : le premier laisse le sol complètement nu et peut en outre s'accompagner de modifications de la surface du sol résultant des fortes températures; le second laisse un sol protégé par les branchages des arbres coupés, dont seuls les troncs ont été exportés. Un écoulement superficiel, résultant de la fermeture de la surface du sol sous l'impact des gouttes de pluie, peut se produire dans le premier cas. Il n'a guère de facilités pour le faire dans le second.
Ensuite, les pluies et les crues ne sont pas les mêmes. En
dépit d'abats d'eau beaucoup plus forts sur le Mont-
Lozère (les maximums journaliers observés approchent
400 mm; ils atteignent seulement 150 mm sur le Réal
Collobrier et 80 mm à Draix pour des pluies décennales),
les pointes de crue du bassin des Cloutasses, sous pelou-
se, restent bien en deçà des débits enregistrés sur les bas-
sins déboisés du Rimbaud (Réal Collobrier) et du Laval
(Draix). La raison en est que les sols très filtrants et bien
protégés par la végétation n'alimentent le ruissellement
que lorsqu'ils sont totalement saturés: le fonctionnement
hydrologique d'un bassin sous pelouse n'est donc pas dif-
férent de celui d'un bassin forestier. Dans ces conditions,
on comprend que la coupe des arbres du bassin de la
Latte n'ait pas changé grand-chose. Par contre, en Lozère,
les pluies abondantes permettent à l'interception des eaux
par la forêt de réduire de beaucoup la pluie qui arrive au
sol - et presque d'autant les écoulements -. De telles per-
tes par interception, qui peuvent être de l'ordre de un à
plusieurs mm par jour, expliquent la forte augmentation
des débits pour les crues provoquant des écoulements
inférieurs à 5 mm/jour, qui sont très fréquentes sur le
Mont-Lozère.

C'est presque toujours l'opposition "sol nu/sol couvert",
plus que celle "forêt/autre type de végétation" qui déter-
mine des processus hydrologiques très différents.

Il faut donc, pour comprendre et prévoir les effets du boi-
sement sur l'hydrologie, déterminer la façon spécifique
dont se forment les écoulements dans la région étudiée.

Il sera ensuite possible de prévoir si ces processus ris-
quent, ou non, d'être modifiés par la disparition - ou la
mise en place - de la forêt.

CONCLUSION GENERALE

Les études menées en France sur l'hydrologie forestière sous climat méditerranéen ont montré la complexité du rôle de la forêt sur les écoulements. Il est aussi faux de considérer que la forêt n'a pas d'influence sur les crues que d'affirmer qu'elle les réduit systématiquement !

La complexité des relations pluies-débits fait qu'il n'est pas
possible de prévoir les conséquences d'un boisement ou
d'un déboisement sans comprendre le fonctionnement
hydrologique du milieu considéré. Celui-ci dépendra –
entre autres – de la nature des formations superficielles,
des conditions climatiques, des caractéristiques de la
végétation.

Par ailleurs, il n'est pas inutile d'attirer l'attention sur le fait que les incertitudes sur les données de base (pluies et débits) à partir desquelles on raisonne sont probablement souvent du même ordre que les effets des paramètres que l'on veut estimer : ici le rôle de la végétation. De plus, à ces incertitudes s'ajoutent celles des hypothèses des modèles...

Il est pourtant possible de tirer de cette synthèse un cer-
tain nombre de conclusions :

■ D'abord, l'opposition est avant tout entre sol nu et sol couvert par la végétation (quel que soit le type de végétation), bien plus qu'entre un type de couvert végétal et

un autre. Si les défrichements provoquent généralement
de fortes perturbations du milieu, c'est parce que la
forêt est le plus souvent remplacée par des cultures, et
que ces cultures laissent le sol à nu une grande partie
de l'année. Les effets de l'incendie du Rimbaud sur les
crues se sont atténués dès que le sol a été largement
recolonisé par une végétation buissonneuse ou arbus-
tive. Il n'y a guère de différence de fonctionnement sur
le Mont-Lozère entre le bassin en pelouse et ceux en
forêt (si ce n'est, mais assez faiblement, pour l'abon-
dance annuelle des écoulements). A l'opposé, le bas-
sin du Laval à Draix, très mal couvert, présente un com-
portement hydrologique radicalement différent du
bassin boisé du Brusquet.

■ Ensuite, il faut noter l'importance du sol forestier. Son
maintien après la disparition de la forêt peut expliquer
les faibles conséquences de la disparition des arbres.
Mais le sol forestier doit être considéré comme une
création de la forêt, même s'il demeure comme une
entité indépendante après la disparition de celle-ci.

■ En conclusion, il importe de noter que le rôle de la forêt, même s'il se révèle parfois considérable, est loin d'être toujours et partout très important. Et ce n'est pas le moindre des résultats d'Andréassian et al. (1999), que d'avoir montré que la gestion courante de la forêt du versant méditerranéen du Massif Central n'a qu'un très faible impact sur le fonctionnement hydrologique des bassins versants, et que cet impact - s'il existe vraiment - est complètement occulté par la variabilité climatique.

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Section 7.

Sciences
Physiques
de l'Océan

branche française
de l'association internationale
des sciences physiques de l'océan
# Le programme français d'océanographie opérationnelle Mercator : un nouveau regard sur l'océan

## THE FRENCH OPERATIONAL OCEANOGRAPHY PROGRAM MERCATOR: A NEW VISION OF THE OCEAN

P. BAHUREL,

MERCATOR OCEAN : http://www.mercator.com.fr

GRGS/LEGOS 18 av. Edouard Belin 31401 TOULOUSE Cedex 4

## ABSTRACT

Operational oceanography aims at describing the four dimensional thermodynamics state of the ocean (temperature, salinity, currents). Attention is given to the past few years, the present time state and the forecast state for the forthcoming weeks. Three ingredients are essential for the accomplishment of such a task: an array of real time in-situ measurements, satellites with remote sensing sensors such as altimeters (Jason-1, Envisat), temperature and ocean color sensors, and a skillful system dedicated to ocean modeling and data assimilation. In the frame work of the International Experiment GODAE (Global Ocean Data Experiment) whose the first phase is planned to start in 2003-2005, several French agencies have initiated the MERCATOR experiment. MERCATOR is an operational ocean system dedicated to the Atlantic ocean in its initial phase then to the global ocean. The first forecasting MERCATOR bulletin was dispatched to the potential users in January 2001. Since the MERCATOR team dispatches a weekly bulletin. A new operational model is set up each year.

## LES TROIS OUTILS D'UNE BONNE PRÉVISION OCÉANIQUE

L'océanographie moderne repose sur l'existence simultanée de trois composantes d'un système d'observation des océans : l'observation in situ, l'observation par satellite et la modélisation;

* la première extrait une à une de précieuses observations de l'océan vertical, mesurées localement par des engins autonomes ou à partir de navires océanographiques ; en France, cette composante est pilotée par le projet CORIOLIS,

* la deuxième survole l'océan horizontal et nous renseigne sur l'état de la surface de la mer observé par les satellites en orbite autour de la planète ; l'altimétrie satellite, portée aujourd'hui par la filière JASON-1, joue ici un rôle prédominant,

* la troisième enfin intègre les résultats des deux précédentes pour décrire l'océan dans ses quatre dimensions : s'aidant des lois des fluides géophysiques, des

observations les plus récentes et de sa mémoire de l'état passé de l'océan, le modèle reconstruit la continuité naturelle du milieu dans tout son volume et dans le temps, règle les rapports entre différentes variables et en prévoit les évolutions.

C'est ce rôle qui est assigné en 1995 au projet MERCATOR par les six principaux organismes français impliqués dans le développement de l'océanographie (le CNES, le CNRS, l'IFREMER, l'IRD, Météo-France et le SHOM) : "aboutir la mise en œuvre d'un système de simulation de l'océan global (modèle aux équations primitives à haute résolution), assimilant des données satellitales et in situ, et prêt à être exploité de façon opérationnelle; utile aux applications de service public, de défense civile et militaire, et aux applications commerciales de l'océanographie, en fournissant en temps réel une description de l'état de l'océan, et en prévoyant l'évolution de l'écoulement océanique, fournissant à la communauté scientifique un outil de recherche permettant une interprétation plus aisée des programmes de recherche expérimentaux et des campagnes de mesure, et contribuant au développement d'un système de prévision climatique saisonnière en fournissant en temps réel ou peu différé les conditions initiales pour l'océan d'un modèle couplé océan/atmosphère."

<figure><img src="image_168.png" /><figcaption>Fig. 1 : Océanographie Intégrée: Mesures In Situ, Satellites et Modélisation.</figcaption></figure>

COULEUR

<figure><img src="image_169.png" /></figure>

VOIR CAHIER
Avec l'appui de leurs filiales CERFACS et CLS, ces six organismes ont relevé ce défi ambitieux. En janvier 2001, l'équipe de prévisionnistes rassemblés à Toulouse (35 personnes) établissait le premier bulletin de prévision océanique, marquant l'aboutissement des études et des développements entrepris, et l'entrée dans une phase d'exploitation de routine.

En 2002, prenant acte d'une maturité établie du projet MERCATOR, ces six organismes publics ont fondé une structure dédiée - le Groupement d'Intérêt Public MERCATOR OCEAN - qui pilote aujourd'hui le projet, et prépare pour 2006 un Centre d'Océanographie Opérationnelle d'ambition européenne.

## LA CONQUÊTE D'UN OCÉAN NUMÉRIQUE

Le système exploité en continu par Mercator depuis le 17 janvier 2001 décrit l'Atlantique Nord et Tropical de 70°N à 20°S avec une résolution horizontale du 1/3° (soit environ 30 km) et 43 niveaux sur la verticale. Le code d'océan utilisé est le code OPA développé au LODYC (Madec & al). Le modèle est forcé par les forçages quotidiens du CEPMMT. La première version du système d'assimilation Mercator, utilisée aujourd'hui, est basée sur le schéma SOFA3.0 (LEGOS, De Mey et al.) intégré dans le coupleur PALM (CERFACS, Piacentini et al.). En entrée du système, sont acquises les données altimétriques des satellites Jason-1, ERS-2 et GFO, et les données in situ de Coriolis. Cette première version du système donne déjà un bon aperçu de l'état de l'océan : courants, température et salinité, en surface comme en profondeur; cartographie

temps réel de la position et l'intensité des grands courants transatlantiques comme le Gulf Stream, celles des anticyclones et dépressions océaniques qui en perturbent le cours, mesure au nord de la plongée dans les abysses des eaux de surface froides et salées, ou dans les tropiques le chassé-croisé des courants et contre-courants équatorialx. Toute cette information constitue le cœur du bulletin diffusé chaque mercredi (voir www.mercator.com.fr). Il n'aura constitué qu'une première étape.

Déjà, le second prototype s'impose avec un nouveau modèle, qui couvre Atlantique Nord et Méditerranée, et dont la haute résolution horizontale (5 à 7 km), liée à l'assimilation conjointe des données des trois satellites d'altimétrie aujourd'hui en vol, permet de véritablement décrire la dynamique méso-échelle.

Ce système, exploité en temps réel, donne accès à une information sans précédent. On peut par exemple mesurer le gain apporté par un modèle d'une telle résolution dans la capacité de représentation de phénomènes comme les upwellings africains. Les figures suivantes comparent pour une même date, l'analyse donnée par le modèle au 1/3° (30 km) et celui au 1/15° (5 à 7 km). Les deux analyses ont été obtenues dans les mêmes conditions : même résolution verticale du modèle, mêmes forçages, même schéma d'assimilation, mêmes données assimilées. Seule la résolution horizontale change. Les upwellings (marquées par des eaux plus froides, en bleu), esquissés sur le système au 1/3°, sont représentés de façon bien plus réaliste sur le modèle au 1/15° avec des minima de température à 14° (à comparer aux 17° obtenus à moyenne résolution).

<figure><img src="image_170.png" /><figcaption>Fig. 2 : Exemples de bulletins Mercator : courants de surface au large du Brésil.</figcaption></figure>

Le bulletin du 28 mars 2001 prévoit dans sa prévision à 15 jours (figure b) la formation d'un intense tourbillon anticyclonique (courants supérieurs à 1 m/s) alors que l'analyse (figure a) directement issue de l'altimétrie n'observe pas a priori de structures bien formée. Deux semaines plus tard, le bulletin du 11 avril confirme cette prévision dans son analyse (figure c) qui a intégré les observations altimétriques récentes.
<figure><img src="image_171.png" /><figcaption>Fig. 3 : Topographie de Surface, sortie du modèle Mercator au 1/15° avec assimilation d'altimétrie, Situation du 13/02/2002</figcaption></figure>

<figure><img src="image_172.png" /><figcaption>Modèle Mercator "moyenne résolution" au 1/3°</figcaption></figure>

<figure><img src="image_173.png" /><figcaption>Modèle Mercator "haute résolution" au 1/15°</figcaption></figure>

<caption>Fig. 4 : Température de Surface le long de la côte Ouest-Afrique, analysée par deux versions différentes du système Mercator pour le 18 avril 2001</caption>

L'étape suivante étendra la zone de couverture modèle à l'océan global avec une résolution de type eddy-permitting (1/4°) permettant de délivrer des analyses océaniques de qualité utiles tant pour des applications privilégiant généralement la couverture globale devant la résolution horizontale (exemple de la prévision saisonnière) que pour les applications régionales... condamnées à des choix inverses. Sur le même principe, le projet prévoit une amélioration progressive des schémas d'assimilation pour intégrer des méthodes d'assimilation avancées dans la chaîne Mercator; l'équipe prépare en particulier aujourd'hui dans la chaîne temps réel l'intégration de méthodes de Kalman de type SEEK (LEGI, Brasseur et al.) dont l'application est désormais démontrée, et soutient en recherche des travaux sur les méthodes variationnelles.

## UN OCÉAN D'APPLICATIONS

Des analyses et prévisions tridimensionnelles systématiques de l'océan se révèlent rapidement indispensables : l'information sans précédent à laquelle elles donnent accès nourrit directement une meilleure recherche en océanographie, enrichit la qualité des services publics civils et militaires liés à l'océan et rend possible le développement d'un secteur commercial à forte valeur ajoutée. On comprend en effet tout l'intérêt que peuvent tirer de prévisions océaniques fiables des services dédiés à l'exploitation et la gestion raisonnée des ressources océaniques, l'aquaculture, la surveillance des flottes de pêche et de marine marchande, le routage océanique, la sécurité des biens et des personnes en mer, la lutte contre les
pollutions et la protection de l'environnement, la gestion des accès aux ports, le suivi et la gestion des milieux côtiers et littoraux, l'extraction minière et pétrolière, la discrétion sous-marine pour la défense, ou encore le tourisme. Prévoir l'océan pour tout cela, et contribuer aussi à l'initialisation des modèles couplés océan/atmosphère exigés pour prévoir le temps à l'échelle de la saison, et le climat sur plusieurs années. On touche alors à l'enjeu politique et sociétal évident du réchauffement climatique, économique encore dans des secteurs d'activité tels que la production agricole, la planification énergétique, les transports,...ou touchant encore plus directement à la sécurité et au bien-être des populations comme par exemple dans la prévention des anomalies climatiques comme El Niño et aux catastrophes qui y sont liées.

La fin d'année 2002 nous a offert deux exemples - l'un heureux, l'autre dramatique - d'application des prévisions océaniques Mercator. Le premier est sportif et concerne la "Route du Rhum", course en solitaire à la voile transatlantique : plusieurs équipes de routeurs ont utilisé les prévisions Mercator, en particulier l'équipe de Joé Seeten, 3ème au classement général des monocoques (et 1er français).

Le second est une catastrophe environnementale et concerne le naufrage du pétrolier Prestige au large des côtes espagnoles survenu à la fin du mois de novembre. Les prévisions océaniques Mercator (courants en surface, température près de l'épave) ont été diffusées dès la première heure à la cellule de crise mise en place par le Gouvernement français. Une information sur les courants océaniques est naturellement importante pour les équipes chargées d'établir la dérive des nappes de pétrole.

## CONCLUSION

L'océan se trouve de fait au cœur des grandes questions posées aujourd'hui par la protection de notre environnement. Qu'elles soient ostensibles comme dans le cas du Prestige (70000 tonnes d'hydrocarbures déversées dans l'océan) ou plus insidieuses comme l'absorption par l'océan de pollutions transportées par l'atmosphère, nous savons que l'océan ne subit pas impunément les agressions dont il est victime. Comment cet "océan poubelle" réagit-il à ces déséquilibres ? Sous quelle forme et dans quel délai transmet-il cette pollution à ses écosystèmes ou à ses milieux frontières : les milieux côtiers et littoraux, la banquise, l'atmosphère... ? Les questions sont posées que la recherche s'emploie à résoudre.

L'océanographie opérationnelle construit un observatoire permanent de l'océan, élément décisif pour lever ces incertitudes, mesurer, comprendre et prévoir. C'est certainement pour cette raison de fond - parce qu'elle traduit une démarche volontariste et concrète pour la mesure d'un océan durable - que l'océanographie opérationnelle s'impose si naturellement comme indispensable.

L'expérience GODAE au niveau international, le projet français MERCATOR et aujourd'hui sa composante européenne MERSEA, sont directement porteurs de cette démarche.

<figure><img src="image_174.png" /><figcaption>Fig. 5 : Dans la zone de naufrage du pétrolier Prestige, Prévision Mercator pour le 4 décembre 2002 décrivant la situation à 1000 m de profondeur en température (carte de gauche) et en courants (carte de droite).</figcaption></figure>

On observe la turbulence de la zone, même à une telle profondeur, et en particulier la formation d'un Meddy, structure tourbillonnaire très stable.
# Altimétrie satellitaire : une nouvelle vision des océans

## SATELLITE ALTIMETRRY – A NEW VISION OF THE OCEAN

P.Y. LE TRAON

Direction Océanographie Spatiale de CLS
Toulouse-France

### ABSTRACT

The French/Americain TOPEX/POSEIDON (T/P) altimetry mission which was supported by has been the CNES/NASA agencies has shown a substantial progress with respect to the previous mission in term of accuracy. For the first time it has possible to detect the large scale variability of the sea level and the associated ocean circulation, to observe and characterize the propagation of planetary Rossby waves and to monitor large scale ocean events such as El Nino/La Nina (Fu and Chelton, 2001; Picaut and Busalacchi, 2001). The ERS-1 (1991-1996) et ERS-2 (1995) missions supported by ESA (European Space Agency) complement the TP sampling and investigate the mesoscale activity of the ocean. At least two altimeter sensors, one having a high accuracy are needed to follow the ocean dynamics (e.g. Koblinsky et al., 1992; Le Traon and Dibarboure, 1999). The combination of T/P and ERS-1/2 has allowed us to monitor the space-time variability of the ocean with a high accuracy (Le Traon and Morrow, 2001).

### 1. INTRODUCTION

La mission franco-américaine (CNES/NASA) TOPEX/POSEIDON (T/P) a marqué une étape majeure en altimétrie. Sa précision bien supérieure à celle des autres missions a permis, en particulier, d'accéder à la variabilité grande échelle du niveau de la mer et de la circulation océanique, d'observer et de caractériser globalement la propagation des ondes de Rossby et de suivre les dévlopements des événements El Nino/La Nina (voir Fu et Chelton, 2001; Picaut et Busalacchi, 2001). T/P, lancé en 1992, arpente les mers depuis plus de 10 ans.

Les missions ERS-1 (1991-1996) et ERS-2 (1995) de l'Agence Spatiale Européenne permettent de compléter son échantillonnage, notamment, pour le suivi de la variabilité mésoéchelle. Au moins deux satellites altimétriques, dont un de haute précision, sont, en effet, nécessaires pour le suivi des océans (e.g. Koblinsky et al., 1992; Le Traon and Dibarboure, 1999). L'altimétrie a, ainsi, forte-ment contribué à une meilleure compréhension de la circulation océanique à mésoéchelle (voir Le Traon et Morrow, 2001). La combinaison des données T/P et ERS-1/2 a permis, en particulier, d'obtenir une description de l'océan

avec une résolution jamais atteinte auparavant. Certains de ces résultats sont illustrés ci-après.

### 2. APPORT DE L'ALTIMÉTRIE À L'ÉTUDE DE LA CIRCULATION MÉSOÉCHELLE

#### 2.1 VARIABILITÉ MÉSOÉCHELLE

L'océan varie à toutes les échelles spatiales et temporel-les. C'est un système turbulent. On définit la variabilité mésoéchelle comme une classe de phénomènes énergé-tiques de longueurs d'ondes comprises entre 50 et 500 km et de périodes comprises entre quelques jours et un an. Cela comprend les tourbillons, méandres, anneaux, filaments, fronts et ondes planétaires d'échelle moyenne. Les mécanismes de forçage de cette variabilité sont principalement les instabilités baroclines et barotropes de la circulation générale et dans une moindre mesure l'interac-tion des courants avec la bathymétrie et le forçage direct par le vent. Une fois générée, cette énergie peut être redis-tribuée dans l'océan via des mécanismes de radiation d'é-nergie. L'énergie cinétique de la variabilité mésoéchelle est d'un ordre de grandeur supérieur à celle de la circula-tion moyenne. La description de la mésoéchelle est donc indispensable pour comprendre la dynamique de l'océan y compris la circulation moyenne (générale) (via les inter-actions turbulence mésoéchelle/courant moyen).

Sa connaissance/description est également essentielle pour les applications opérationnelles de l'océanographie.

#### 2.2 APPORT DE LA COMBINAISON DES DONNÉES TOPEX/POSEIDON ET ERS-1/2

L'utilisation conjointe des données T/P et ERS-1/2 a nécessité la mise au point de méthodes performantes de com-binaison (e.g. Le Traon and Ogor, 1998; Le Traon et al., 1998). Ces méthodes ont permis de décrire et de caracté-riser les variations du niveau de la mer et de l'énergie cinétique turbulente avec un niveau de détail jamais atteint auparavant (Ducet et al., 2000). A titre d'illustra-tion, la figure 1 représente l'écart-type des variations du niveau de la mer déduites de mesures T/P et ERS-1/2. C'est une information unique sur la caractérisation des zones turbulentes de l'océan. La figure montre que les régions de courant de bord-ouest (e.g. Gulf Stream, Kurioshio, Confluence), le courant des Aiguilles et le Courant Circumpolaire Antarctique sont des régions fortement tur-bulentes avec des variations du niveau de la mer pouvant
atteindre 40 cm rms. On peut également déduire des données altimétriques des cartes d'Energie Cinétique Tourbillonnaire (ECT) (figure 2) qui mettent mieux en évidence la variabilité mésoéchelle (car les vitesses sont une dérivée du niveau de la mer et sont donc plus représentatives des mouvements d'échelle moyenne). Ces cartes montrent bien les relations entre l'activité tourbillonnaire et la circulation générale de l'océan : les zones de forte variabilité mésoéchelle correspondent aux zones de fort courant moyen ce qui confirme que les instabilités des courants sont la source principale d'énergie de la variabilité mésoéchelle. Une analyse plus fine met bien en évidence le rôle de la bathymétrie sur la stabilité des courants océaniques. La combinaison des données T/P et ERS-1/2 a permis, en outre, de mieux caractériser l'anisotropie de la mésoéchelle et les interactions turbulence/circulation moyenne (e.g. Ducet et al., 2000; Ducet and Le Traon, 2001). Ces analyses montrent que la turbulence mésoéchelle peut suivant les régions ralentir ou accélérer la circulation moyenne. Des estimations récentes montrent également que la contribution de la mésoéchelle au transport méridien de chaleur et à ses variations est loin d'être négligeable.

L'analyse des variations saisonnières et interannuelles de l'intensité de la variabilité mésoéchelle est aussi une contribution majeure de l'altimétrie. Cette analyse permet de mieux comprendre les mécanismes de génération de l'activité tourbillonnaire. Stammer et Wunsch (1999) ont ainsi analysé les variations saisonnières de l'énergie cinétique tourbillonnaire et tenté de les relier aux champs de vent. Seules quelques régions, dans les hautes latitudes, montrent une corrélation significative. Ceci semble indiquer que le vent peut générer directement de l'énergie mésoéchelle dans les zones de faible variabilité et de fort forçage par le vent. Qiu (1999) a montré, par ailleurs, qu'il existait une variabilité saisonnière très marquée de l'ECT dans le Contre Courant Subtropical du Pacifique.

Il explique ce phénomène par une variation de l'intensité de l'instabilité barocline du courant liée principalement aux variations saisonnières du cisaillement vertical de courant. Ces analyses effectuées avec les données T/P ont été représentes par Ducet (2000) qui a montré que la combinaison des données T/P et ERS permet de bien mieux caractériser ces variations.

Des descriptions statistiques plus élaborées ont été évalué-
ment effectuées (spectres en nombre d'onde, spectres en
fréquence et nombre d'onde, échelles spatiales et tempo-
relles de la mésoéchelle) (e.g. Stammer, 1997; Ducet,
2000; Jacobs et al., 2001). Elles permettent une caractéri-
sation plus détaillée de la variabilité mésoéchelle que seule
l'altimétrie peut fournir. Toutes ces descriptions statistiques
sont très utiles pour valider les modèles océaniques, notam-
ment les modèles ayant une résolution suffisante pour
résoudre la dynamique océanique à mésoéchelle. Les com-
paraisons effectuées avec les modèles ayant une résolution
comprise entre le 1/3 et le 1/6 de degré (e.g. Treguier, 1992;
Stammer et al., 1996) montrent que les modèles bien que
représentant qualitativement les structures principales de la
variabilité mésoéchelle sous-estiment son intensité par un
facteur allant de 2 à 5 suivant les régions. Des simulations
numériques récentes à plus haute résolution (1/10 de degré)

sont très encourageantes (Smith et al., 2000; Ducet, 2000)
(figure 3). L'intensité de la variabilité mésoéchelle est en
bien meilleur accord avec les données altimétriques. Le
degré de réalisme de ces modèles font qu'ils peuvent être
maintenant extrêmement utiles pour aider à l'interprétation
des données altimétriques.

L'altimétrie permet aussi une description déterministe de la
circulation mésoéchelle. Le Traon et Dibarboure (1999) et
Le Traon et al. (2001) ont montré que l'erreur de cartogra-
phie du signal altimétrique est de l'ordre de 10 % de la
variance du signal ce qui permet de faire un suivi satisfai-
sant des tourbillons (du moins pour les tourbillons de taille
moyenne, i.e. de diamètre supérieur à 100 km). Cette capa-
cité de l'altimétrie a été démontrée de façon extrêmement
probante pour le suivi des tourbillons des Aiguilles. Elle a
permis de montrer qu'environ 5 à 6 de ces tourbillons sont
formés chaque année au niveau de la rétroflection du cou-
rant des Aiguilles et se propagent ensuite à travers l'océan
Atlantique Sud. La contribution de ces tourbillons est loin
d'être négligeable. Ils transportent entre 5 et 15 Sv
(1 Sv = 10⁶ m³s⁻¹) d'eau de l'océan Indien dans l'Atlantique
Sud. Le nombre de tourbillons formés et les trajectoires
montrent aussi des variations interannuelles significatives.
Seule l'altimétrie permet de décrire aussi précisément ces
tourbillons. Bien d'autres exemples existent que ce soit dans
les zones de forte variabilité mésoéchelle (e.g. Gulf Stream,
Kuroshio) ou dans des zones moins énergétiques (e.g. cou-
rant des Açores et courant des Canaries, courant de
Californie) (voir Le Traon et Morrow, 2001 pour une revue).

3. PERSPECTIVES

Les études menées dans les années 70-80 avaient contribué
à une meilleure connaissance et compréhension de la varia-
bilité mésoéchelle. L'altimétrie en a donné depuis peu une
observation globale et à haute résolution grâce, en particu-
lier, à la combinaison des données T/P et ERS; notre capaci-
té à la modéliser de façon réaliste est aussi très récente. La
vision qui émerge de ces avancées nouvelles est celle d'un
océan fondamentalement turbulent qui doit être observé et
modélisé à très haute résolution.

Jason-1 et ENVISAT, les successeurs des missions T/P et ERS ont été récemment lancés. Ils vont poursuivre et améliorer la série temporelle commencée avec T/P et ERS. La mission tandem TOPEX/POSEIDON et Jason-1 et l'utilisation de GEO-SAT Follow On (Le Traon et al., 2002) vont permettre, parallèlement, d'observer les océans à plus haute résolution (sur une durée limitée). Jason-1 et ENVISAT marqueront, en outre, le démarrage de l'altimétrie opérationnelle avec un traitement des mesures en temps quasi-réel et une utilisation dans des modèles globaux de prévision océanique (MERCATOR et GODAE) (The International GODAE Steering Team, 2001). Parallèlement, il faut définir et pérenniser les futures missions altimétriques.

Il faut au minimum continuer d'observer les océans avec
deux satellites mais une plus haute résolution (constellation
de trois ou quatre altimètres, nouvelles techniques à fauchée)
permettrait de franchir une nouvelle étape en océanographie
(The High Resolution Ocean Topography Science Working
Group, 2001).
<figure><img src="image_175.png" /><figcaption>Fig. 1 : Ecart-type des variations du niveau de la mer déduit de la combinaison des données TOPEX/POSEIDON et ERS-1/2. Les unités sont en cm.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_176.png" /><figcaption>Fig. 2 : Energie cinétique turbulente déduite de la combinaison des données TOPEX/POSEIDON et ERS-1/2. Les unités sont en cm²s⁻².</figcaption></figure>
<figure><img src="image_177.png" /><figcaption>Fig. 3 : Comparaison de l'énergie cinétique turbulente déduite de T/P et ERS-1/2 avec celle déduite du modèle de Los Alamos (résolution 1/10 de degré).</figcaption></figure>

4. RÉFÉRENCES

Ducet, N., 2000. Combinaison des données altimétriques
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# Le programme Pomme :
premiers résultats

## THE PROGRAM POMME: FIRST RESULTS

### L. MÉMERY et G. REVERDIN

Laboratoire d'Océanographie Dynamique et de Climatologie

UMR CNRS/UPCM, Institut Pierre Simon Laplace

Université Pierre et Marie Curie, Case 100, 4 Place Jussieu, 75252 Paris Cedex 5

memory@lodyc.jussieu.fr

## ABSTRACT

We present the first results of the French Program POMME that is an oceanographic Program dedicated to understand the role of meso-scale dynamics (50-200 km) on ocean physics and bio-geochimistry. Focus is given on the processes related to the subduction of modal waters and the evolution.

This project is supported by the French programs PATOM and PROOF.

Several oceanographic campaigns have been organized in the East Atlantic ocean between Acores and Spain (38°N - 45°N). During these campaigns intense hydrographic surveys were done, current meter ans sediment traps were deployed.

The different campaigns were the following:

* POMME 0: October - November 2000 (Thalassa) - Deployment of current meter and sediment trap moorings, first hydrographic survey

* POMME 1: February - Mach 2001 (Atalante, d'Entrecasteaux) - Study of the winter preconditioning

* POMME 2: March - May 2001 (Atalante, d'Entrecasteaux) - Study of the water subduction and the spring bloom

* POMME 3: September - October 2001 (Thalassa, BSHM) - Study of the oligotrophy - accumulation of dissolved organic matter accumulation

A major result of the POMME is to highlight the role of the oceanic small and mesoscale structures on the chlorophyll concentration, zooplankton, particles, and CO₂ partial pressure. Filaments associated to frontal structures and eddies are of importance. These scales are well observed on ocean color satellite images (Figures 2, 3). Contrary to a common view, the difference between cyclones and anticyclones are less important than the presence of these filaments to feed the bio-geo-chemical activity of the ocean.

## LES OBJECTIFS DE POMME

L'objectif principal de POMME (Programme Océan Multidisciplinaire Méso Echelle) est de comprendre le rôle de la méso-échelle (environ 50 – 200 km) dans les processus mis en jeu lors de la subduction des eaux modales et de la floraison printanière. A cet objectif s'ajoute l'étude des processus régulant les caractéristiques physiques et biogéochimiques des masses d'eau modales et le development de la matière biogène subductée et exportée sur l'échelle annuelle.

Ce projet pluridisciplinaire s'appuie sur les programmes nationaux PATOM et PROOF et sur plus d'une centaine de chercheurs et d'ingénieurs des communautés d'océanographes physiciens, biologistes et chimistes ainsi que de quelques météorologues. L'intégration forte entre les mesures dynamiques et bio-géochimiques constitue un des points fort et original du projet, ainsi que le soutien multi-organisme du projet (CNRS/INSU, SHOM, IFREMER, Météo France).

## LA SUBDUCTION

La subduction est l'un des mécanismes responsables de la transmission de signaux de surface vers la thermocline, régulant ainsi le stockage de chaleur et de carbone par l'océan. Cette subduction s'effectue par l'intermédiaire de la formation d'eaux hivernales homogènes (appelées eaux modales), alors en contact avec l'atmosphère, eaux qui sont par la suite isolées de l'atmosphère lors de l'augmentation de la stratification de surface due au réchauffement printanier et estival. Ces eaux sont alors transportées en sub surface (thermocline supérieure, vers 400 m), se trouvant ainsi déconnectées de l'atmosphère pour plusieurs années.

## LA ZONE D'ÉTUDE ET LES MOYENS EN ŒUVRE

La zone d'étude (Figure 1) se trouve dans l'Atlantique nord-est à mi-chemin entre Açores et péninsule ibérique (38°N - 45°N). Le cœur de la phase expérimentale s'est déroulé d'août 2000 à octobre 2001, avec quatre campagnes océanographiques auxquelles participaient chaque fois deux navires (Ifremer, SHOM) et un ensemble très
complet d'équipement mis à l'eau soit sur des mouillages en point fixe (une bouée météorologique, 5 mouillages courantométriques dont 3 avec ADCP, 4 mouillages de pièges à particules avec courantomètres), soit de bouées de surface et flotteurs de sub-surface dérivants (environ 110 : CARIOCA, Surdrifts, Marvors, Provors, VCMs).

LES QUATRE CAMPAGNES SONT LES SUIVANTES :

* POMME 0: Octobre - Novembre 2000 (Thalassa) - Mise en place, première couverture régionale

* POMME 1: Février - Mars 2001 (Atalante, d'Entrecasteaux) - Préconditionnement hivernal

* POMME 2: Mars - Mai 2001 (Atalante, d'Entrecasteaux) - Subduction, floraison printanière

* POMME 3: Septembre - Octobre 2001 (Thalassa, BSHM) - Conditions oligotrophes - accumulation de matière organique dissoute

Les campagnes ont permis d'avoir un aperçu de la situation physique-biologique à plusieurs périodes clé du cycle

saisonnier et de réaliser des expériences qui permettent de mieux rendre compte du fonctionnement des écosystèmes (phytoplancton - zooplancton - bactéries - matière détritique) en particulier en terme de bilan de carbone.
Pour ce faire, elles se sont décomposées en deux parties (Figure 1): le premier "legs" a permis une couverture régionale de la zone POMME, avec des stations CTD-rosette espacées d'environ 50 km; le deuxième "legs" était dédié à des radiales spécifiques à très haute résolution (quelques km) de paramètres physiques et biologiques par l'intermédiaire d'engins tractés (SeaSoar-OPCT sur le navire SHOM, Tow Yo sur le navire Ifremer) et à des études de processus bio géochimiques lors de stations "longues" d'environ 48 heures. La stratégie d'échantillonnage des deuxièmes legs s'est fortement appuyée sur l'utilisationisation d'un modèle de circulation SOPRANE, associé à l'assimilation de données en temps quasi réel (altimétrie et données in situ): ainsi, les radiales d'engins tractés et les stations longues ont été positionnées par rapport à des structures tourbillonnaires et frontales révélées par le modèle (Figure 1).

<figure><img src="image_178.png" /><figcaption>Fig. 1 - Couverture type d'une campagne POMME (ici POMME 2). Fond de carte : sorties du modèle SOPRANE (SHOM) : gris claire = anti-cyclone (rotation dans le sens d'une aiguille d'une montre) ; gris foncé = cyclone.</figcaption></figure>

A droite : leg 1. Couverture de stations hydrologiques espacées sur 50 km environ (Atalante/Ifremer ; trajet noir : Vigo - Ponta Delgada) ; d'Entrecasteaux : SHOM ; trajet bleu : Brest - Ponta Delgada). La position des mouillages est indiquée : ces mouillages sont restés à l'eau pendant au moins une année, et pour certains d'entre eux (pièges à particules), ne seront récupérés qu'à la mi 2002. Entre les deux legs, les deux navires se sont retrouvés à Ponta Delgada (Açores) pour qu'une stratégie d'échantillonnage cohérente soit mise au point et coordonnée lors des legs 2, stratégie basée à la fois sur les observations du leg 1 et sur les résultats du modèle opérationnel SOPRANE.

A gauche : leg 2. L'Atalante (Ponta Delgada - Vigo) a effectué plusieurs radiales de Tow Yo et 4 stations longues d'études de prosessus, d'environ 48 h chacune, positionnées dans des zones de conditions hydrodynamiques locales contrastées. Le d'Entrecasteaux (Ponta Delgada - Madère) s'est attaché à effectuer des radiales et "radiateurs" de SeaSoar - OPCT au niveau de fronts et à été amené à faire certains travaux d'intendance (comme la mise à l'eau et la récupération/remise en place de bouées - flotteurs, travaux sur les mouillages, etc...)
## LES PRINCIPAUX RÉSULTATS

Ces résultats qui sont bien entendu partiels et temporaires, peuvent se résumer aux 8 points suivants :

* Bien que la zone POMME soit supposée "calme" (i.e. associée à une énergie cinétique turbulente tourbillonnaire faible), les observations ont montré que l'activité à moyenne et petite échelles était très développée et bien organisée.

* Malgré une année relativement chaude, une couche mélangée hivernale profonde a bien été formée au nord de la zone. Les processus de subduction ont en outre été observés, à petite échelle, i.e. au niveau des fronts séparant les tourbillons (sur quelques kilomètres).

* S'il y a bien eu une augmentation sensible de la production primaire (photosynthèse) entre POMME 1 et POMME 2 (doublement environ), la floraison n'a cependant pas été très intense et s'est plutôt distribuée d'une manière variable, en relation avec les structures

dynamiques à moyenne et petite échelle.

* La campagne POMME 3 était caractérisée, surtout pendant le leg 2, par une très forte oligotrophie (activité biologique très faible) par épuisement de sels nutritifs, et par une accumulation de matière organique dissoute importante.

* La région est globalement autotrophe (i.e., par suite de l'activité biologique le CO₂ dissous est stocké en carboné organique), surtout en hiver et au printemps, avec une tendance neutre en fin d'été – automne.

* La structure de l'écosystème montre une grande variabilité saisonnière (taille des cellules phytoplanctoniques, réseau des producteurs supérieurs, etc.):

* La variabilité des stocks et flux bio géochimiques intra-site (stations longues) est beaucoup moins forte que la variabilité entre les sites.

* Globalement, la région POMME est un puits net de CO₂ atmosphérique, les premières estimations donnant 0.8, 1.0 et – 0.3 GtC (flux positif vers l'océan) respectivement pour POMME 1, 2 et 3.

<figure><img src="image_179.png" /><figcaption>Figure 2a
Radiale de l'origine tracté OPC (Optical Plankton Counter) - J.P. Labat
POMME 3
Charge particulière entre 250 µm et 1 cm</figcaption></figure>

**Fig. 2 - Signature de la petite échelle (quelques km). 2a : Section Seasoar-OPCT effectuée à bord d'un BSHM (SHOM) lors de POMME 3.**

<footnote>Les résultats présentés concernent les observations acquises avec l'OPCT, i.e. les concentrations de particules entre 250 m et 1 cm (zooplancton). La figure de gauche montre la position de la section sur un fond de carte de sortie du modèle SOPRANE – hauteur de surface de la mer (symboles grisés identiques à la figure 1). Les résultats relatifs à cette section sont représentés en fonction de la latitude et de la profondeur sur la figure du bas, à droite. La figure du haut, à droite, trace le contenu intégré verticalement en particules sur 250 m : on peut y voir deux extrema fortement marqués, associés aux fronts bordant l'anticyclone situé vers 43.5°N</footnote>
<figure><img src="image_180.png" /></figure>

## L'ANALYSE DES DONNÉES

La phase d'analyse des données a débuté et se déroulera au cours des deux années qui viennent : elle sera menée en parallèle à des études de modélisation numérique qui permettront de mieux situer les données dans un contexte régional, de mieux évaluer si les objectifs du projet ont été atteints, de décrire les processus dynamiques et biogéochimiques dominants et de quantifier l'impact des différentes échelles sur les flux. Cette expérience donnera lieu en outre à la création d'une base de données extrêmement riche, qui sera à terme (vers la fin 2004) entièrement disponible pour la communauté internationale : le travail de centralisation et formatation des observations a déjà commencé au LODYC (Paris) et le LOV (Villefranche/Mer).

<figure><img src="image_181.png" /></figure>

## PREMIÈRE CONCLUSION : IMPORTANCE DES TOURBILLONS

Qualitativement, une des conclusions principales de POMME concerne les échelles de variabilité spatiale des caractéristiques bio géochimiques des masses d'eau : le signal (concentrations en chlorophylle, zooplancton, particules, pression partielle de CO₂, etc.) se trouve concentré sur quelques km ("petite échelle"), et est associé aux structures frontales et filamentaires qui résultent, d'une part, de la dynamique des tourbillons (quelques dizaines de km) et, d'autre part, de l'interaction entre les tourbillons (Figure 2). Ces petites échelles sont particulièrement bien mises en évidence par l'imagerie satellitale de la couleur de la mer (Figure 3). Ainsi, contrairement à certaines idées préconçues, les différences du fonctionnement de l'écosystème marin entre cyclones et anticyclones sont nettement moins marquées que les différences au niveau des limites des tourbillons et des fronts.
De plus amples informations peuvent être trouvées sur le site Web POMME :
http://nansen.ipsl.jussieu.fr/POMME/

<caption>Fig. 3 : Image Seawifs de couleur de la mer le 31 Mars 2002.</caption>

Les parties masquées (en blanc) sont associées à des nuages, dont la pré-sence rend "aveugle" Seawifs. Les niveaux de gris foncés sont associés à des teneurs très faibles de chlorophylle, contrairement aux gris faibles. La résolution horizontale de cette carte est de 1 kilomètre, ce qui permet de bien voir, à côté de signatures de moyenne échelle (environ 10-20 km), des structures filamentaires et en forme de champignon de taille nettement plus petite, associées à la petite échelle.