Indicateur DHYa - Déficit hydrique annuel

Définition de l'indicateur

L'indicateur DHYa est le Déficit Hydrique annuel (en mm), c'est à dire le cumul annuel des déficits hydriques mensuels. Il caractérise le facteur limitant manque d'eau. 

Il est calculé en faisant un bilan cumulatif mensuel des précipitations moins l'évapotranspiration potentielle (ETP), prenant en compte la réserve utile maximale du sol, et d'une façon simplifiée, le fait que les précipitations soient sous forme de neige ou non. 

En effet, l'évapotranspiration potentielle est la quantité d'évaporation (physique) et de transpiration (par les plantes) qui a lieu si l'approvisionnement en eau est suffisant. Cela correspond aux besoins en eau de l'écosystème, s'il n'est pas limité par la quantité d'eau disponible. Si l'évapotranspiration effective est inférieure à l'évapotranspiration potentielle, du fait d'un manque d'eau disponible via les précipitations et la réserve utile du sol, il y a déficit hydrique. Dans ce cas, les plantes subissent un stress hydrique.

Chaque espèce végétale (et dans une moindre mesure, chaque individu de cette espèce) peut tolérer un niveau de stress plus ou moins important, selon son niveau d'adaptation aux milieux plus ou moins secs, défini par son patrimoine génétique, mais aussi selon les conditions de concurrence locale et son historique de croissance. 

Données d'entrée

Le calcul de DHYa nécessite :

• Les températures minimales des 12 mois de l'année (Tmin, en °C),
• Les températures maximales des 12 mois de l'année (Tmax, en °C),
• Les températures moyennes des 12 mois de l'année (Tmoy, en °C),
• Les précipitations des 12 mois de l'année (P, en mm),
• La réserve utile maximale du lieu (RUM, en mm),
• La latitude du lieu (Lat, en degrés décimaux). 

Mode de calcul

Calcul principal

Pour chaque mois, on fait un bilan entre les besoins (ETP) et les précipitations reçues (P). S'il y a excès d'eau, celui-ci est transféré dans la réserve utile (RU) en eau du sol, à concurrence de sa capacité maximale (réserve utile maximale, RUM). A l'inverse, s'il y a manque d'eau, on prélève dans la réserve utile. S'il n'y a pas assez d'eau dans la réserve utile pour compenser le manque de précipitations, il y a déficit hydrique que l'on calcule en mm pour le mois (DHYmois). Au début du calcul (mois de janvier), on part d'une réserve utile à son maximum. Pour éviter que ce paramètre initial biaise le calcul, on réalise le bilan sur trois années successives, afin de stabiliser le calcul, et on ne conserve que les données de la dernière année. 

L'indicateur DHYa est donc la somme des DHY_mois de la troisième année. 

La boucle de calcul est ainsi réalisée mois par mois, sur une durée de 3 ans , selon le schéma ci-dessous.

Prise en compte de la neige

Si la température est négative, les précipitations sont sous forme de neige, ce qui ne permet ni leur utilisation par les plantes (même si normalement l'ETP est nulle ou très faible dans ce cas), ni leur transfert dans la réserve utile. Dans ce cas, la neige est "mise de coté", et redistribuée progressivement lorsque la température remonte (fonte des neiges).  

Dans le cas où il y a des précipitations neigeuses, une correction est donc faite sur les précipitations reçues chaque mois, comme suit :

• Si la température minimale du mois est inférieure à - 2 °C, on considère que les précipitations sont neigeuses. 
• Les précipitations neigeuses sont stockées dans une réserve de neige (de taille infinie).
• Les précipitations reçues deviennent donc nulles pour ce mois. A noter cependant que s'il y a de l'ETP (normalement nulle ou très faible dans ces conditions), on la soustrait aux précipitations (hypothèse de jours moins froids dans le mois). Le calcul ne permet donc pas d'avoir un déficit hydrique pour les mois où Tmin < - 2 °C. 
• A partir du premier mois pour lequel Tmin > - 2 °C, la réserve de neige fond au pro-rata de Tmin du mois.
• La neige "fondue" est ajoutée aux précipitations reçues pour le mois. 

Déficit hydrique négatif

S'il n'y a pas de déficit hydrique sur l'ensemble des mois de l'année, DHYa est théoriquement égal à zéro (qu'on soit très près ou très loin de l'apparition d'un déficit hydrique). Pour mieux différencier les situations, en cas de DHYa = 0, on calcule un DHYa négatif, pour refléter la "distance" à l'apparition d'un déficit hydrique.

Pour ce faire, on refait le calcul du DHYa itérativement, en augmentant l'ETP par très petits paliers, jusqu'à l'apparition d'un DHYa > 0. La différence (ETP_réel - ETP_augmenté) devient la valeur négative de DHYa. 

Calcul de l'ETP

Pour le calcul du DHYa, il est nécessaire de connaître l'ETP (évapotranspiration potentielle) de chaque mois.

Il existe de très nombreuses formules pour calculer l'ETP, nécessitant plus ou moins de variables en entrée, et plus ou moins adaptées à différents contextes. D'après la FAO, la meilleure formule (en particulier pour la forêt tempérée) est celle de Penman-Monteith. Malheureusement, les données à notre disposition (en particulier pour les scénarios futurs) ne fournissent pas toutes les variables nécessaires à son calcul.  

Nous suivons donc les recommandations de la FAO dans ce cas (Allen et al. 1998) et utilisons la formule de Hargreaves, qui n'utilise que la latitude et les données de température de l'air. 

Elle prend en compte :

• R_a : le rayonnement solaire extraterrestre (au dessus de l'atmosphère), calculé à partir de la latitude,
• T_moy : la température moyenne mensuelle,
• Une estimation de la nébulosité, à partir de l'amplitude de température (T_max - T_min).

A titre indicatif l'équation journalière de l'ETP selon cette méthode est : ETP = 0.0023 (T_moy + 17.8)(T_max - T_min)^0.5 R_a

Cette formule est journalière. Pour le calcul de l'indicateur, elle est utilisée à l'échelle mensuelle avec comme multiplicateur le nombre de jours du mois. Il faut noter que ce passage à l'échelle mensuelle rend l'estimation de la nébulosité assez peu précise. Malheureusement, les données climatiques utilisées en entrée ne permettent pas d'être plus précis, en particulier pour les scénarios climatiques futurs.