Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Changements climatiques – Détection“

Le climat est l’un des facteurs les plus importants de la production des cultures. Il influence tant positivement que négativement l’ensemble des activités agricoles et a une action marquée sur le rendement des cultures. Les changements présents dans les éléments constituant le climat permettent de comprendre le niveau de productivité actuel, de concevoir et/ou modifier les pratiques des producteurs. L’objectif de cette étude était de déterminer l’effectivité d’un changement du climat et d’identifier les risques possibles de ces changements climatiques sur la culture du Café Robusta. La série de données de 44 ans (1974 -2017) pour les précipitations et le nombre de jours de pluie, celle de 38 ans (1980 - 2017) pour les températures moyennes et celle de 37 ans (1981 -2017) pour l’humidité relative moyenne, ont été obtenues à la station météorologique de Nkongsamba. Ces séries ont été ensuite découpées en deux périodes de 30 ans chacune. La détection des changements dans les séries s’est faite par le logiciel changepoint.np de R et la méthode PELT, tandis que la comparaison des deux périodes de 30 ans chacune s’est faite à l’aide du test de Student et celui de Wilcoxon. Les résultats ont montré que les changements climatiques sont réels dans le bassin de production du Moungo. Ils sont caractérisés par l’augmentation des températures moyennes de 0,9°C, couplée à une réduction de 20 jours de pluie et la baisse de 1,3% de l’humidité relative. Par ailleurs une réduction de 10 jours de pluies entre les deux périodes de 30 ans a été observée. Elle est couplée à une augmentation des températures moyennes de 0,8°C. Les risques causés par ces changements sur la culture du café robusta sont légers. Toutefois ces changements concourent aux conditions favorables de développement du principal ravageur du caféier Hypothenemus hampei. L’association du café avec des espèces agroforestières, ainsi qu’une protection phytosanitaire adéquate, peut réduire la pression du ravageur et augmenter les rendements du café.

Résumé Une modification des pluies va probablement entraîner une modification de la disponibilité des ressources en eau. Les impacts pour la population humaine devraient donc être importants. Les ressources en eau font aussi l’objet d’une pression anthropique qui ne cesse de croître : changement d’occupation des sols, construction de barrages, prélèvements d’eau souterraine. Le bassin versant de l’oued Mina, de 6 000 km2 environ, situé au nord-ouest d’Algérie et affluent de l’oued Cheliff, présente une variabilité spatiale et temporelle importante des pluies et des débits. Une régionalisation de la pluviométrie annuelle de ce bassin a été réalisée à partir des données de 26 stations pluviométriques ayant 77 années d’observation (1930-2007). Grâce aux tests statistiques de détection des ruptures sur les séries chronologiques, nous avons détecté une diminution des pluies annuelles de 19 à 20 % sur le bassin de l’oued Mina, vers 1976 le plus souvent, et une rupture dans les séries de débits mensuels et annuels de cinq postes hydrométriques, à partir du milieu des années 1970 et jusqu’au cours des années 1980. Sur l’ensemble du jeu de données de débits, tous les mois présentent des ruptures, et c’est durant les mois de février, mars et avril, de fin de saison humide, qu’elles sont les plus significatives. Durant les années récentes, aucun changement de tendance ne peut être observé sur les séries étudiées. À cette échelle, les pluies diminuent effectivement de manière importante et abrupte depuis 1960. Les changements climatiques qui affectent actuellement le bassin méditerranéen sont susceptibles d’avoir des conséquences importantes sur les régimes hydrologiques des fleuves côtiers.

L'élévation de la température de l'eau associée à El Niño Southern Oscillation (ENSO) en 1997/98 a provoqué un blanchissement généralisé des récifs coralliens à l'échelle de la planète. Après cet événement, un peu partout dans le monde, des projets ont été lancés afin d'évaluer les impacts de la phase aiguë de blanchissement. Les données detélédétection ont été largement utilisées pour caractériser et prévoir le blanchissement des coraux. Les images satellites ont permis de développer des outils opérationnels en phase d'alerte de blanchissement. Pourtant, la détection du corail blanchi se cantonne aux épisodes aigus de blanchissement. Jusqu'à présent, il n'existe pas de données de télédétection qui contribuent à un suivi régulier des formes interannuelles de blanchissement dont l'occurrence devrait augmenter en raison des changements climatiques en cours. La principale raison est que, dans les longueurs d'onde du visible, il n'est pas possible d'identifier une signature du blanchissement des coraux sans confusion avec d'autres entités récifales. À partir de l'exemple d'un épisode de blanchissement sur l'île de La Réunion (sud-ouest de l'Océan Indien), cet article présente une nouvelle contribution de la télédétection pour caractériser le blanchissement des coraux, mais aussi et surtout les contraintes et limites méthodologiques de telles méthodologies. L'approche orientée objet et l'analyse diachronique dans un temps très court ouvrent de nouvelles perspectives. Quatre images Spot 5 orthorectifiées ont été utilisées pour tenter de caractériser l'épisode de blanchissement de l'été austral 2003-2004.

Dans les régions arides et semi arides, l’eau est une ressource très limitative non seulement pour sa pénurie, mais aussi pour sa disponibilité incertaine. Dans le bassin moyen Oum Er-rbia (plaine Tadla), se caractérise par un climat semi-aride, méso thermique, chaud et sec en été et froid en hiver. Ce climat est conditionné par la présence des deux facteurs principaux : La présence de l’Atlantique à moins de 200km à l’Ouest, qui exerce une influence tempérante mais aussi qui se manifeste par des vents pluvieux en provenance de l’Ouest ; La latitude dont l’effet se traduit par une aridité croissante en se déplaçant du Nord vers le Sud ; les ressources en eau diminuent de l’amont vers l’aval et se traduisent par une raréfaction des taux de précipitation (une moyenne de 560 mm à Ahmed Hansali et 352 mm à Béni Mellal) et une augmentation des moyennes d’évapotranspiration (465.1mm à Béni-Mellal et 571 mm à Ahmed Hansali) et de la température. Ceci exige une analyse spécifique de ces paramètres pour comprendre et prédire les instabilités des ressources dans la région d’étude. L'objectif de ce travail est de calculer l’évapotranspiration potentielle (mensuelle et annuelle), en se basant sur les séries des données hydroclimatiques, enregistrées au niveau des stations météorologiques .Les précipitations et l’évapotranspiration sont des variables très importantes dans le diagnostic des changements climatiques et leurs effets sur l’environnement. La méthodologie adaptée dans ce travail est basée sur l’étude statistique des séries chronologiques. Ces analyses comprennent la détection de tendances, la détection des ruptures par changement de moyenne, et aussi la corrélation entre les données de précipitation et celle d’évapotranspiration. Les données proviennent de deux stations trouve dans le haut bassin du bassin moyen Oum Er-rbia (Béni Mellal, Ahmed Hansali). Les résultats des analyses statistiques mettent en évidence l’existence des changements sensibles et généralisés représentés essentiellement par le réchauffement dû aux gaz à effet de serre, en étroite relation avec l’activité humaine. Ces changements ont une influence négative sur l’environnement et l’Homme. In the middle Oum-rebia basin (plain Tadla), is characterized by a semi-arid, meso-thermal climate, hot and dry in summer and cold in winter. This climate is conditioned by the presence of the following two main factors: The presence of the Atlantic less than 200km to the west, which exerts a tempering influence but also manifests itself in rainy winds from the west; The latitude, the effect of which is reflected in increasing aridity as it moves from north to south; Water resources decrease from upstream to downstream and result in a rarefaction of precipitation rates (an average of 560 mm in Amed Hansali and 352 mm in Béni Mellal) and an increase in average evapotranspiration (465. 1mm in Beni-Mellal and 571 mm in Ahmed Hansali) and temperature. This requires a specific analysis of these parameters to understand and predict resource instabilities in the study area. The objective of this work is to calculate the potential evapotranspiration (monthly and annual), based on the series of hydroclimatic data, recorded at the level of the meteorological stations Precipitation and evapotranspiration are very important variables in the diagnosis of climate change and its effects on the environment. The methodology adapted in this work is based on the statistical study of time series. These analyses include the detection of trends, the detection of breaks in the mean, and also the correlation between precipitation and evapotranspiration data. The data are from three stations in the upper basin of the middle Oum Rbia basin (Beni Mellal, Ahmed Hansali, Mechra Edahk). The results of the statistical analyses highlight the existence of significant and widespread changes represented essentially by warming due to greenhouse gases, in close relation with human activity. These changes have a negative influence on the environment and mankind.

Les forêts de l’Est de la France ont subi de gros dégâts au cours de la période 2015 à 2020 du fait de la récurrence d’événements extrêmes de sécheresse et de vagues de chaleur. Cet article vise à qualifier le caractère exceptionnel de ces événements à partir des meilleurs jeux de données climatiques disponibles et des indicateurs pertinents pour la forêt. Le lien avec le changement climatique, de plus en plus évident depuis quelques années, est établi et quantifié à travers les approches de détection et d’attribution. Messages clésLa répétition des sécheresses sur trois années successives (2018-2020) est inédite.Une hausse en fréquence et intensité des épisodes estivaux chauds et secs est constatée.Ces évènements devraient se répéter dans l’avenir.

Le changement climatique récent est attribué entre autres à l'impact des particules atmosphériques d’origine naturelle ou des activités humaines d’après le dernier rapport du GIEC [IPCC, Climate Change 2014: Synthesis Report]. Les aérosols affectent également les propriétés des nuages et influencent le cycle de l'eau, pouvant intensifier les moussons. En avril 2010, le volcan Eyjafjallajökull a créé un panache de plusieurs milliers de kilomètres sur l’Europe et causé la fermeture de plusieurs aéroports internationaux, clouant au sol des millions de voyageurs et causant une perte économique globale de 1,7 milliard de dollars. Tous les jours, les aérosols transfrontaliers (panaches de sable du Sahara, résidus de combustion des forêts canadiennes) affectent la santé des populations habitant notamment en zones urbaines ainsi que les activités économiques.

La qualité des statistiques des précipitations, notamment les courbes Intensité-Durée-Fréquence, dépend étroitement de la fiabilité des données disponibles. Or, il a été montré que la plupart des séries temporelles provenant de pluviomètres à augets basculants ont une fréquence effective de mesure inférieure à celle assumée. Cette question est particulièrement importante pour l'hydrologie urbaine qui doit prendre en compte les fluctuations hautes fréquences des précipitations. Des études préliminaires ont montré que le nombre d'inondations estimé à l’aide de données à basse fréquence temporelle était plus faible que celui obtenu à l’aide des données à haute fréquence temporelle. Le déficit en données à haute fréquence peut conduire à d’apparentes ruptures des lois d’échelle, ce qui complique inutilement et notoirement la modélisation des précipitations. Il est donc indispensable de quantifier la qualité des données avant de les utiliser. Nous présentons une procédure SERQUAL qui permet de répondre à cette question et nous utilisons cette procédure SERQUAL pour sélectionner les sous-séries ayant les qualités requises pour des analyses à haute résolution. L’approche multifractale est alors appliquée sur les données sélectionnées pour caractériser la structure temporelle et le comportement extrême de la pluie. Cet article présente ainsi une estimation fiable des paramètres multifractaux de la pluie à haute résolution de cinq minutes pour les départements français de l’Isère (38), des Yvelines (78), du Var (83) et du Val-de-Marne (94). Ces paramètres peuvent être utilisés pour caler ou valider des modèles statistiques ou stochastiques. D’autre part, l’évolution des caractéristiques multifractales peut être aussi utilisée pour évaluer des conséquences hydrologiques du changement climatique. Les résultats obtenus montrent que l’influence du changement climatique n’est pas perceptible sur les précipitations pour les périodes étudiées en région Ile-de-France.

Les feux de brousse sont courants en Afrique de l’Ouest et au Sahel. Ils contribuent à modifier sans cesse le paysage. Cette étude a été réalisée en Afrique de l’Ouest et en Mauritanie. Elle visait l’élaboration de plaidoyer pour la gestion des feux de brousse. Il s’agit plus spécifiquement, de contribuer à l’amélioration des connaissances sur la distribution spatiale et temporelle des feux de brousse. Pour cela, les données de MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) allant de 2014 à 2020 ont été utilisées. La répartition des feux actifs durant la saison 2019/2020 a été analysée et comparée à la moyenne des 5 dernières années précédant la période d’étude. De façon générale, la saison des feux démarre entre octobre à novembre et se termine en avril, avec des pics qui se manifestent à partir de décembre. Il ressort que 70% des occurrences des feux apparaissent entre décembre et février ce qui a permis de classer les pays en 7 groupes. Cette étude a également montré que le taux de détection des feux dépend du type d’occupation de sol. Enfin, elle montre l’importance des informations produites pour une meilleure gestion des ressources naturelles disponibles dans un contexte de changement climatique. English title: Wildfires monitoring in West Africa and the Sahel, a decision support tool Wildfires are common in West Africa and the Sahel and contributes to shape the landscape. The study was carried out in West Africa and Mauritania. The main goal of this study is a plea for monitoring wildfires in West Africa. The specific goal was to improve knowledge on the spatial and temporal distribution of wildfires in West Africa. Data from (2014-2020) of Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) have been utilized and processed using descriptive statistics. Repartition of active fire detection during 2019/2020 has been studied and compared with the mean of the previous five years (2014-2018). In general, fire season begins from October to November and ends in April with peaks starting in December. Our study revealed that 70% of wildfires are observed from December to February and this helps to classify the countries of the study area into 7 groups. Moreover, it has been showed that fire detection rate depends on the type of soil occupation. Finally, his study shows that data from remote sensing can be used to provide information to help decision-making for monitoring the available natural resources under a climate change context.

Selon le Groupe Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat (GIEC), la détection est la démonstration statistique de ce qu'un changement observé ne peut pas être expliqué par la seule variabilité interne naturelle du climat. Cette thèse s'intéresse à la détection des changements climatiques à l'échelle régionale, et en particulier aux méthodes statistiques adaptées à ce type de problématique. Plusieurs procédures de tests statistiques sont ainsi présentées et étudiées. La première méthode développée consiste à rechercher, dans les observations, la présence d'un signal de changements climatiques dont la distribution spatiale est connue. Dans ce cas, une nouvelle adaptation de la méthode des empreintes digitales optimales a été proposée, basée sur l'utilisation d'un estimateur bien conditionné de la matrice de covariance de la variabilité interne du climat. Une seconde approche propose de rechercher un signal ayant une forme d'évolution temporelle particulière. La forme recherchée peut alors être évaluée à partir de scénarios climatiques en utilisant des fonctions de lissage "splines". Une troisième stratégie consiste à étudier la présence d'un changement non spécifié à l'avance, mais qui vérifie une propriété de séparabilité espace-temps, et qui présente une certaine régularité en temps. On utilise dans ce cas un formalisme de statistique fonctionnelle, pour construire un test de significativité de la première composante principale lisse, basé sur le rapport des vraisemblances pénalisées. L'application de ces différentes méthodes sur des données observées sur la France et le bassin Méditerranéen a permis de mettre en évidence de nouveaux résultats concernant les changements climatiques en cours sur ces deux domaines. Des changements significatifs sont notamment mis en évidence sur les températures annuelles et saisonnières, ainsi que sur les précipitations annuelles, dans le cas de la France. Ces changements ne sont pas uniformes en espace et modifient la distribution régionale de la variable étudiée. La comparaison des différentes méthodes de détection proposées a également permis de discuter de la capacité des modèles de climat à simuler correctement les caractéristiques spatiales et temporelles des changements climatiques.

Les événements extrêmes sont l'expression de la variabilité climatique naturelle. Puisque les émissions anthropiques affectent le climat mondial, il est naturel de se demander si les événements extrêmes observés récemment sont une manifestation du changement climatique. Cette thèse se propose de contribuer à la compréhension de l'influence du changement climatique anthropique sur les événements extrêmes observés, tout en évaluant si et comment cette information scientifique - et plus généralement, l'attribution d'événements extrêmes (AEE) - pourrait être utile à la société. Je propose des outils statistiques et j'utilise un ensemble d'entretiens qualitatifs pour répondre à ces questions.La partie statistique s'applique aux vagues de chaleur européennes. Je quantifie le rôle joué par la circulation atmosphérique dans l'intensité de quatre vagues de chaleur récente. Cette analyse s'appuie sur des analogues de circulations, qui identifient des jours ayant une circulation similaire à celle de l'événement étudié. Ensuite, je dissocie l'influence du changement climatique sur les processus dynamiques et non dynamiques menant aux vagues de chaleur. Je calcule des tendances sur l'occurrence de circulations favorisant les fortes chaleurs et sur la température pour une circulation fixée, pour les vagues de chaleur de 2003 en Europe de l'Ouest et de 2010 en Russie. Je trouve que la significativité des résultats dépend de l'événement étudié, ce qui montre l'intérêt de calculer des tendances pour des types de circulation atmosphérique précis.La partie épistémologique analyse les utilisations sociales potentielles de l'AEE. Je mesure comment elle pourrait informer les négociations internationales sur le climat, en particulier les pertes et préjudices, en réponse à des arguments de scientifiques dans ce sens. Je trouve que le seul rôle que l'AEE puisse jouer pour renforcer les pertes et préjudices est un rôle de sensibilisation des politiques, en marge du processus de négociations. Je compare également les motivations avancées par les scientifiques dans les entretiens avec les résultats existants sur l'utilité sociale de ce type d'information scientifique. Je montre que la pertinence sociale des résultats d'AEE est ambiguë, et qu'il y a un manque de données empiriques pour mieux comprendre comment différents acteurs s'approprient et réagissent à cette information
Extreme events are an expression of natural climate variability. Since anthropogenic emissions affect global climate, it is natural to wonder whether recent observed extreme events are a manifestation of anthropogenic climate change. This thesis aims at contributing to the understanding of the influence of anthopogenic climate change on observed extreme events, while assessing whether and how this scientific information - and more generally, the science of extreme event attribution (EEA) - could be useful for society. I propose statistical tools to achieve the former, while relying on qualitative interviews for the latter.The statistical part focuses on European heatwaves. I quantify the role played by the atmospheric circulation in the intensity of four recent heatwaves. This analysis is based on flow analogues, which identify days with a similar circulation pattern than the event of interest. I then disentangle the influence of climate change on the dynamical and non-dynamical processes leading to heatwaves. I calculate trends in the occurrence of circulation patterns leading to high temperatures and trends in temperature for a fixed circulation pattern, applied to the 2003 Western Europe and 2010 Russia heatwaves. I find that the significance of the results depend on the event of interest, highlighting the value of calculating trends for very specific types of circulation.The epistemological part evaluates the potential social uses of extreme event attribution. I assess how it could inform international climate negotiations, more specifically loss and damage, in response to a number of claims from scientists going in this direction. I find that the only potential role EEA could play to boost the loss and damage agenda would be to raise awareness for policy makers, aside from the negotiation process itself. I also evaluate how the different motivations stated by EEA scientists in interviews fare compared to the existing evidence on social use of this type of scientific information. I show that the social relevance of EEA results is ambiguous, and that there is a lack of empirical data to better understand how different non-scientific stakeholders react and appropriate EEA information

L'influence des variations et changements climatiques, combinee a l'evolution continue de l'occupation du sol, rend la detection des veritables causes des variations de la relation pluie-debit extremement difficile. D'une maniere generale, deux approches sont preconisees pour aborder ce type de recherche. D'un cote, il y a moyen d'utiliser des modeles hydrologiques, permettant notamment de simuler le fonctionnement hydrologique des bassins versants en fonction de divers sceanarios climatiques et d'occupation du sol, tandis que de l'autre cote il y a la possibilite de d'analyser des observations de terrain, rendant compte des changements reels apparus au niveau de la relation pluie-debit. Notre choix s'est porte sur cette deuxieme voie, notamment a cause du manque de donnees suffisammentprecises pour calibrer de maniere satisfaisante les modeles hydrologiques au debut de ce travail. Notre approche est divisee en deux parties complementaires, visant d'une part l'analyse de longues series hydro-climatologiques dans le bassin de l'alzette pour detecter d'eventuels effets d'un changement climatique et/ou d'occupation du sol, et d'autre part l'analyse de series d'observations a haute densite spatio- temporelle pour isoler avec precision les facteurs climatiques et physiogeographiques qui controlent les crues et inondations dans le bassin de l'alzette. A cet effet, un reseau tres dense de pres de 20 postes limnigraphiques a ete mis en place des 1995, couvrant des sous-bassins de tailles variant entre 7. 3 et 1175. 9 km2. L'analyse des longues series hydro-climatologiques a permis de mettre en relation une augmentation importante des debits maximums journaliers au cours des dernieres decennies, avec une augmentation tout aussi sensible des apports pluviometriques par flux d'ouest au semestre hivernal. L'etude a echelle spatio-temporelle fine a permis d'isoler l'allure des champs pluviometriques, la repartition des substrats impermeables, tout comme les interactions nappe-riviere, comme facteurs generateurs des crues et inondations dans le bassin de l'alzette. Des cartes d'aleas pluviometrique et hydrologique ont ete realisees et permettent de voir que la genese du risque hydrologique est spatialement tres eloignee des zones exposees au risque. Les effets de l'anthropisation grandissante du bassin sur le fonctionnement hydrologique de l'alzette se sont reveles et

Le travail de recherche appliquée réalisé au cours du doctorat s’intéresse aux tempêtes hivernales à fort potentiel d’impact économique en Europe et comprend deux parties. La première partie vise à quantifier l’impact du changement climatique sur les tempêtes de vent hivernales extrêmes en Europe et s’appuie sur des données couvrant des périodes supérieures à 30 ans. La seconde partie du travail est plus opérationnelle et a pour objectif l’élaboration et la mise en place d’un outil de détection des tempêtes de vent hivernales en Europe à partir de prévisions météorologiques actualisées toutes les six heures. L’objectif général de la première partie du travail de recherche est d’apporter une vision moyen-terme de ce que pourraient être les tempêtes de vent hivernales en Europe au cours du XXIe siècle. Ce travail vient compléter la vision pour l’instant principalement court-terme du risque proposée par les modèles CatNat, utilisés par les (ré)assureurs pour connaître le coût du risque sur leur portefeuille. Au cours du travail de recherche, une nouvelle méthode a été proposée pour définir le potentiel de dommages associés à une tempête de vent en Europe. L’idée originale développée au cours du projet est l’utilisation de plusieurs variables capturant différentes échelles spatio-temporelles et prenant en compte la relation entre plusieurs variables caractéristiques d’un même cyclone extratropical. La recherche d’événements partageant une signature similaire et intense, simultanément dans la vorticité relative à 850 hPa, la pression au niveau de la mer et le vent de surface, conduit à la détection d’un nombre réduit d’événements. La comparaison du nombre d’événements qui constituent ce groupe et de leur intensité entre des données issues de réanalyses et celles issues de différentes simulations du climat futur peut apporter des réponses suffisantes aux compagnies d’assurance sur l’évolution de ce risque dans un climat dont les conditions climatiques sont différentes de celui d’aujourd’hui. Un premier article sur la méthode a été accepté dans le journal Natural Hazard and Earth Science System. La méthode a été appliquée aux données issues des modèles participant au projet CMIP5. Il s’agit d’évaluer la capacité des modèles de climat à reproduire les événements type « tempête de vent hivernales en Europe » et d’estimer l’impact du changement climatique sur la fréquence et l’intensité des tempêtes de vent hivernales en Europe. Un second article reprenant les résultats de cette étude est en préparation. La seconde partie de la thèse est focalisée sur le projet opérationnel Severe WIndstorms Forecasting Tool (SWIFT) dont le but est de développer un outil permettant, à partir de prévisions météorologiques issues toutes les six heures, de détecter un événement type tempête de vent pouvant causer des dégâts majeurs en Europe et de proposer aux entités du groupe AXA concernées une estimation du montant des pertes et du nombre de sinistres associés à l’événement à venir ainsi que leurs localisations
The research carried out during the PhD deals with winter windstorms with high economic damage potential in Europe and can be divided in two parts. The first part aims at quantifying the impact of climate change on European winter windstorms and relies on datasets covering long periods of time (>30 years) either in the past or in the future. The objective of the second part is to forecast potential losses and claims associated with an upcoming extreme windstorm by using forecast data updated every six hours. The overall objective of the first part is to provide a medium-term view of what could be the winter windstorms in Europe during the 21st century. It thus completes the short-term vision of the risk given by the Catastrophe Models used by the (re)insurers to assess the cost of the risk on their portfolio. A new methodology has been developed to define the damage potential associated with European winter windstorms. The novelty of the methodology relies in the use of several variables capturing different spatiotemporal scales and the coupling that exists between variables during the cyclogenesis. Seeking for events sharing a similar intense signature simultaneously in the relative vorticity at 850 hPa, the mean sea level pressure and the surface wind speed lead to the detection of a small group of events. Comparing the number of events that belong to this group and their intensity in reanalysis datasets and different simulations of the future climate can provide enough information to insurance companies on the potential evolution of this hazard in a future climate. A first paper on the methodology has been accepted in the journal of Natural Hazard and Earth Science System.The methodology has been applied to the datasets provided by Global Climate Models (GCM) participating to the CMIP5 project. The goal is to assess the ability of GCMs to reproduce winter windstorms in Europe and the potential impact of climate change on the frequency and intensity of such events. A second paper presenting the results obtained from this second study will be submitted.The second part of the PhD focuses on the project Severe WIndstorms Forecasting Tool (SWIFT). The objective is to develop an early warning tool that detects an upcoming winter windstorms in meteorological forecasts updated every six hours and provides interested AXA entities with an alert on the upcoming windstorm as well as an estimate of the potential losses and claims.The tool has been developed in parallel of the research project and consists in two modules. In the first module, particularly intense systems are detected in meteorological forecasts and the associated gust footprint is extracted. In the second module, wind speeds are translated into a loss and a number of claims thanks to vulnerability curves. When a system is detected, an alert is sent with the appropriate information on the event propagation and the associated loss. The tool has been running automatically for the 2013 – 2014 winter season and detected most of the events that passed over Europe

Nous nous intéressons dans cette thèse à la création de nouvelles méthodes pour procéder à la question de la détection et de l'attribution du changement climatique. Le climat est en effet soumis à une double variabilité : celle issue des processus internes et interactions des différentes composantes du climat (terres, océans, atmosphère et cryosphère). Cette variabilité est appelé variabilité interne. Une seconde source de variabilité est la variabilité dite "forcé" qui est dû à l'effet de forçages qui sont des éléments extérieurs au système climatique pouvant l'affecter. Les différents forçages sont les gaz à effet de serre, aérosols anthropiques ou naturels, utilisation des terres etc. La détection et l'attribution du changement climatique vise à distinguer les effets de la variabilité interne du climat de la variabilité forcé ainsi qu'à également décomposer cette dernière en donnant l'influence relative de chaque forçage. Ce problème comporte de grandes difficultés comme la relative faible longueur temporelle des observations ou l'incertitude de la variablité forcé modélisé dans les modèles climatiques. Pour ce faire nous développons de nouvelles méthodes basés sur l'utilisation de réseaux de neurones. L'intelligence artificielle est en effet un outil qui n'a pas encore été appliqué pour ce problème et qui permet d'utiliser efficacement les données provenant de simulations d'un grand nombre de modèles climatiques ainsi que les observations. Nous avons développé et appliqué au champ de la température de surface de l'air deux méthodes permettant respectivement de séparer la variabilité interne et forcé et d'attribuer la température globale de surface observé pour différents groupes de forçages. La première de ces méthodes permettant de séparer la variabilité interne de la variabilité forcé est appelé "Noise to Noise" et elle se base sur la littérature de restauration des images issues de l'intelligence artificielle. Le champ tri-dimensionnelle (temps, latitude et longitude) des simulations ou de observations de température de surface est donc comparé à une image tri-dimensionnelle. La variabilité interne est comparé à une sorte de bruit semblable à celle pouvant se trouver sur des images s'ajoutant à la variabilité forcé qui est elle associé à la "vrai image". Nous avons donc eu recours à une méthodologie de débruitage pour réseaux de neurones créée pour les images que nous adaptons à notre problème climatique. La seconde de ces méthodes vise à procéder l'attribution de l'effet de trois groupe de forçages (les gaz à effet de serre, les aérosols anthropiques et les forçages naturels). Il s'agit d'une méthode tiré de l'intelligence artificiel explicable qui se nomment l'optimisation inverse. Elle consiste à retrouver l'entrée d'un réseau de neurones entraîné qui correspondrait à un résultat de sortie donné. Cela est fait par une méthode de descente de gradient en minimisant une fonction de coût mesurant la différence entre la sortie désiré et celle obtenue. Nous utilisons un réseau de neurones convolutionnelle entraîné en utilisant des sorties de température globale de surface de simulations historiques de modèles climatiques. Le CNN a pour but de reproduire les changements de température globale de surface dû à l'ensemble des forçages en utilisant comme entrée les changements de température dû à l'effet individuel des forçages. Une fois le réseau entraîné et ses poids et biais fixés, une méthode d'optimisation inverse, modifiée pour mieux correspondre au problème, est utilisé. Ces deux méthodes sont implémentés pour la variable de température de surface sur la période historique et leurs résultats sont comparés à ceux obtenues avec des méthodes de références
In this thesis, we focus on the development of new methods to address the issue of climate change detection and attribution. Climate is subject to two types of variability: variability arising from internal processes and variability arising from interactions between the different components of climate (land, oceans, atmosphere and cryosphere). This variability is called internal variability. A second source of variability is the so-called "forced" variability, due to the effect of forcings, which are elements outside the climate system that can affect it. The various forcings are greenhouse gases, natural or anthropogenic aerosols, land use, etc. Detecting and attributing climate change aims to distinguish the effects of internal climate variability from forced variability, and also to break down the latter by giving the relative influence of each forcing. This problem is fraught with difficulties, such as the relatively short temporal length of observations and the uncertainty of forced variability modelled in climate models. To this end, we are developing new methods based on the use of neural networks. Artificial intelligence is in fact a tool that has not yet been applied to this problem, making it possible to make effective use of data from simulations of a large number of climate models as well as observations. We have developed and applied two methods to the surface air temperature field, respectively separating internal and forced variability, and attributing the observed global surface temperature to different groups of forcings. The first of these methods for separating internal from forced variability is called "Noise to Noise" and is based on the literature of artificial intelligence image restoration. The three-dimensional field (time, latitude and longitude) of surface temperature simulations or observations is compared with a three-dimensional image. The internal variability is compared to a kind of noise similar to that found on images, in addition to the forced variability associated with the "real image". We have therefore used a neural network denoising methodology created for images, which we are adapting to our climate problem. The second of these methods aims to attribute the effect of three groups of forcings (greenhouse gases, anthropogenic aerosols and natural forcings). It's a method drawn from explainable artificial intelligence called inverse optimization. It consists in finding the input of a trained neural network that corresponds to a given output result. This is done using a gradient descent method, by minimizing a cost function measuring the difference between the desired output and the output obtained. We use a convolutional neural network trained using global surface temperature outputs from historical climate model simulations. The purpose of the CNN is to reproduce the global surface temperature changes due to the ensemble of forcings, using as input the temperature changes due to the individual effect of the forcings. Once the network has been trained and its weights and biases fixed, an inverse optimization method, modified to better match the problem, is used. These two methods are implemented for the surface temperature variable over the historical period and their results are compared with those obtained with reference methods

L'effet des changements climatiques, par le biais d'un modèle éco-physiologique, a été introduit dans des courbes de rendement des strates d'épinette noire en respectant les principes de stratification utilisés lors d'un calcul de possibilité forestière. Un exercice de propagation de l'incertitude été fait afin de déterminer la capacité à observer une différence significative entre les prédictions faites à partir des courbes de croissance sous les changements climatiques et celles actuellement utilisées. Cet exercice a permis de voir qu'il est probable à 67% d'être en mesure de détecter l'effet des changements climatiques. Par contre, un doute subsiste étant donné les multiples sources d'erreur non-considérées. Les gestionnaires de la forêt devront considérer leur degré de confort avec ce niveau de risque afin de déterminer ce qui devra être fait par la suite, à savoir améliorer la méthodologie actuelle ou changer l'actuelle approche du rendement soutenu.

Au sein du système complexe que constitue le climat, l'océan joue un rôle primordial. D'une part, il enregistre et intègre les effets du changement climatique; d'autre part, les échelles de temps de ses variations naturelles, et notamment son inertie thermique environ mille fois supérieure à celle de l'atmosphère, en font un acteur important susceptible de moduler les effets futurs du changement climatique. Cette thèse se propose de mettre en évidence des signatures du changement climatique d'origine anthropique dans l'océan. Pour cela, nous étudions les évolutions observées de la température océanique de sub-surface et de la salinité océanique de surface, au cours des trente à cinquante dernières années. Des méthodes statistiques de détection de la réponse au forçage anthropique sont utilisées pour déterminer si une influence humaine peut être détectée dans les changements récents observés
Due to its high heat capacity, the ocean integrates the surface fluxes, producing high signal-to-noise ratio at decadal and longer timescales. On the contrary, long-term changes in atmospheric variables are difficult to measure due to the atmosphere high variability on short timescales. Looking at oceanic variables is thus interesting in order to successfully detect a response to the anthropogenic climate change. This manuscript further examines recent upper ocean temperature and surface ocean salinity changes. As 80% of the excess heat caused by increasing greenhouse gas concentrations, over the last decades, has accumulated in the ocean, the rate of ocean warming is one of the best indicators of the Earth's energy imbalance. Surface ocean salinity provides Nature's largest possible rain gauge and can be efficiently used as an indicator of the changing marine water cycle. Detection methods are applied to assess whether a human influence can be detected in the recent observed changes

Les événements extrêmes sont l'expression de la variabilité climatique naturelle. Puisque les émissions anthropiques affectent le climat mondial, il est naturel de se demander si les événements extrêmes observés récemment sont une manifestation du changement climatique. Cette thèse se propose de contribuer à la compréhension de l'influence du changement climatique anthropique sur les événements extrêmes observés, tout en évaluant si et comment cette information scientifique - et plus généralement, l'attribution d'événements extrêmes (AEE) - pourrait être utile à la société. Je propose des outils statistiques et j'utilise un ensemble d'entretiens qualitatifs pour répondre à ces questions.La partie statistique s'applique aux vagues de chaleur européennes. Je quantifie le rôle joué par la circulation atmosphérique dans l'intensité de quatre vagues de chaleur récente. Cette analyse s'appuie sur des analogues de circulations, qui identifient des jours ayant une circulation similaire à celle de l'événement étudié. Ensuite, je dissocie l'influence du changement climatique sur les processus dynamiques et non dynamiques menant aux vagues de chaleur. Je calcule des tendances sur l'occurrence de circulations favorisant les fortes chaleurs et sur la température pour une circulation fixée, pour les vagues de chaleur de 2003 en Europe de l'Ouest et de 2010 en Russie. Je trouve que la significativité des résultats dépend de l'événement étudié, ce qui montre l'intérêt de calculer des tendances pour des types de circulation atmosphérique précis.La partie épistémologique analyse les utilisations sociales potentielles de l'AEE. Je mesure comment elle pourrait informer les négociations internationales sur le climat, en particulier les pertes et préjudices, en réponse à des arguments de scientifiques dans ce sens. Je trouve que le seul rôle que l'AEE puisse jouer pour renforcer les pertes et préjudices est un rôle de sensibilisation des politiques, en marge du processus de négociations. Je compare également les motivations avancées par les scientifiques dans les entretiens avec les résultats existants sur l'utilité sociale de ce type d'information scientifique. Je montre que la pertinence sociale des résultats d'AEE est ambiguë, et qu'il y a un manque de données empiriques pour mieux comprendre comment différents acteurs s'approprient et réagissent à cette information
Extreme events are an expression of natural climate variability. Since anthropogenic emissions affect global climate, it is natural to wonder whether recent observed extreme events are a manifestation of anthropogenic climate change. This thesis aims at contributing to the understanding of the influence of anthopogenic climate change on observed extreme events, while assessing whether and how this scientific information - and more generally, the science of extreme event attribution (EEA) - could be useful for society. I propose statistical tools to achieve the former, while relying on qualitative interviews for the latter.The statistical part focuses on European heatwaves. I quantify the role played by the atmospheric circulation in the intensity of four recent heatwaves. This analysis is based on flow analogues, which identify days with a similar circulation pattern than the event of interest. I then disentangle the influence of climate change on the dynamical and non-dynamical processes leading to heatwaves. I calculate trends in the occurrence of circulation patterns leading to high temperatures and trends in temperature for a fixed circulation pattern, applied to the 2003 Western Europe and 2010 Russia heatwaves. I find that the significance of the results depend on the event of interest, highlighting the value of calculating trends for very specific types of circulation.The epistemological part evaluates the potential social uses of extreme event attribution. I assess how it could inform international climate negotiations, more specifically loss and damage, in response to a number of claims from scientists going in this direction. I find that the only potential role EEA could play to boost the loss and damage agenda would be to raise awareness for policy makers, aside from the negotiation process itself. I also evaluate how the different motivations stated by EEA scientists in interviews fare compared to the existing evidence on social use of this type of scientific information. I show that the social relevance of EEA results is ambiguous, and that there is a lack of empirical data to better understand how different non-scientific stakeholders react and appropriate EEA information

Les effets du changement climatique sur les îles du Pacifique constituent un enjeu majeur pour les populations insulaires. En particulier, les précipitations constituent un des paramètres sensibles car elles conditionnent la ressource en eau. Le but de cette thèse est mettre d'apporter les premiers éléments de réponse relatifs à l'évolution des précipitations au cours du 21ème siècle sur Tahiti. Dans un premier temps, les précipitations à Tahiti ont été caractérisées à partir des mesures issues du réseau d'observation de Météo France. La saison des pluies, de novembre à avril, constitue la saison d'intérêt, car c'est à cette période de l'année que les cumuls de pluie sont les plus élevés. En effet, la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ), siège de la convection profonde, est la principale source de précipitations à Tahiti en été austral (Décembre-Janvier-Février). A l'échelle interannuelle et interdécennale, les phénomènes El Niño Southern Oscillation (ENSO) et Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) induisent des migrations nord/sud et est/ouest de cette zone de convergence qui l'éloignent ou l'approchent de Tahiti. L'IPO, implique un déplacement de la SPCZ vers le nord-est en phase positive, ce qui induit des cumuls plus élevés observés à Tahiti. Elle est déplacée vers le sud-ouest en phase négative de l'IPO, d'où une diminution des pluies à Tahiti. L'étude montre qu'en IPO positif, l'occurrence d'événements El Niño intenses est favorisée. Pour ces cas de figure, la SPCZ migre brutalement vers le nord-est et adopte une orientation zonale au-dessous de l'équateur. Cette configuration l'éloigne de Tahiti et perturbe le flux d'alizés de sud-est, il en résulte alors des pluies orographiques très abondantes sur les côtes sud-est de l'île. Suite à cet état des lieux des précipitations observées, une méthodologie originale, en l'absence de toute autre expérience internationale sur la région, a été mise en œuvre pour obtenir un modèle capable de distinguer l'île et capturer au mieux les effets orographiques. Deux descentes d'échelle successives ont été nécessaires pour passer du modèle couplé global CNRM-CM, à 150 km de résolution, au modèle à aire limitée ALADIN-Climat, de résolution 12 km, centré sur Tahiti. Les sorties du modèle régional obtenues ont été confrontées aux observations sur la partie historique. Un lien a été établi entre les précipitations observées et modélisées sur la période passée. Ce lien est construit entre stations d'observations et points de grille du modèle exhibant un comportement similaire relatif aux phases de l'ENSO. Il a été supposé encore pertinent au 21ième siècle pour déduire les précipitations futures les plus réalistes à Tahiti, à partir des précipitations simulées par le modèle à 12 km, suivant deux scénarios du GIEC (RCP4.5 et RCP8.5). La structure spatiale du réchauffement climatique de type El niño conforte la pertinence du lien établi. Les résultats obtenus concernent les côtes sud de Tahiti. Les précipitations vont augmenter progressivement tout au long du 21ème siècle, en réponse au réchauffement global. A Papara, il est tombé en moyenne sur la période 1961-2011 pendant l'été austral 695 mm de pluie. Il tombera en moyenne sur la période 2070-2100, 825 mm selon le scénario RCP4.5, 814 mm selon le scénario RCP8.5, soit une augmentation d'un peu moins de 20 %. Ajoutés à cet accroissement à long terme, les événements El Niño induiront un excédent de précipitations. Mais cet effet sera réduit en fin de période dans le RCP8.5. A l'inverse, les événements La Niña s'accompagneront toujours d'un déficit de précipitations mais sans arriver à contrecarrer l’accroissement à long terme
The effects of climate change on Pacific islands is a major concern for the local populations. The rainfall parameter, specifically, appears as one of the sensitive parameters, as it determines water resources. The goal of this thesis is to bring a first insight into the 21st century evolution of precipitation in Tahiti.The first step was to characterize rainfall in Tahiti using data records from the observation network of Meteo France. The “rainfall season”, lasting from November to April, is the season of interest, as rainfall amounts are the highest at this time of the year. Indeed, the South Pacific Convergence Zone (SPCZ), host of deep convection, remains the principal source of rainfall in Tahiti in austral summer (December-January-February). On interannual and interdecadal timescales, the El niño Southern Oscillation (ENSO) and the Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) imply north/south and east/west migrations of the SPCZ, drawing it away, or closer to Tahiti. The positive phase of the IPO involves a north-eastward displacement of the SPCZ, which causes higher rainfall amounts in Tahiti. The SPCZ is displaced towards the south- west during negative IPO phase, leading to a decrease of rainfall in Tahiti. The study reveals that the IPO positive phase favor the occurrence of intense El niño events. In those cases, the SPCZ is critically displaced to the north-east and lies zonally just south of the equator. Accordingly, the SPCZ is drawn away from Tahiti and alters the south-east flow of trade winds. As a result, substantial orographic precipitation affect the south-east coasts of Tahiti.Following the assessment of observed precipitation for the period 1961-2011, an original method has been set up to obtain a model able to resolve the island and capture the orographic effects at best. Two successive downscaling steps have been necessary to get the limited area model ALADIN-Climat over Tahiti (at the resolution of 12 km), starting from the global coupled model CNRM-CM with a resolution of 150 km. The regional model outputs have been compared to the observed records over the historical period. A linkage between observed and modeled precipitation has been defined. This linkage has been built between meteorological stations and model grid cells exhibiting similar behaviour regarding the phases of ENSO. It has been assumed that this linkage is still relevant in the 21st century. In this way, future precipitation in Tahiti, as realistic as possible, are deduced from modeled precipitation (at 12 km of resolution), following two IPCC scenarios (RCP4.5 and RCP8.5). The El niño-like spatial structure of global warming further confirms the relevance of the linkage built previously. The results obtained concern the southern coasts of Tahiti. Rainfall would gradually increase along the 21st century, as a consequence of global warming. In Papara, the austral summer mean rainfall height is 695 mm over the period 1961-2011. The mean value, for the period 2070-2100, would be 825 mm for the scenario RCP4.5 and 814 mm for the scenario RCP8.5, let say an increase of a little less than 20%. Superimposed to this long-range raise, El niño events would induce an excess of rainfall. This effect would be reduced at the end of the 21st century in RCP8.5. Conversely, La niña events would always involve a decline of rainfall, but would not succeed in counteracting the long-range increase