Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Changements climatiques – Régions polaires“

Cet article présente une synthèse de la version préliminaire du chapitre à venir « Collectivités rurales et éloignées » de l’Évaluation nationale des changements climatiques du gouvernement du Canada, et il répertorie les principales préoccupations en matière de santé exposées dans la littérature sur les changements climatiques à propos des régions rurales et éloignées, ainsi que les stratégies d’adaptation actuelles et celles à mettre en place. Cet aperçu, fondé sur un processus de recherche systématique, souligne l’importance de tenir compte des composantes socioculturelles, économiques et géographiques spécifiques de ces régions ainsi que de l’expertise dont disposent déjà leurs habitants et leurs collectivités si l’on veut contribuer à la santé et au bien-être des populations qui subissent les effets nocifs des changements climatiques.

Une grande partie du vignoble a été touchée par l'épisode de gel qui est intervenu sur plusieurs jours fin avril 2017 et qui a occasionné des dégâts pour de nombreuses régions françaises y compris méridionales, ainsi que d'autres pays de la zone Ouest de l'Europe (Angleterre, Allemagne, Italie, Suisse, etc.). Le gel, la grêle et une sécheresse très marquée dans les zones méridionales ont abouti à une baisse d'environ 10 millions d'hectolitres par rapport à 2016 ce qui correspond, par rapport à une moyenne décennale, à une diminution de l'ordre de 18 %. En 2018, de nombreuses régions viticoles France ont été touchées par la grêle. Le projet CLIMFROST, financé par France Agrimer, a pour objectif d'aider la profession viticole française à appréhender les risques de gel de printemps et de grêle dans leur contexte local, afin d'adopter une stratégie (réserves climatiques, assurances, mesures agronomiques, techniques de protection) permettant de réduire l'impact financier direct et indirect. En complément des aspects techniques, la communication a pour objectif de resituer ces phénomènes climatiques extrêmes dans la perspective des changements climatiques, en lien notamment avec le projet européen LIFE ADVICLIM www.adviclim.eu. Cette communication présente une synthèse d'une plaquette « aléas climatiques de la vigne : grêle, gel de printemps », téléchargeable sur le site www.vignevin.com.

La Méditerranée est une zone tempérée occupée par diverses populations la rendant une des régions les plus sensibles aux changements anthropiques et climatiques. L'objectif de ce travail est d'établir une classification climatique pour l'hydrologie qui met en évidence la continuité climatique d'un lieu à un autre et pourrait évaluer les tendances des changements. La démarche proposée comporte une Analyse en Composantes Principales pour réduire le nombre des indices climatiques et ne considérer que les plus contributaires, une classification en K-moyennes pour distribuer les stations en un certain nombre de classes, ici 5 et finalement la construction d'un arbre de décision à partir des distances aux noyaux des classes climatiques pour déterminer si un lieu quelconque possède ou non un climat méditerranéen et à quel type appartient-il. Les données de 144 stations au pas de temps mensuel dans 20 pays méditerranéens sont utilisées pour caler la classification, 36 autres stations pour vérifier cette classification en Méditerranée et 21 stations pour la vérifier au Chili et en Afrique du Sud connus pour leur climat à caractère Méditerranéen. Les résultats montrent que la distribution en 5 classes coïncide avec une distribution géographique en Méditerranée et l'analyse de la connexité interclasse montre que l'évolution du climat se fait de façon continue, puisqu'une même station peut obéir aux critères d'appartenance de plusieurs classes.

L'auteur dresse une carte des régions thermiques du Québec méridional à partir de deux critères. D'une part, il compare les régimes annuels de températures pour toutes les stations prises deux à deux et trace une limite climatique là où les changements de régimes sont brusques. D'autre part, il utilise des lignes isothermiques considérées comme des seuils importants (moyenne annuelle de 0°C; moyennes de juillet de 15°, 17.5°, 20°C; minimum moyen de janvier de —15°, —20°, et —25°C; amplitude annuelle de 30°C). Après avoir analysé les régions ainsi délimitées, l'auteur insiste sur la nécessité de poursuivre des études climatiques locales. Des exemples, choisis dans le Québec, montrent que les températures peuvent s'écarter fortement des valeurs considérées comme normales pour la région dans le cas d'une grande ville, d'une île, d'un littoral océanique et d'une petite vallée.

Comment évoluent les ressources en eau dans les Alpes sous l’effet du changement climatique ? Diminution de l’enneigement, fonte des glaciers, étiages plus sévères : autant de questions aujourd’hui cruciales pour l’ensemble des usages de l’eau dans ces régions, parmi lesquels la production hydro-électrique. Y répondre suppose à la fois de savoir modéliser finement le fonctionnement de ces hydro-systèmes et de savoir quantifier l’évolution du climat à ces échelles. Une nouvelle version spatialement distribuée du modèle hydrologique MORDOR d’EDF [1] a été déployée sur l’ensemble du bassin versant de l’Isère à Grenoble, en valorisant l’ensemble des données hydro-nivologiques disponibles sur ce bassin (mesures de débit, d’enneigement, images satellites de surfaces enneigées, bilans glaciaires…). Elle a pour objectif de répondre aux nombreux enjeux que pose l’exploitation hydro-électrique de la vallée, en simulant la réponse hydrologique en tout point du bassin et dans différents contextes climatiques. Forcée par des scénarios climatiques préalablement dé-biaisés et régionalisés, elle permet de simuler l’évolution des débits en rivière, les changements de régimes saisonniers, ou encore l’évolution des contributions glaciaires. Autant de données d’entrée précieuses pour quantifier finement les changements déjà observés et adapter au mieux la gestion et l’exploitation des aménagements de la vallée.

Abstract. Le PNR 31, conclu en 1998, a eu comme objectif une meilleure connaissance des processus climatiques et météorologiques conduisant aux catastrophes naturelles en Suisse, avec en particulier une analyse détaillée des interactions entre le climat, les dangers naturels et la société. Notre pays se trouve spécialement concerné par cette thématique, en effet les régions de montagne avec leurs zones périglaciaires se révèlent être très sensibles aux modifications climatiques et environnementales, de plus elles sont aussi le siège d'intenses activités humaines. Outre les catastrophes naturelles, l'impact des modifications climatiques sur notre société et notre économie est essentielle et intéresse à priori une vaste palette d'utilisateurs. Cependant, le réchauffement global ne semble pas constituer une préoccupation majeure des populations, la priorité étant clairement donnée aux problèmes locaux, rendus cruciaux dans le contexte socio- économique actuel difficile. Cette priorité va à l'encontre de l'attitude dominante traditionnelle, qui correspondait plutôt à une acceptation ou une accommodation aux risques naturels par les populations résidentes de montagne. Les informations acquises par le PNR 31 devraient dès lors placer les populations et leurs autorités devant des responsabilités nouvelles : s'informer et intégrer les connaissances actuelles en matière de changements climatiques et de prévention des catastrophes naturelles, permettant ainsi d'être à même de prendre des décisions dans le sens d'une planification prévoyante" des risques.

Les spécificités de la santé animale en Afrique, exemple de zone à régions chaudes, tiennent à la fois aux caractéristiques climatiques et environnementales, aux systèmes d’élevage extensifs et à la mobilité animale (transhumance, commerce), ainsi qu’au contexte socio-économique difficile, avec des services vétérinaires disposant de moyens insuffisants. Les conditions d’élevage et la mobilité animale contribuent à la diffusion de maladies à transmission directe, comme la péripneumonie contagieuse bovine ou la peste des petits ruminants. L’environnement conditionne la biologie des vecteurs (insectes, tiques), donc la diffusion de maladies à transmission vectorielle. Certaines sont spécifiques à l’Afrique, comme les trypanosomoses humaines et animales. D’autres, comme la fièvre de la Vallée du Rift, dont le virus causal est transmis par de nombreuses espèces de moustiques, sont en pleine émergence. Elles sont susceptibles de coloniser d’autres écosystèmes via le commerce de bétail : ainsi cette maladie a été introduite sur la péninsule arabique et s’y est installée. La fragilité socio-économique de l’Afrique la rend plus vulnérable que les autres continents aux émergences de maladies animales, ensuite potentiellement exportables, liées aux changements climatiques et environnementaux, à l’accroissement démographique et à l’intensification des échanges internationaux et des voyages. L’amélioration de la situation sanitaire passe par la définition et la mise en œuvre au plan régional, avec une coordination continentale et internationale, d’une stratégie de lutte intégrée ; elle devrait s’appuyer sur des réseaux de surveillance et de recherche afin de mieux apprécier les évolutions épidémiologiques, et de disposer d’outils de diagnostic et de contrôle (vaccins, insecticides…) plus efficaces.

RÉSUMÉ La compilation de travaux publiés et d'études inédites permet de proposer un bilan des connaissances sur le pergélisol du Québec. Au Québec arctique, quelques études, fondées sur des mesures thermiques dans des trous de forage, ont révélé des épaisseurs de plusieurs centaines de mètres de pergélisol et permis d'en reconstituer l'évolution climatique. Cependant, la morphologie cryogène n'a presque pas été étudiée. Au Québec subarctique, les nombreuses mesures thermiques dans la région de Schefferville et les relevés régionaux, principalement en Hudsonie. mettent en évidence l'étroite relation entre la présence, l'épaisseur et le régime thermique du pergélisol et les facteurs climatiques locaux, en particulier l'enneigement. Ce dernier facteur étant lié de près à la structure du couvert végétal, une nouvelle carte du pergélisol, fondée sur les données les plus récentes de la végétation et des observations personnelles, est proposée. Trois approches ont servi à déterminer l'âge et l'évolution passée du pergélisol : 1) un modèle physico-mathématique développé à partir de mesures thermiques en milieu arctique; 2) l'analyse stratigraphique de tourbières à palses; 3) l'analyse du contexte géologique quaternaire. La dynamique récente du pergélisol a été étudiée par le biais des changements écologiques survenus dans les tourbières. Le pergélisol au Québec subarctique peut dater d'aussi loin que la déglaciation dans les régions jamais boisées; ailleurs, il apparaît être d'âge néoglaciaire. Les feux de forêts ont peut-être eu une influence sur sa dynamique. Les formes cryogènes et les gélisols les plus répandus au Québec subarctique sont brièvement mis en relation avec les différents types de formations superficielles pergélisolées. Les mesures in situ des propriétés physiques et du régime thermique du pergélisol discontinu seront nécessaires pour prévoir l'effet des changements climatiques.

Dans le cadre du Carrefour Forêts 2019, le colloque Sylviculture d’adaptation aux changements climatiques : des concepts à la réalité, organisé conjointement par la Direction de la recherche forestière du ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs du Québec et le Centre canadien sur la fibre de bois de Ressources naturelles Canada, a rassemblé une centaine d’acteurs du milieu forestier incluant des ingénieurs forestiers, des biologistes, des techniciens forestiers, des propriétaires de boisés, des professeurs, des chercheurs et des étudiants. Des conférenciers de différentes régions du Québec et du Vermont ont partagé les connaissances actuelles en rapport avec la sylviculture d’adaptation afin d’amorcer la réflexion et le dialogue quant aux actions pouvant être entreprises dès maintenant pour favoriser l’adaptation des forêts aux changements anticipés. Les présentations ont abordé les fondements théoriques de la sylviculture d’adaptation, pour ensuite présenter des réflexions ou des études de cas portant sur différents types d’écosystèmes, des outils innovants ou des initiatives de recherche. Le colloque a également laissé une place aux praticiens qui ont pu décrire les défis et les occasions qu’offre la sylviculture d’adaptation dans leur pratique professionnelle. Au terme d’une activité interactive, les participants ont ciblé les sécheresses accrues, les coupes partielles et les plantations mélangées comme des thèmes importants qui devraient animer les échanges entre les chercheurs et les praticiens dans les années à venir.

Les régions de montagne, particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat, ont subi d’importantes modifications environnementales au cours du XXe siècle. L’augmentation observée des températures de l’air depuis les années 1950 a notamment engendré un net recul des glaciers, mais aussi du manteau neigeux à toutes les altitudes. Cette réduction de l’enneigement en montagne est un facteur préoccupant dans de multiples domaines, qu’il s’agisse des écosystèmes, des cycles hydrologiques, ou encore du tourisme alpestre. De nombreux travaux de recherche à travers le monde témoignent du réchauffement de l’air et de la réduction observée du manteau neigeux dans les massifs montagneux depuis les années 1950, essentiellement à basse et moyenne altitude, mais peu de synthèses de ces différents changements ont été faites jusque-là. Cette revue bibliographique a pour but de faire l’état des lieux des principaux changements observés du manteau neigeux depuis le XXe siècle dans les Alpes européennes et leur mise en relation avec les changements climatiques relevés sur la même période. Un aperçu des différentes conséquences déjà observées sur les cycles hydrologiques, le tourisme hivernal et les écosystèmes est également présenté, ainsi que les projections futures d’évolution des paramètres du manteau neigeux d’ici la fin du XXIe siècle. Cette revue bibliographique fournit une source d’information utile pour les futures recherches se focalisant sur l’étude de la saisonnalité du manteau neigeux en région de montagne et ses implications directes, en particulier dans les zones alpines et subalpines.

La hausse des températures et les modifications du régime des précipitations affectent les écosystèmes particulièrement fragiles des régions arctiques et subarctiques et ont des conséquences socio-économiques pour les populations locales. La perception et l'évaluation des opportunités et des risques qui y sont associés, dépendent des moyens de subsistance, des normes, des valeurs et des représentations du monde des individus qui y sont confrontés.La perception du climat est culturellement et socialement construite. Cette perception varie dans le temps et dans l'espace et, parfois même, diffère parmi différents groupes sociaux en fonction des valeurs et des modes de représentation du monde. Pour toutes ces raisons, nous avons non seulement étudié certains phénomènes météorologiques mais aussi intégré le cadre culturel, politique et historique dans lesquels ils s'inscrivent. Nous avons analysé l'environnement et le climat – et par extension, les événements météorologiques à forts impacts – comme des objets socio-culturels afin de mieux comprendre à la fois leurs impacts mais aussi leurs perceptions par les habitants. Ce travail se situe à la croisée de ces chemins, en confrontant l'observation, et donc les changements, et la perception qu'en ont différents acteurs, en considérant deux régions distinctes, les mers nordiques et la République de Touva.Dans une première partie, nous avons analysés l'impact des Polar Lows, d'intenses cyclones de méso-échelle qui se développent sur les mers libres de glace de l'Arctique pendant l'hiver, sur les régions côtières du nord de la Norvège. Ces systèmes sont associés à des vents de surface forts avec bien souvent des rafales qui peuvent être très violentes (Heinemann et Claud, 1997). Les conditions en mer lors du passage d'un PL peuvent s'avérer dangereuses avec des fortes vagues, des précipitations neigeuses brutales et du blizzard. Ces événements météorologiques extrêmes représentent un véritable risque pour les activités maritimes et côtières de la région, notamment pour le transport maritime, la pêche et les plateformes pétrolières et gazières offshore. En effet, les nouvelles zones libres de glace offrent de multiples opportunités économiques dans ces régions, en particulier en mer de Barents. Or dans le même temps, le recul de la banquise élargit mécaniquement les régions de formation des PLs.Dans une seconde partie, nous avons regardé les impacts du changement climatique et des événements météorologiques sévères en République de Touva. La République de Touva se localise entre 49°5 et 53°5 N en latitude, 88°5 et le 99°E en longitude, c'est par conséquent une région subarctique très méridionale. Le climat y est extrêmement continental et les précipitations ont tendance à être faibles en raison de la faible teneur en humidité dans l'air froid. La plupart du territoire est caractérisé par une végétation forestière de taïga ou de steppe semi-aride. Au cours du XXème siècle, la région a connu des changements socio-économiques majeurs, parfois brutaux, avec notamment le passage d'une société communiste à l'économie planifiée à une économie de marché au début des années 1990. Malgré ces récents bouleversements, les pasteurs nomades (chevaux, vaches, yaks, moutons, chameaux) en Touva occidentale et les chasseurs-cueilleurs éleveurs de rennes en Touva orientale, vivent toujours en étroite relation avec l’environnement naturel. Les populations autochtones de Touva, confrontées à un changement rapide de la société et à des changements globaux causés par certaines politiques régionales et nationales contemporaines, avec notamment l’expansion de l'industrie minière et par le développement de mégaprojets (complexe hydroéléctrique, construction d'une voie chemin de fer), offrent des points de vue variés, en fonction de leurs modes de vie, sur les changements environnementaux qu'ils observent et leurs impacts sur leurs activités quotidiennes
The perception of the climate is culturally and socially constructed. For this reason, we have studied some weather events integrating the cultural, political and historical contexts in which they occur.In a first part, we analyzed the impact of Polar Lows, intense mesocyclones that develop over ice-free Arctic seas during winter time, on coastal regions of Norway. The passage of PL can provoke dangerous sea conditions with strong waves, sudden snowfall and blizzard. This phenomenon may represent a risk to maritime and coastal activities in the region, particularly for shipping, fishing and oil and gas offshore platforms.In a second part we studied the impacts of climate change and severe weather events in the Republic of Tuva. Tuva is a very southern subarctic region. Its climate is extremely continental and precipitation tend to be low due to the low moisture content in the cold air. During the twentieth century, the region has experienced major socio-economic changes, sometimes brutal, including the transition from a communist and planned economy to a market economy in the early 1990. Despite these recent changes, pastoralists in western Tuva (horses, cows, yaks, sheep, camels) and reindeer herders in eastern Tuva, still live in close contact with the natural environment. Indigenous peoples of Tuva are facing global changes caused by certain contemporary regional and national policies, including the expansion of the mining industry and the development of mega projects. They offer different points of view, describing environmental changes and their impact on their daily activities

La banquise joue un rôle majeur dans la circulation océanique ainsi que dans le système climatique et météorologique. Dans un contexte de réchauffement climatique, où l’étendue de la banquise arctique ne cesse de décroître depuis les 40 dernières années, le suivi et la surveillance de l’Arctique est essentiel. Les instruments micro-ondes à bord de satellites permettent l’étude de cette région terrestre par tous les temps, indépendamment du cycle jour/nuit. Particulièrement adaptées à l’observation des régions polaires où la présence de nuages est importante et où la nuit polaire dure six mois, les observations satellites micro-ondes sont la pierre angulaire des estimations des paramètres géophysiques de la banquise. Néanmoins, la compréhension de la physique sous-jacente aux signatures micro-ondes observées est encore partielle. Cette thèse a pour but d’améliorer notre compréhension des signaux micro-ondes de la banquise et se place dans le cadre de la préparation de deux prochaines missions d’observation de la Terre menée par l’Agence Saptiale Européenne : le Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) et le Copernicus polaR Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). Dans une première partie, les covariabilités des signaux micro-ondes passifs, mis en avant par une technique de classification non supervisée, seront analysées et interprétées conjointement avec des signaux micro-ondes actifs à l’aide d’un modèle de transfert radiatif micro-onde spécifique à la banquise. Les résultats ont montré qu’il est possible d’identifier les comportements spécifiques de la concentration et de l’épaisseur de la glace de mer, et de la structure de la neige. L’importance du métamorphisme au sein du manteau neigeux pour l’interprétation des signaux micro-ondes passifs a été mis en évidence. Dans une deuxième partie, un algorithme d’estimation de l’épaisseur de la glace de mer à partir d’observations micro-ondes passives a été développé en utilisant une technique d’intelligence artificielle. Les résultats ont été comparés à des mesures in situ d’épaisseur de glace de mer et ont aussi montré de bonnes performances en comparaison à d’autres produits satellitaires d’épaisseur de glace de mer. En appliquant l’algorithme à une longue collection de données satellitaires intercalibrées, une série temporelle d’épaisseur de glace de mer arctique a été construite entre 1992 et 2020, ce qui en fait la plus longue à ce jour. Une dernière partie traite des techniques altimétriques micro-ondes pour la mesure des paramètres géophysique de la banquise. Une analyse de la sensibilité des formes d’ondes altimétriques micro-ondes à l’épaisseur du manteau neigeux de la banquise arctique est menée
Sea ice plays a major role in ocean circulation as well as in the climate and weather system. In the context of global warming, the extent of the Arctic sea ice has been decreasing steadily over the last 40 years and monitoring of the Arctic is essential. Microwave instruments on board satellites allow the study of this region of the Earth under all weather conditions, and regardless of the day/night cycle. Particularly suited over polar regions with high cloud cover and a six-month polar night, microwave satellite provide key observations for estimating geophysical parameters of the sea ice. Nevertheless, the understanding of the physics underlying the observed microwave signatures is still partial. This thesis aims at improving our understanding of the microwave signals of the sea ice and is part of the preparation of two upcoming Earth observation missions led by the European Space Agency: the Copernicus Imager Microwave Radiometer (CIMR) and the Copernicus Polar Ice and Snow Topography ALtimeter (CRISTAL). In a first part, the covariabilities of passive microwave signals, highlighted by an unsupervised classification technique, will be analyzed and interpreted jointly with active microwave signals, using a microwave radiative transfer model. The results showed that it is possible to identify specific behaviors of sea ice concentration and thickness, and snow structure. The importance of metamorphism within the snowpack for the interpretation of passive microwave signals was highlighted. In a second part, an algorithm for estimating sea ice thickness from passive microwave observations was developed using an artificial intelligence technique. The results were compared to in situ sea ice thickness measurements and also showed good performance compared to other satellite-based sea ice thickness products. By applying the algorithm to a long collection of intercalibrated satellite data, a time series of Arctic sea ice thickness was constructed between 1992 and 2020, making it the longest to date. A final section deals with microwave altimetry techniques for measuring geophysical parameters of the sea ice. The sensitivity of microwave altimetry waveforms to the thickness of the snow cover of the Arctic sea ice is analyzed

Les océans et la banquise jouent un rôle important dans le système climatique et météorologique. Une future mission satellite en micro-ondes passives basses fréquences, conçue pour observer les régions polaires est actuellement à l’étude à l’Agence Spatiale Européenne pour l’expansion du programme Copernicus. Les observations satellites en micro-ondes passives permettent une observation de la surface de la Terre par tous temps, aussi bien de jour que de nuit. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’estimation des paramètres de surface de l’océan et de la banquise à partir des observations satellites micro-ondes passives basses fréquences. L’objectif est de développer de nouvelles méthodes d’estimation de ces paramètres qui soient plus efficaces et adaptées à la future mission satellite micro-onde passive CIMR (Copernicus Imaging Microwave Radiometer). La première partie de la thèse traite de l’estimation des paramètres océaniques tels que la température de la surface de la mer, la salinité et la vitesse du vent océanique. La deuxième partie traite de l’estimation des paramètres de la banquise tels que la concentration en glace, l’épaisseur de neige et la température d’interface neige-glace. Enfin, avec les méthodes développées dans cette thèse les performances de la mission CIMR sont évaluées et comparées à celles des missions actuelles
The oceans and sea ice play an important role in the climate and weather system. A future low-frequency passive microwave satellite mission designed to observe the polar regions is currently under study at the European Space Agency for the expansion of the Copernicus programme. Passive microwave satellite observations provide all-weather observation of the Earth surface, both day and night. In this thesis, we are interested in estimating ocean and ice surface parameters from low-frequency passive microwave satellite observations. The objective is to develop new methods for estimating these parameters that are more efficient and adapted to the future passive microwave satellite mission CIMR (Copernicus Imaging Microwave Radiometer). The first part of the thesis deals with the estimation of ocean parameters such as sea surface temperature, salinity and ocean wind speed. The second part deals with the estimation of sea ice parameters such as sea ice concentration, snow depth and snow-ice interface temperature. Finally, with the methods developed in this thesis, the performances of the CIMR mission are evaluated and compared with the current missions

Dans cette thèse, on a introduit une représentation des zones cultivées tropicales au sein du modèle de surface de l’IPSL, ORCHIDEE, afin d’étudier les interactions climat/agriculture en région tropicale. La nouvelle version du modèle, appelée ORCHIDEE-mil, est validée à l’échelle locale et régionale sur l’Afrique de l’Ouest et l’Inde. L’analyse des rendements simulés par rapport aux données nationales montre que le modèle représente bien l’impact du climat sur la productivité agricole à grande échelle. Toutefois le modèle surestime de façon importante les rendements moyens observés, du fait de l’écart existant dans ces régions entre rendements climatiques potentiels, tels que simulés par le modèle, et rendements paysans. L’impact d’une meilleure représentation des zones cultivées tropicales sur la simulation des interactions surface/atmosphère et du climat est analysé à l’aide d’une expérience de couplage asynchrone. Cette simulation ne met en évidence qu'un impact limité de la modification des flux surface/atmosphère, induite par le changement de végétation, sur le climat simulé: les limitations en sont discutées. ORCHIDEE-mil est finalement utilisé pour projeter l’évolution de la productivité agricole potentielle d’ici la fin du siècle sur la zone Afrique/Inde dans le contexte du changement climatique, à l’aide des projections climatiques des modèles du GIEC. Il en ressort un impact en moyenne modérément négatif, entre -29 et +11% selon ces projections. Cet impact doit être mis en regard des possibilités d’adaptation des pratiques culturales et d’amélioration des rendements qui existent aujourd’hui dans ces régions

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l’évolution de l'intensité et de la position de la bordure du vortex en fonction de la latitude équivalente sur la période 1979 - 2021 sur 3 niveaux isentropes (675 K, 550 K et 475 K) issus des réanalyses ECMWF ERA-Interim. Une analyse des dates de formation et de rupture des vortex polaires est incluse. Le cycle solaire et dans une moindre mesure, l'oscillation quasi-biennale, l'oscillation australe El Niño et l'oscillation arctique modulent l'évolution interannuelle de l’intensité de la bordure et des dates de rupture du vortex. Dans l’HS, une augmentation à long terme de l'intensité de la bordure du vortex et des dates de rupture est observée sur la période 1979 - 1999, liée à l'augmentation du trou d'ozone en Antarctique. Après des ruptures précoces entre 1981 et 1987, des vortex plus persistants sont apparus dans l’HN au cours des années 1990. Pour les deux hémisphères, on observe une bordure du vortex plus intense et une persistance lors des années de minimum solaire (minSC). Pour l’HS, la bordure du vortex est plus intense et dure plus longtemps pour les années maxSC/wQBO que pour les années maxSC/eQBO, et est un peu plus intense durant la phase ENSO froide (cENSO). Pour l’HN, l’intensité de la bordure est plus prononcée que dans l’HS durant la phase wQBO, et il est plus intense durant les années minSC/wQBO
This PhD study focuses on the study of the evolution of the stratospheric polar vortices over the last forty years. The intensity and position of the Southern and Northern stratospheric polar vortex edge are evaluated as a function of equivalent latitude over the 1979 - 2021 period on 3 isentropic levels in the lower and middle stratosphere (675 K, 550 K and 475 K) from ECMWF ERA-Interim reanalysis. An analysis of the onset and breakup dates of the polar vortices is included. The solar cycle and to a lower extent the quasi-biennal oscillation, El Niño Southern Oscillation and the Arctic Oscillation modulate the interannual evolution of the strength of the vortex edge and the vortex breakup dates. In the SH, long-term increase of the vortex edge intensity and breakup dates is observed over the 1979 - 1999 period, linked to the increase of the Antarctic ozone hole. After early break-ups between 1981 and 1987, more persistent vortex occured in the NH during the 1990s. For both hemispheres stronger vortex edge and longer vortex duration is observed in solar minimum (minSC) years. For the SH, the vortex edge is stronger and lasts longer for maxSC/wQBO years than for maxSC/eQBO years, and is somewhat stronger during cold ENSO phase (cENSO). For the NH, the stronger vortex edge is more pronounced than in SH during the wQBO phase, and it is stronger during minSC/wQBO years

La dernière période glaciaire est marquée par la présence de deux grandes calottes boréales recouvrant l’actuel Canada et le nord de l’Eurasie. Ces calottes constituent un élément actif du système climatique en interagissant avec les différentes composantes du système Terre. L’objectif de cette thèse est de déterminer par quels mécanismes les changements de circulation atmosphérique lors du dernier cycle glaciaire induisent potentiellement une téléconnexion entre les paléo-calottes de l’hémisphère nord. L’utilisation d’un modèle couplé climat-calotte simplifié m’a permis de tester séparément l’influence de la topographie et de l’albédo des calottes sur les champs de température et de précipitation lors du dernier cycle glaciaire, et de mettre en évidence le rôle de la circulation atmosphérique dans la synergie entre les paléo-calottes de l’hémisphère nord. Pour étudier plus en détail les mécanismes de cette interaction, l’utilisation d’un modèle de circulation générale s’est avérée nécessaire. J’ai tout d’abord effectué une inter-comparaison des modèles ayant participé à l’exercice PMIP3 pour le dernier maximum glaciaire (DMG). Cette inter-comparaison a permis d’illustrer l’impact des conditions glaciaires sur le décalage du courant-jet en Atlantique Nord et d’établir un lien entre ce décalage et les précipitations au sud de l’Europe. Enfin, à l’aide d’expériences idéalisées menées avec le modèle atmosphérique LMDZ, j’ai pu étudier le rôle de chacune des calottes dans les changements de circulation atmosphérique observés auDMG. Cette étude montre en particulier l’influence notable de la calotte nord-américaine sur le bilan de masse de surface de la calotte eurasienne
The last glacial period is characterized by the presence of two large ice sheets covering Canada and North Eurasia. These ice sheets are a key element of the climatic system by interacting with all the components of the Earth system. The aim of this thesis is to determine by which mechanisms changes in atmospheric circulation may have induced a teleconnexionbetween the Northern hemisphere paleo-ice sheets. The use of a simplified coupled climate-ice sheet model allowed to test separately the influence of the ice-sheet topography and albedo on temperature and precipitation fields throughout the last glacial cycle and to highlight the role of atmospheric circulation within the synergy of past boreal ice sheets.To investigate in more details the underlying mechanisms, the use of a general circulation model was necessary.I therefore carried out an inter-comparisonof the PMIP3 models to examine the GCM responsesto glacial conditions. This work allowed to determinethe role of glacial conditions on the shift of the NorthAtlantic jet stream position and to establish a relationshipbetween this shift and the amount of precipitationover southern Europe. The last part of this thesisis devoted to the respective role of each ice sheeton atmospheric circulation changes observed underglacial conditions. To achieve this, I performed idealizedexperiments with the atmospheric circulationmodel LMDZ. The results highlight the key influenceof the North American ice sheet on the Eurasian icesheet surface mass balance

La période du Quaternaire est caractérisée par une alternance de périodes froides, les phases glaciaires, dans lesquelles deux calottes additionnelles se développent sur l'hémisphère Nord (en Amérique du Nord et en Eurasie), et des périodes relativement chaudes (similaires à l'Holocène) où les seules calottes de glace présentes à la surface du globe sont le Groenland et l'Antarctique. L'étude des carottes marines et continentales ainsi que celles de glace ont révélé l'existence d'une variabilité millénaire dans le système climatique du Quaternaire. Cette variabilité semble beaucoup plus importante lors des périodes glaciaires que lors des périodes interglaciaires, mais à l'heure actuelle il n'existe toujours pas un consensus total sur son origine. Premièrement, le Dansgaard-Oeschger sont caractérisés par de transitions abruptes (quelques décennies), mais d'un caractère pseudo-périodique d'une fréquence trop élevée pour être associée aux seules variations de l'insolation dues à des changements orbitaux. Deux types d'explications concernant le mécanisme déclencheur ont été proposées: un forçage périodique externe et des oscillations internes au système climatique dans lesquelles la circulation océanique est vraisemblablement impliquée. Quels sont exactement ces mécanismes ? Comment les différents sous-systemes climatiques interagissent entre eux ? Pourquoi cette variabilité se manifeste-t-elle plus fortement en période glaciaire ? Ces questions intrigantes, qui restent toujours d'actualité au sein de la communauté scientfiique, constituent l'objet principal de cette thèse. J'ai donc essayé au cours de ce travail d'apporter de nouvelles réponses plus cohérentes avec nos connaissances actuelles des différents sous-systèmes. En particulier, les épisodes de dépôts de matériel détritique qui ont marqué les enregistrements sédimentaires de l'Océan Nord-Atlantique glaciaire (connus comme les événements de Heinrich) sont toujours particulièrement durs à comprendre. Ces événements sont attribués à un relargage massif d'icebergs originairesdes calottes polaires de l'hémisphère Nord, mais le mécanisme permettant le développement de ces immenses flottes d'icebergs fait encore l'objet d'une controverse passionnante. Nous utilisons ici un modéle numérique conceptuel pour simuler les effets des changements de la circulation océanique sur la géometrie des plates-formes de glace flottantes. Nous analisons l'impacte de ces changements sur la dynamique des fleuves de glace et de la calotte posée. Nos résultats demontrent que des oscillations de la température océanique impactent la fusion basale sous les plates-formes et génèrent des débâcles périodiques d'icebergs vers la mer. Ce travail est ensuite focalisé sur l'événement de Heinrich 1. Grâce à des simulations effectués avec un modèle tri-dimensionelle des calottes polaires et un modèle climatique couplé océan-atmosphère, nous proposons un nouveau mécanisme déclencheur basé sur les effets d'un réchauffement océanique de subsurface sur la dynamique des fleuves de glace. Finalement, dans le contexte du climat actuel qui risque de se modifer considérablement du fait de la pression anthropique, une autre question surgit : est-il possible que la transition vers un climat plus chaud dans le futur provoque l'apparition d'une nouvelle variabilité rapide ? La dernière partie de cette thèse est dediée à cette thematique
Ice core data as well as marine and continental records reveal the existence of pronounced millennial time-scale variability in the Quaternary climate system. Such rapid climate variability appears to be stronger in glacial periods than during interglacials, but there is not yet a full consensus about its origin. Firstly, the Dansgaard-Oeschger events are characterized by abrupt transitions occurring in a few decades, and by a period of a few thousand years. Two types of explanation have been suggested concerning its triggering mechanism: periodic external forcing and internal oscillations in the climate system, for which ocean circulation is a likely candidate. On the other hand, six periods of extreme cooling in the Northern Hemisphere were marked by an enhanced discharge of icebergs into the North Atlantic Ocean, increasing the deposition of ice-rafted debris (known as Heinrich events). Increased sliding at the base of ice sheets as a result of basal warming has been proposed to explain the iceberg pulses, but recent observations suggest that iceberg discharge is related to a strong coupling between ice sheets, ice shelves and ocean conditions. In this work, I tried to bring new insights about the mechanisms responsible for the millennial glacial variability, more consistent with the present knowledge of the different Earth's components. This work is based on the use of a hierarchy of climate and ice-sheet models of different complexities. We used a conceptual numerical model to simulate the effect of ocean temperature on ice-shelf width, as well as the impact of the resulting changes in ice-shelf geometry on ice-stream velocities. Our results demonstrate that ocean temperature oscillations affect the basal melting of the ice shelf and will generate periodic pulses of iceberg discharge in an ice sheet with a fringing shelf. Using a state-of-the-art tri-dimensionnal ice-sheet model we also explore the conditions leading to internal oscillations of geometrically idealised ice sheets. We describe in detail the thermomechanical feedback responsible of the so-called ``binge-purge'' oscillations and we analyse the effects of ocean circulation changes on ice shelves and the dynamic implications resulting from a break-up of these ice shelves. Our studies are then focalised on the Heinrich event 1, showing a new mechanism based on the effects of a subsurface warming on the ice shelves stability. We demonstrate that such ice-shelf break-up and the subsequent ice-stream acceleration should be considered as a likely candidate to generate the icebergs surge implicated in Heinrich event 1. Leaving glacial period we finally focus on the present-day anthropically perturbed interglacial. We analyse with a fully coupled climate ice sheet model whether the shift into a warmer climate in the future could favor the occurrence of a new millennial-scale climate variability

L'Atlantique Nord en hiver est un environnement rude soumis à des évènements climatiques extrêmes ; il fait partie des milieux les plus défavorables aux endothermes. Parmi eux, les oiseaux marins jouent un rôle majeur en temps que prédateurs supérieurs et bioindicateurs des écosystèmes pélagiques. Dans le contexte actuel de changements globaux très marqués en Atlantique nord, il est essentiel de comprendre comment ces organismes répondent aux contraintes environnementales qui conditionnent leur survie hivernale et façonnent leur populations. Par une approche multidisciplinaire (alliant microélectronique, analyses isotopiques, modélisation énergétique et démographie) centrée sur la balance énergétique des individus, nous nous sommes attachés à étudier la plasticité écophysiologique des 3 espèces d'alcidés les plus communes de l'Atlantique nord. Nous avons montré que les tempêtes hivernales provoquent un goulot d'étranglement énergétique qui pourrait être une des principales causes de la mortalité observée. Face à cette dépense énergétique accrue, les oiseaux mettent en place différentes stratégies leur permettant d'augmenter leurs gains en énergie. Ils ajustent ainsi leurs déplacements verticaux (modes de plongée) et horizontaux (migration hivernale), ainsi que leur régime alimentaire en fonction de la disponibilité spatio-temporelle de leurs proies. L'ensemble de ces résultats constitue une des toutes premières études de l'écologie hivernale des oiseaux marins. Ils sont essentiels à une meilleure compréhension des dynamiques de leurs populations et forment une base solide aux futures investigations de l'effet des changements climatiques sur les prédateurs marins supérieurs
Harsh environmental conditions encountered in North Atlantic during wintertime, characterized by frequent extreme weather events, are among the most challenging constraints for endothermic animals. Seabirds, which experience this environment for many months per year, play a central role in North Atlantic food webs, notably as top predators and indicators of marine ecosystems. In the current context of climate change, pronounced in North Atlantic waters, it is therefore a major objective to understand how seabirds respond and adapt to these environmental constraints shaping their survival and their population dynamics. We used a multidisciplinary approach (combining microelectronics, stable isotopic analyses, bioenergetics modelling and demography) focused on individual energy balance, to study the ecophysiological plasticity of the 3 main alcid species of the North Atlantic. We found that harsh winter conditions induce an energetic bottleneck for seabirds which might explain recurrent events of winter mass mortality, so called ‘seabird winter wrecks'. In response to increased energy expenditure, we showed that seabirds can adopt different strategies allowing higher energy intake. They can modulate their vertical (diving behaviour) and/or horizontal (migration) movements, as well as their trophic status, depending on the spatial and temporal availability of their prey. All together, these results constitute one of the first comprehensive studies of seabird winter ecology. These insights are essential to a better understanding of their population dynamics and constitute a firm foundation to future investigations of the impact of climate change on marine top predators

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 moustiques, vecteurs majeurs de maladies, sont sensibles aux précipitations nécessaires au développement de leurs stades immatures aquatiques, et aux températures qui conditionnent leur cycle de vie. Le changement climatique impacte la transmission des maladies vectorielles, telles que le paludisme, première maladie parasitaire mondiale, et la Fièvre de la Vallée du Rift (FVR), zoonose décimant les troupeaux, entraînant un risque sanitaire et causant des pertes économiques en Afrique.Les rapports du Groupe Intergouvernemental d'Experts du Climat (GIEC) présentent des projections climatiques pour le XXIème siècle avec différents scénarios d'émissions de gaz à effet de serre standards appelés « Representative Concentration Pathway » (RCP). Ceux-ci démontrent que d'ici 2080, avec le scénario RCP8.5, le risque de transmission du paludisme est estimé à la baisse dans la région du Sahel et à la hausse sur les plateaux est-africains, suite à l'augmentation des températures. Par ailleurs, les paléoclimats indiquent que la fonte des calottes de glace peut induire des changements climatiques abrupts. Cependant, les projections standards du GIEC ne considèrent pas une potentielle déstabilisation de ces calottes. L'Antarctique et le Groenland sont pourtant vulnérables aux dérèglements climatiques et une fonte rapide de ces calottes, même partielle, provoquerait des changements climatiques majeurs même en régions tropicales. Aucune étude n'avait jusque-là quantifié l'impact d'une fonte même partielle de celles-ci sur la distribution des moussons et sur le risque de transmission du paludisme et de la FVR en Afrique.Ce travail repose sur des simulations numériques du climat futur réalisées à partir du modèle climatique global couplé IPSL-CM5A-LR avec pour forçage radiatif le scénario RCP8.5. Des simulations de relâchement d'eau douce correspondant à la fonte accélérée et partielle des calottes polaires ont été réalisées avec différentes hypothèses de fonte :- pour le Groenland, un flux d'eau douce équivalent à une augmentation globale du niveau marin de 0.5, 1, 1.5 et 3m est libéré en Atlantique Nord ;- pour l'Antarctique, une quantité d'eau douce équivalente à une hausse globale du niveau des mers de 3m (fonte de tout l'Antarctique de l'Ouest) est relâchée au large de sa région Ouest.Ces apports d'eau douce ont lieu de 2020 à 2070, en flux continu.Cette étude a démontré que les impacts, océaniques et atmosphériques, liés à la fonte du Groenland sont plus forts sur le climat global, particulièrement sur les systèmes de mousson en Afrique, que ceux liés à la fonte de tout l'Ouest Antarctique, ce qui est certainement dû au courant circumpolaire. Par la suite, seuls les scénarios considérant une fonte partielle du Groenland ont été utilisés pour étudier leurs impacts potentiels sur le paludisme. Les températures et précipitations simulées et/ou observées permettent de piloter des modèles mathématiques du risque de transmission. Cinq modèles mathématiques de paludisme ont été utilisés. Une fonte accélérée du Groenland induit un décalage des zones de mousson américaines et africaines vers le sud. Le risque de paludisme augmente dans le sud de l'Afrique, diminue au Sahel et augmente modérément sur les plateaux d'Afrique de l'Est. Pour l'étude de la FVR, le modèle Liverpool Rift Valley Fever (LVRF) a été validé par pays en comparant les simulations, obtenues à partir des températures et précipitations journalières issues des réanalyses climatiques, avec différents jeux de données. Puis, un travail exploratoire a permis de déterminer une corrélation entre le risque de transmission simulé et les principaux modes de variabilité climatique régionaux (ENSO et DMI). Les résultats montrent que le modèle reproduit correctement les épidémies de FVR au Kenya, Somalie et Zambie, et plus modérément au Sénégal et en Mauritanie. Une augmentation du risque de FVR est montrée sur les zones épidémiques d'Afrique de l'Est lors du phénomène El Niño
Mosquitoes, major vectors of diseases, are sensitive to rainfall which is necessary for their immature aquatic stages, and to temperature which affects their development and life cycle dynamics. Climate change can therefore impact the transmission of vector-borne diseases such as malaria, the world's major parasitic disease causing over 600,000 deaths per year, and Rift Valley Fever (RVF), a zoonotic disease decimating herds, causing health risks and catastrophic economic losses in Africa.The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) report provides climate scenarios for the 21st century with different standard greenhouse gas emission scenarios, named Representative Concentration Pathway (RCP). By 2080, the risk of malaria transmission is estimated to decrease in the Sahel region and to increase in the East African Plateau as a result of rising temperatures under the RCP8.5 scenario. Although paleoclimate studies show that melting ice sheet can induce abrupt climate change, state of the art IPCC future projections do not consider such a potential rapid destabilisation of polar ice sheets. However, the West Antarctic and Greenland ice sheet are vulnerable to climate change and even a partial melting would cause major climatic changes, even in tropical regions. No study has yet quantified the impact of an abrupt melting of the ice sheets on the distribution of malaria and RVF. This work is based on future climate numerical simulations using the coupled global climate model IPSL-CM5A-LR with RCP8.5 as radiative forcing. Simulations of freshwater release, corresponding to the accelerated and partial melting of the polar ice sheets, were carried out with different melting assumptions:- for Greenland, a freshwater flux equivalent to a global sea level rise of 0.5m, 1m, 1.5m and 3m is released into the North Atlantic;- for Antarctica, a quantity of freshwater equivalent to a global sea level rise of 3m is released off its western part.These continuous water inputs are prescribed from 2020 to 2070.This study showed that the oceanic and atmospheric impacts of a partial melting of Greenland are stronger on the global climate, and particularly on monsoons, than those associated with the melting of West Antarctica, probably due to the effect of the circumpolar current. Subsequently, only scenarios considering a partial melting of Greenland were used to study their impacts on malaria. Simulated and/or observed temperature and precipitation were used to drive mathematical models of malaria transmission risk. Five mathematical malaria models were used. An accelerated melting of Greenland leads to a southward shift of the American and African monsoons. Malaria risk increases in southern Africa, decreases in the Sahel and increases moderately on the East African Plateau.For the study of RVF, the Liverpool Rift Valley Fever (LVRF) model was validated at country scale by comparing simulations driven by observed daily temperatures and rainfall from climate reanalyses with different health data sets. Then, a potential correlation between simulated RVF transmission risk and the main regional climate variability modes (ENSO and DMI) is shown over the Rift African region. The model correctly reproduces RVF epidemics in Kenya, Somalia and Zambia, and to a lesser extent in Senegal and Mauritania. RVF risk increases over the epidemic areas in East Africa during the El Niño phenomenon

La question des stratégies de développement de la région circumpolaire confronte deux forces majeures de transformation : les transitions climatiques et leurs effets sur les régionalités boréales et la mondialisation et l’intégration des Nords dans l’économie-monde. Des enjeux systémiques complexes y sont actuellement à l'œuvre, bouleversant les relations traditionnelles entre les pays à dimension polaire, les puissances non polaires et les sociétés arctiques.