Academic literature on the topic 'Changements climatiques – Simulation, Méthodes de'

L'analyse statistique de séries chronologiques de données hydrométéorologiques est un des outils d'identification de variations climatiques. Cette analyse consiste le plus souvent à la mise en œuvre et à l'interprétation de tests statistiques d'homogénéité des séries. Les séries hydrologiques (données de pluie ou de débit) se caractérisent fréquemment par des effectifs faibles, et ne répondent que rarement aux conditions requises par l'application des tests statistiques dont certains sont paramétriques. Nous avons cherché à évaluer, en terme de puissance et de robustesse, le comportement de quelques méthodes statistiques largement employées dans les études de variabilité climatique. Ce travail a été mené dans chaque cas étudié au moyen de procédures de simulations type Monte-Carlo de 100 échantillons de 50 valeurs conformes aux caractéristiques souvent rencontrées dans les séries naturelles. La variabilité simulée est celle d'un changement brutal de la moyenne. Les procédures concernées sont le test de corrélation sur le rang, le test de Pettitt, le test de Buishand, la procédure bayésienne de Lee et Heghinian, et la procédure de segmentation des séries hydrométéorologiques de Hubert et Carbonnel. Des séries artificielles soit stationnaires, soit affectées par une rupture de la moyenne, normales, non-normales, autocorrélées, présentant une tendance linéaire ou un changement brutal de la variance ont été générées. Les conclusions de ce travail doivent être nuancées selon la méthode considérée. D'une manière générale la puissance maximale estimée se situe autour de 50% pour des taux de rupture de la moyenne de l'ordre de 75% de la valeur de l'écart-type. Par ailleurs il apparaît que l'autocorrélation et la présence d'une tendance dans les séries sont les deux caractéristiques qui pénalisent le plus les performances des procédures.

Les stratégies d’adaptation des environnements urbains aux changements climatiques, comme le développement de parcs urbains ou la révision des règles d’urbanisme, ne porteront leurs fruits qu’à moyen et long termes. Dans l’intervalle, des solutions palliatives doivent être mises en œuvre. Elles se déploient souvent sous la forme d’installations éphémères ou durables capables de proposer des opportunités de rafraîchissement en différents points de l’espace public. Ces dispositifs de rafraîchissement se développent dans les grandes villes depuis deux décennies et mettent en œuvre une grande diversité de techniques. Face aux investissements que représentent de tels aménagements, les pouvoirs publics sont demandeurs de connaissances sur leur capacité à répondre aux enjeux d’habitabilité des espaces publics sous la canicule. Il s’agit de savoir si ces « points frais » ont un réel pouvoir de rafraîchissement et s’ils sont appropriés par les citadins lorsque les températures augmentent. C’est pour apporter des réponses à ce type de questions et mieux connaître les spécificités des dispositifs urbains de rafraîchissement que nous avons développé une démarche multidisciplinaire basée notamment sur un système de métrologie climatique mobile original. Nous avons mis en œuvre ce système pour étudier différents dispositifs de rafraîchissement estival à Nantes et à Paris. La première partie de l’article décrit le synopsis de notre démarche qui se développe suivant quatre approches portant successivement sur l’analyse architecturale et urbaine du dispositif et de son environnement proche, la simulation d’ensoleillement dans le dispositif et son environnement, la métrologie climatique associant des instruments fixes et mobiles, ainsi que des observations d’usage du dispositif en situation de forte chaleur. La deuxième partie décrit plus en détail les principes de métrologie climatique que nous proposons. La troisième partie illustre la méthode par une étude de cas réalisée en 2022 en collaboration avec Nantes Métropole.

Les articles présentés ici ont mis en lumière une diversité de méthodes et d’outils d’analyse qui permettent d’évaluer les propositions de la recherche visant à améliorer la durabilité des systèmes agro-sylvo-pastoraux d’Afrique de l’Ouest. Ces méthodes se réfèrent à l’identification des facteurs d’adoption des produits de la recherche, mais aussi à l’analyse des impacts constatés ou espérés des changements proposés. Elles s’appuient sur la constitution de bases de données robustes issues d’enquêtes de terrain. Les modèles économétriques (tels que les modèles probit et tobit) permettent d’identifier les facteurs socio-économiques d’adoption de propositions en comparant deux types de producteurs : adoptant et non-adoptant. Ils permettent aussi d’identifier les facteurs qui influencent l’intensité de la mise en oeuvre de l’innovation chez ceux qui l’ont adoptée (Ngondjeb et coll.). Les analyses multivariées de données d’enquêtes socio-économiques permettent, elles, d’analyser les corrélations entre des variables traduisant l’utilisation effective de la technologie et des variables sociotechniques sur lesquelles sont fondées les typologies des systèmes d’élevage. Ces typologies dépassent la dichotomie adoptant versus non-adoptant. Elles permettent de mettre en évidence différentes modalités d’usage de la technologie suivant les types de producteurs (Bouyer et coll.). Des enquêtes sur les stratégies d’adaptation des ménages à des changements de leur environnement socio-économique permettent de situer les propositions de la recherche au sein de la gamme des leviers d’action mobilisés. Ces enquêtes montrent ainsi la nécessité de retracer sur des pas de temps longs la trajectoire des ménages et du cycle de vie des exploitations pour analyser les stratégies et les dynamiques d’adoption (Pedelahore et coll.). Les modèles d’optimisation des fonctions de production tels que celui utilisé par Dabire et coll. permettent de comparer à un scénario témoin différentes modalités d’une proposition technique et leurs effets respectifs sur les choix d’assolement ainsi que sur le revenu optimal de l’exploitation. La proposition analysée ici est l’accès pour le producteur à une nouvelle source d’information : la prévision saisonnière de la pluviosité. Ce type de modèle offre la possibilité de prendre en compte un risque, par exemple celui d’avoir une bonne ou une mauvaise saison climatique ou de se tromper dans les prévisions. Le modèle de simulation présenté par Sempore et coll. permet au producteur d’analyser avec le chercheur l’impact de la proposition (atelier d’embouche) sur les performances techniques (bilan fourrager et minéral) et économiques (bilan céréalier et revenu) de son exploitation. Il peut ainsi comparer les résultats attendus de ce changement et les modalités de sa mise en oeuvre à la situation initiale de son exploitation. Avec la méthode active de recherche participative (MARP), l’analyse prospective est conduite avec des focus groups (groupes socioprofessionnels d’acteurs) associant chercheurs et producteurs. Cette approche permet de prendre en compte dans l’analyse les préférences et contraintes des producteurs mais elle suppose aussi que ces producteurs aient la capacité d’estimer les effets possibles des propositions de la recherche sur leurs exploitations. Le calcul du budget partiel, utilisé par exemple par Blanchard et coll., permet d’évaluer en termes monétaires les impacts des différents changements techniques observés ou estimés à l’échelle de l’exploitation, suite à l’adoption de la proposition. L’analyse du cycle de vie mise en oeuvre par Vayssières et coll. permet d’évaluer les performances environnementales d’un changement de pratiques. Les auteurs prévoient ainsi l’impact des changements techniques dans les exploitations d’élevage sur leurs consommations énergétiques. Enfin, en analysant les relations de pouvoirs entre acteurs au sein de la filière laitière, Fokou et coll. montrent que les innovations techniques et organisationnelles peuvent être source d’exclusion pour certaines catégories d’acteurs. Ces enquêtes sur les relations de pouvoir entre acteurs apportent un regard complémentaire sur la durabilité sociale des propositions de la recherche.

Les deux dernières décennies en recherche scientifique se caractérisent par la multiplication des travaux concernant le réchauffement planétaire et les conséquences appréhendées de ce phénomène dans les divers milieux du globe. Ces travaux de recherche touchent différents champs disciplinaires dont la géomorphologie, l'hydrologie, l'écologie et bien d'autres. Dans le contexte des changements climatiques, on voit apparaître un intérêt grandissant pour l'étude des inondations anciennes ou des paléo-inondations. On tente de reconstituer la chronologie des inondations du passé notamment en regard des changements climatiques anciens ou subactuels (derniers siècles). Devant l'émergence de nombreux travaux dans ce domaine de la paléohydrologie, il nous est apparu intéressant d'examiner à travers une revue de la littérature scientifique les différentes approches méthodologiques utilisées dans l'étude des paléo-inondations. On s'attarde à décrire les principales méthodes et techniques employées dans la reconstitution des anciennes inondations, en particulier pour les environnements fluviaux (rivières, fleuves). On passe en revue les différents indicateurs biophysiques utilisés, notamment l'analyse des séquences stratigraphiques et sédimentaires, l'analyse des macrorestes, les méthodes de datation radiocarbone (14 C) et les techniques comme la thermoluminescence optique (TLO) et la dendrochronologie. Aussi, on présente les principaux modèles mathématiques utilisés dans la reconstitution des paléo-inondations, lesquels servent notamment à évaluer les variations niveaux/débits et la fréquence des inondations anciennes.

Contexte : Le Cèdre des zones sèches (Pseudocedrela kotschyi (Schweinf.) Harms), originaire de l’Afrique de Ouest et de l’Est, est très important pour les communautés locales en raison de ses multiples utilisations, notamment alimentaires, médicinales, industrielles et technologiques. Toutefois, les connaissances relatives à la biologie de la conservation et la domestication de l’espèce sont très limitées. L'objectif de cette revue systématique est d'exploiter la littérature existante pour évaluer de manière critique les lacunes de connaissances sur la biologie de conservation de P. kotschyi et en déduire les opportunités de recherches sur l’espèce. Méthodes : A partir des moteurs de recherche scientifique (Google scholar) et les bases de données (Dimension, Scopus, PubMed, AJOL), les publications relatives aux utilisations, variations des paramètres structuraux et morphologiques, effets des changements climatiques et menaces de l’espèce ont été soumises à une sélection rigoureuse et une lecture critique. Résultats : L’analyse critique de 224 publications scientifiques retenues, a montré que la littérature existante n'a pas abordé certains aspects cruciaux de la biologie de la conservation et la domestication de l’espèce. Plus précisément, il s’agit des thématiques relatives à l’influence des facteurs biotiques et abiotiques sur la distribution spatiale, la structure, la morphologie, la diversité génétique, les effets des changements climatiques sur les habitats favorables de l’espèce, ainsi que les facteurs influençant l’utilisation de l’espèce. Ces aspects constituent des lacunes de connaissances à combler. Conclusion et Perspectives : Cette revue de littérature confirme la gamme variée de propriétés phytochimiques, l’importance socioéconomique, la forte valeur d’usage de P. kotschyi pour les communautés locales et les menaces qui pèsent sur la ressource. Cependant, il est impératif de mener des recherches approfondies sur les facteurs expliquant son utilisation, sa distribution spatiale, sa morphologie, sa structure, sa diversité génétique, ainsi que sur l’impact des facteurs de menace, notamment les changements climatiques.

L’avancée des stades phénologiques et de la maturité de la vigne observée ces dernières années sur l’ensemble des vignobles mondiaux impactent la quantité et la qualité de la production. Afin d’évaluer ces évolutions dans le contexte de changement climatique, cette étude propose une analyse spatio-temporelle du potentiel de maturité des cépages Chardonnay et Chenin sur une région viticole traditionnelle, les Pays de la Loire, et une région viticole émergente, la Bretagne. Deux méthodes de spatialisation de l’indice de maturité « Grapevine Sugar Ripeness - GSR» sont proposées afin de représenter la variabilité des potentiels de maturité dans le futur et de contribuer à l’évaluation de la durabilité et/ou faisabilité économique de l’activité en fonction des différents objectifs de production. Les résultats obtenus montrent que les dates de maturité du Chardonnay et du Chenin en Bretagne dans un futur lointain (2071-2100) pourraient être celles des Pays de la Loire en futur proche (2021-2050).

Malgré d’intenses recherches, la capacité d’adaptation aux changements climatiques des forêts et des forestiers demeure incertaine. Face à ces incertitudes, les forestiers privés et publics tentent de diversifier leurs pratiques, mais se concentrent principalement sur des actions de technique sylvicole. Le jeu sérieux Foster Forest vise à compléter ces approches techniques à partir d’adaptations socioéconomiques imaginées par les participants. Développée par une équipe de recherche interdisciplinaire, il s’agit à notre connaissance de la première simulation participative de l’évolution d’un massif forestier tempéré dans un scénario d’incertitudes économiques et climatiques. L’article présente la genèse, le déploiement et les apprentissages des ateliers Foster Forest tenus à travers la France. Une nouvelle version « Prospective », gratuite et téléchargeable en ligne, est aussi introduite à l’intention des structures d’animation, de coordination ou de formation forestières.

Cette étude vise à analyser la rentabilité de la culture d’oignons dans la région Fès Meknès au Maroc et visualiser la sensibilité de cette culture face à une augmentation des coûts de production ou baisse de rendement du aux changements climatiques Les données utilisées ont été collectées auprès de 80 producteurs choisis de façon aléatoire. Différentes méthodes d’analyse, l’analyse budgétaire, la comparaison entre la valeur de production et les coûts de production, ainsi que l’analyse de corrélation, ont été utilisées pour l’analyse des données. Les résultats de l’analyse budgétaire montrent que la production d’oignons est rentable et que la rentabilité est sensible à une baisse de production ou une hausse de coût. Par comparaison, l’analyse montre que les répercussions d’un choc de production sont plus néfastes d’une augmentation des coûts de production. Afin d’accroître la rentabilité, les producteurs devraient adopter des pratiques agricoles qui favorisent la productivité. L’analyse corrélationnelle révèle une relation positive et significative entre le revenu net agricole et le type d’irrigation et le niveau d’instruction des exploitants. Ces variables sont des facteurs à prendre en compte pour améliorer le niveau de rentabilité.

Dans la plupart des études, on s'intéresse au changement climatique futur en analysant l'évolution du climat entre une référence actuelle fixée et une période future. Le réchauffement est de plus en plus fort au fil du 21ème siècle. Dans un contexte où les conditions climatiques sont toujours en train d'évoluer, les écosystèmes doivent continuellement s'adapter à des modifications diverses du climat. Dans le cadre de cette thèse, je propose d'analyser les projections climatiques sous un angle alternatif. Afin d’être caractéristique des représentations des populations urbaines et rurales, je définis et analyse des indicateurs liés à la vitesse des changements de température, de précipitations et de végétation. Un ensemble de simulations CMIP5 de 18 modèles de climat est sélectionné. La vitesse est représentée par des différences entre deux périodes successives de 20 ans. Cette notion de vitesse pourrait offrir de nouveaux outils pour interagir avec les communautés scientifiques travaillant sur les impacts et l'adaptation.Sans politiques d’atténuation du changement (scénario RCP8.5), le réchauffement global sera au moins deux fois plus rapide à la fin du siècle qu’actuellement, et même trois fois dans certaines régions. Près de la moitié des surfaces continentales, principalement les zones tropicales, seront touchées par des décalages significatifs de la distribution de la température entre deux périodes de 20 ans d’ici à 2060, i.e. au moins 4 fois plus qu’actuellement. Dans ces régions, des années extrêmement chaudes ayant un temps de retour de 50 ans deviendront habituelles en l’espace de 20 ans seulement. La fraction de la population mondiale étant exposée à ces changements pourrait atteindre environ 60% (i.e. 6 milliards de personnes et 7 fois plus qu’actuellement). Il suffit de relativement légères mesures d’atténuation (RCP6.0) pour que la vitesse du réchauffement ne dépasse pas les valeurs actuelles et que 3 fois moins de personnes soient exposées à des décalages significatifs de température.Les vitesses d’humidification et d’assèchement en termes de précipitations augmenteront de 30 à 40%. Leur répartition géographique deviendra plus stable spatialement et les tendances tendront à persister sur les mêmes régions, et ce malgré l’accélération du réchauffement global. Cette stabilisation résulte de la contribution grandissante des processus thermodynamiques par rapport à ceux contrôlés par la circulation générale. La combinaison de l’accélération des tendances et de leur persistance peut avoir un impact sur l’adaptation des sociétés et des écosystèmes, particulièrement sur le bassin méditerranéen, en Amérique centrale, en Inde et dans les régions arctiques. Une telle évolution est déjà visible actuellement, mais pourrait disparaître avec de fortes mesures d’atténuation (RCP2.6).Les changements de la végétation peuvent être des repères visuels du changement climatique. Dans les moyennes et hautes latitudes Nord, le cycle saisonnier des arbres et des herbacées suit la vitesse du réchauffement. Sans politiques d’atténuation, le début de la saison foliaire avance et sa durée augmente plus rapidement au fil du siècle. La couverture de la végétation se densifie quelque soit le scénario proportionnellement à l’augmentation de la température. Le cycle saisonnier des cultures des moyennes latitudes dépend directement de la température et celui des cultures tropicales de l’évolution des caractéristiques de la saison des pluies. Sous les autres latitudes, aucune évolution robuste du cycle saisonnier n’est projetée. La vitesse des changements de répartition de la végétation a déjà doublé entre 1880 et 1950 correspondant à un changement marqué de l'utilisation des sols. Elle est stable tout au long du siècle si la végétation interagit dynamiquement avec le climat dans les modèles, traduisant un ralentissement du changement de l'utilisation des sols et l'accélération des changements de végétation sous l'effet du changement climatique
In most climate studies, climate change is approached by focusing on the evolution between a fixed current baseline and a future period, emphasizing stronger warming as we move further over the 21st century. Under climate conditions that are continuously evolving, human and natural systems might have to constantly adapt to a changing climate. This thesis proposes an alternative approach to climate projections. Here, I consider and analyze indicators of the pace of changes relative to temperature, precipitation and vegetation in order to be relevant for both urban and rural populations. An ensemble of CMIP5 simulations from 18 climate models is selected. The pace is represented by differences between two subsequent 20-year periods. Considering the pace of change would be beneficial for climate impacts and adaptation analyses.The models predict that the warming rate strongly increases without any mitigation policies (RCP8.5 scenario). It is twice as high by the end of the century compared to the current period, and even three times higher in some regions. Significant shifts in temperature distributions between two subsequent 20-year periods are projected to involve almost half of all land surfaces and most tropical areas by 2060 onwards (i.e. at least four times as many regions than currently). In these regions, an extremely warm year with a return period of about 50 years would become quite common only 20 years later. The fraction of the world population exposed to such shifts might reach about 60% (6 billion people, i.e. seven times more than currently). Low mitigation measures (RCP6.0) allow the warming rate to be kept at current values, and reduce the fraction of the world population exposed to significant shifts of temperature distributions by one third.Under RCP8.5, rainfall moistening and drying rates both increase by 30-40% above current levels. As we move further over the century, their patterns become geographically stationary and the trends become persistent. The stabilization of the geographical rate patterns that occurs despite the acceleration of global warming can be physically explained: it results from the increasing contribution of thermodynamic processes compared to dynamic processes in the control of precipitation change. The combination of intensification and increasing persistence of precipitation rate patterns may affect the way human societies and ecosystems adapt to climate change, especially in the Mediterranean basin, Central America, South Asia and the Arctic. Such an evolution in precipitation has already become noticeable over the last few decades, but it could be reversed if strong mitigation policies were quickly implemented (RCP2.6).Changes in vegetation could be visual landmarks of climate change. In mid- and high-latitudes of the Northern Hemisphere, the phenology of grass and trees follows the warming rate. Without any mitigation policies, the start of spring occurs earlier, and its duration is extended faster as we move over the century. The vegetation cover becomes denser, regardless of the selected pathway, in proportion to the temperature rise. The seasonal cycle of mid-latitude crops also depends on the temperature, and the seasonal cycle of tropical crops directly follows the features of the wet season. In all other latitudes, no robust evolution of the seasonal cycle is projected. The pace of change of vegetation cover since 1880 already doubled before 1950, mainly due to a strong change in land use. This pace is then projected to be stable over the entire 21st century if the vegetation dynamically interacts with the climate system in the models. This corresponds to a reduction of land-use change and to the acceleration of changes of vegetation cover under climate change

L'océan côtier subit la convergence de nombreuses perturbations anthropiques, avec le changement climatique en première ligne. Le réchauffement, l'acidification de l'océan, l'eutrophisation et la désoxygénation se combinent en menaçant les écosystèmes côtiers et les activités humaines associées. Malheureusement, la très forte hétérogénéité spatiale et temporelle de l'océan côtier limite la compréhension des processus biogéochimiques impliqués et leurs réponses face aux perturbations anthropiques. Les bases de données actuelles d'observations côtières sont encore insuffisantes et les modèles biogéochimiques océaniques globaux ont longtemps été inadaptés à l'étude de l'océan côtier global. En effet, la résolution spatiale de ces modèles était trop grossière pour résoudre de manière pertinente les processus de petites échelles. L'augmentation de la puissance de calcul des supercalculateurs permet l'utilisation de grilles de modèle plus fines adaptées à l'étude de l'océan côtier. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier l'évolution au cours des dernières décennies de la biogéochimie de l'océan côtier à l'échelle globale à l'aide du modèle couplé physique-biogéochimie NEMO-PISCES. Après une évaluation de la représentation globale de la biogéochimie côtière et du cycle du carbone côtier dans notre modèle océanique, nous estimons le rôle actuel de l'océan côtier dans l'absorption océanique de carbone anthropique et nous étudions l'impact de la perturbation anthropique des apports fluviaux sur la biogéochimie côtière. En utilisant 3 grilles de résolutions spatiales différentes (200 km, 50 km et 25 km), il a été estimé que l'utilisation de la grille de 50 km représente le meilleur compromis entre les trois résolutions testées et que le passage à 25 km ne montre pas d'améliorations significatives des champs biogéochimiques côtiers évalués. Après cette première évaluation, le puits de carbone anthropique de l'océan côtier a été estimé pour la première fois à partir d'un modèle 3D global. L'océan côtier absorberait ainsi seulement 4,5 % du carbone anthropique absorbé par l'océan global pour la période 1993-2012 alors qu'il représente 7,5 % de la surface océanique globale. L'absorption côtière est réduite par l'export limité du carbone anthropique vers l'océan ouvert ne permettant pas de réduire la concentration moyenne de carbone anthropique des eaux côtières au niveau de celle de la couche de mélange de l'océan ouvert. Enfin, les effets de la perturbation anthropique des apports fluviaux sur la biogéochimie côtière ont été jugés limités quant intégrés à l'échelle côtière globale. Cependant, ces perturbations sont très contrastées régionalement. La mer du Nord présente des variations biogéochimiques mineures du fait de la tendance locale modérée appliquée aux apports fluviaux en nutriments, comparée à la mer de Chine de l'Est où la forte augmentation des apports fluviaux provoque d'importants phénomènes de désoxygénation et d'acidification
The coastal ocean suffers from the convergence of multiple anthropogenic stressors with climate change at the forefront. Combined stresses from global warming, ocean acidification, eutrophication and deoxygenation threaten coastal ecosystems and thus their services that humans rely on. Unfortunately, the coastal ocean's large spatiotemporal heterogeneity limits our understanding of the biogeochemical processes involved and their responses to anthropogenic perturbations. The current database of coastal observations remains insufficient, and global biogeochemical ocean models have long been inadequate to the study of the global coastal ocean. Indeed, the spatial resolution of these models has been too coarse to resolve key small-scale coastal processes. However, continual improvements in computational resources now allow global simulations to be made with sufficiently high model resolution that begins to be suitable for coastal ocean studies. In this thesis, we propose to study the evolution of the coastal ocean biogeochemistry at the global scale over recent decades using higher resolution versions of the global physical-biogeochemical model NEMO-PISCES. After evaluating of the global representation of the coastal biogeochemistry in this ocean model, we estimate the current role of the coastal ocean in the ocean uptake of anthropogenic carbon and we study the impact of the anthropogenically driven changes in riverine inputs on the coastal biogeochemistry. From simulations made at 3 different spatial resolutions (200 km, 50 km, 25 km), we esteem that the 50-km model grid offers the best compromise between quality of results and computational cost. The upgrade to 25 km does not appear to provide significant improvement in model skill of simulating coastal biogeochemical fields. After evaluating the model, we provide an estimate of the coastal-ocean sink of anthropogenic carbon, the first study to do so with a global 3-D model. In our simulation, the coastal zone absorbs only 4.5% of the anthropogenic carbon taken up by the global ocean during 1993-2012, less than the 7.5% proportion of coastal-to-global-ocean surface areas. Coastal uptake is weakened due to a bottleneck in offshore transport, which is inadequate to reduce the mean anthropogenic carbon concentration of coastal waters to the average level found in the open-ocean mixed layer. Finally, the anthropogenic perturbation in riverine delivery of nutrients to the ocean has limited impact on the coastal carbon cycle when integrated across all coastal regions, but locally it can induce sharp biogeochemical contrasts. For example, the North Sea shows minor biogeochemical changes following the moderate local trend in nutrient riverine inputs, which is in dramatic contrast to the East China Sea where extensive deoxygenation and acidification are driven by sharp increases in riverine nutrient inputs

L'un des défis pour les modèles hydrologiques utilisés pour simuler les effets du changement climatique sur les cours d’eau est d'être suffisamment robuste pour être performant dans des conditions climatiques variées. Cependant, les modèles actuels manquent généralement de robustesse. Les causes sont encore incertaines et potentiellement multiples (calage, données, structures). Cette thèse présente une recherche de solutions pour améliorer la robustesse des modèles hydrologiques, à travers plusieurs diagnostics menés sur un grand échantillon de bassins versants. Après une étape d’identification des changements climatiques les plus défavorables aux modèles, une comparaison de différentes méthodes de calage a abouti au constat que le choix de la fonction objectif avait une influence faible mais non négligeable sur la robustesse des modèles. Un choix adapté de la formulation de l'évaporation potentielle est également un facteur d'amélioration, bien que les résultats soient assez hétérogènes sur l'échantillon d'étude. Une méthodologie de diagnostic des lacunes structurelles des modèles hydrologiques, fondée sur une analyse des compétitions entre les performances, a ensuite été proposée et appliquée au modèle GR4J. Deux défauts majeurs ont ainsi pu être identifiés dans la structure du modèle, limitant sa capacité à se montrer robuste pour la simulation simultanée de plusieurs gammes d'écoulement. Une tentative de modification via l'ajout d'un paramètre au modèle s'est révélée encourageante. Malgré la modestie des progrès auxquels ils ont abouti, nous espérons que ces travaux pourront susciter de futurs développements de la structure des modèles hydrologiques
Among the many challenges that climate change poses, the ability of hydrological models to adequately perform over a large range of climatic conditions is key its impacts on the regime of rivers. However, modern hydrological models still lack of robustness. The causes are yet uncertain and may be manifold: (calibration, measurement errors, model structure). This thesis aims at identifying solutions for model improvement by a series of diagnoses conducted on a large catchment set. After a study of the types of climatic changes challenging model robustness the most, we set up a comparison of different calibration methods. It revealed that the choice of the optimized objective function had a significant impact on model robustness. The way potential evaporation is computed also influences model robustness, although our comparison of a few potential evaporation models show rather heterogeneous results across the catchment set. A method specifically designed to diagnose structural weaknesses impacting model robustness, based on an analysis of performance trade-offs in a multi-objective framework, was then proposed and applied to the GR4J model. A couple of major structural deficiencies was identified. These deficiencies likely prevent the model from providing robust simulations in different streamflow ranges simultaneously. An attempt to modify the structure of GR4J yielded to an encouraging yet modest improvement of its performance. Despite the light enhancement of hydrological model robustness achieved in this work, it may pave the way to further advances toward model structural development

Afin d'etudier l'equilibre climatique du modele atmospherique arpege-climat, on examine l'evolution des invariants globaux du modele adiabatique (masse, humidite, energie et ozone) au cours des premiers jours d'integration. On met ainsi en evidence la derive du modele, avant que celui-ci atteigne son equilibre climatique. Une methode pour diagnostiquer les sources et les puits de la derive est proposee: elle consiste a calculer les tendances des invariants globaux au cours des differentes etapes de calcul (physique, dynamique, discretisation). Son application au modele arpege-climat pour differentes troncatures et differentes valeurs du pas de temps permet de mieux comprendre les differents processus mis en jeu lors de la mise a l'equilibre du modele. L'etude est poursuivie par la comparaison des resultats du modele a des donnees climatologiques: on met ainsi en evidence certaines erreurs systematiques du modele. A partir d'experiences de sensibilite, on etudie plus particulierement l'impact des parametrisations physiques sur l'equilibre du modele. Ces experiences permettent en particulier de proposer un ordre de priorite aux differentes parametrisations, selon que l'equilibre du modele est plus ou moins modifie par les forcages imposes

L'évolution naturelle du climat, perturbée depuis les révolutions industrielles, est fortement marquée dans les hautes latitudes en particulier en Sibérie où une anomalie de température de +0.8°C est constatée depuis les années 2000 contre une anomalie moyenne de +0.4°C pour les moyennes latitudes. La Sibérie est couverte par des pergélisols lui conférant ainsi des particularités, notamment pour les régimes hydrologiques des rivières. Les projections climatiques prédisant jusqu'à un réchauffement de l'ordre de +5°C d'ici 2100, il est primordial d'en évaluer les impacts. La modélisation numérique à bases physiques s'avère être un outil intéressant pour répondre à ces questions. Ainsi, afin d'évaluer la réponse hydrologique au changement climatique en Sibérie nous avons travaillé sur l'évaluation multi-échelles des bilans d'énergie et d'eau avec le modèle ORCHIDEE. Ce modèle a été adapté aux caractéristiques des milieux froids, avec une amélioration de la représentation de la neige, une prise en compte du gel de l'eau du sol et une carte de végétation plus représentative de la végétation sibérienne. Une évaluation en mode forcé i.e. sans couplage avec l'atmosphère a été menée dans un premier temps. Ainsi, nous avons évalué ORCHIDEE au temps présent (1979-2009) à l'échelle du site en nous concentrant sur les données d'humidité et de température du sol dont nous disposions. Une analyse de sensibilité du modèle nous a permis d'identifier les paramètres les plus influents sur les bilans d'énergie et d'eau dans le sol. Leur étalonnage sur sites nous a permis de montrer que le modèle ORCHIDEE est capable de simuler correctement les transferts verticaux de chaleur et d'eau et les contenus en eau et températures du sol résultants. Par la suite nous avons étendu l'évaluation à la région de la Sibérie en confrontant nos résultats de simulation à des produits satellitaires, permettant une évaluation sur une série temporelle conséquente et sur une grande zone. Nous avons rassemblé un grand nombre d'observations telles que des données d'albédo, d'équivalent en eau pour la neige..., auxquelles nous avons comparé nos résultats de simulation. Ce travail nous a permis de montrer que le modèle simule de façon satisfaisante les bilans d'énergie et d'eau en Sibérie, mais aussi de mettre en avant l'importance du choix du forçage climatique. Ainsi, l'utilisation d'un second forçage climatique nous a permis de montrer l'importance du partitionnement pluie/neige ainsi que la sous-estimation possible des précipitations dans les forçages. Le modèle validé a été utilisé ensuite pour mener des études d'impacts, en utilisant 2 forçages climatiques sur le temps futur (2005 à 2099) sous scénario d'émission des gaz à effet de serre RCP8.5. Ainsi nous avons pu évaluer la variabilité liée au forçage et l'impact de l'évolution du climat sur les variables des bilans d'énergie et d'eau. Une limite autour de la latitude 60°N a été définie lors de l'analyse des précipitations futures et choisie pour orienter notre analyse selon deux zones de part et d'autre de la limite. Nous avons analysé les cycles saisonniers des variables de surface nous permettant de mettre en évidence les impacts du réchauffement climatique en lien avec l'augmentation de la température de l'air et leurs différences spatiales. Nous avons montré que la fonte du manteau neigeux est plus précoce au Sud et engendre une avance temporelle du pic de crue de printemps pour la Lena et l'Amour. Sur l'Ob et le Ienisseï, des changements ont été aussi montrés (une diminution du débit au cours du temps pour l'Ob et une augmentation pour le Ienisseï, sans changement de phasage temporel), qui pourraient conduire à des impacts socio-économiques importants pour les populations locales. Cette étude nous a également permis de montrer que les nouvelles conditions climatiques sont plus favorables à la végétation. Nous avons montré aussi la cohérence des deux projections climatiques étudiées
The natural evolution of the climate, disturbed since the industrial revolutions, is strongly marked in the high latitudes especially in Siberia where a temperature anomaly of +0.8°C has been observed since the 2000s against an average anomaly of + 0.4°C for The mid-latitudes. Siberia is covered by permafrost, giving it particularities, especially for the hydrological regimes of rivers. Climatic projections predicting up to +5°C warming by 2100, it is essential to evaluate their impacts. Physical-based numerical modeling is an interesting tool to answer these questions. Thus, in order to evaluate the hydrological response to climate change in Siberia we worked on the multi-scale evaluation of energy and water balances with the ORCHIDEE model. This model was adapted to the characteristics of cold environments, with an improvement of the representation of the snow, a consideration of the freezing of the soil water and a map of vegetation more representative of the Siberian vegetation. An evaluation in forced mode i.e. without coupling with the atmosphere was carried out initially. Thus, we evaluated ORCHIDEE at the present time (1979-2009) at the site scale, concentrating on the soil moisture and soil temperature data available. A sensitivity analysis of the model allowed to identify the most influential parameters on the balance of energy and water in the soil. Their on-site calibration allowed to show that the ORCHIDEE model is able to correctly simulate the vertical transfers of heat and water and the resulting water and soil temperature contents. We then extended the evaluation to the Siberian region by comparing simulation results with remote sensing data, allowing an evaluation over a substantial time series and over a large area. We collected a large number of observations such as albedo data, water equivalent for snow ..., on which we compared the simulation results. This work allowed to show that the model simulates satisfactorily the energy and water balance in Siberia, but also to highlight the importance of the choice of climatic forcing. Thus, the use of a second climatic forcing enabled to show the importance of rain/snow partitioning and the possible underestimation of precipitation in forcing. The validated model was then used to carry out impact studies, using 2 climatic forcings on the future time (2005 to 2099) under scenario of emission of greenhouse gases RCP8.5. Thus, we were able to evaluate the variability related to forcing and the impact of climate change on the variables of energy and water balance. A boundary around latitude 60°N has been defined in the analysis of future precipitation and chosen to orient our analysis in two zones on either side of the boundary. We analyzed the seasonal cycles of the surface variables allowing us to highlight the impacts of global warming in relation to the increase in the air temperature and their spatial differences. We have shown that the melting of the snowpack is earlier in the South and generates a temporal advance of the spring flood peak for the Lena and the Amur. On the Ob and Yenisei, changes have also been shown (a decrease in flow over time for the Ob and an increase for the Yenisei, without any change in temporal phasing), which could lead to socio-economic impacts Important for local populations. This study also allowed us to show that the new climatic conditions are more favorable to vegetation. We also showed the coherence of the two climate projections studied

Les trajectoires socio-écologiques des forêts sont considérablement dépendantes des pratiques sylvicoles retenues par leurs gestionnaires. Or, ces choix de gestion sont susceptibles d’évoluer afin de prendre en compte les impacts des dérèglements du climat sur les milieux forestiers. L’objectif des travaux qui suivent est donc de comprendre les évolutions de la gestion forestière induites par les adaptations aux dérèglements climatiques (ACC). Ils se concentrent sur la France métropolitaine, dont les forêts sont l’un des écosystèmes les plus importants – elles en couvrent trois quarts de la surface. Trois thématiques de recherche ont permis de décliner cette problématique : (1) la diversification des ACC (quels biens et services écosystémiques forestiers (BSE) cible-t-elle ?) ; (2) l’importance accordée par les forestiers aux approches techniques, en comparaison des réflexions portant sur l’organisation socio-économique de la gestion forestière ; et enfin (3) l’intégration des dynamiques écologiques dans la conception et la mise en œuvre d’adaptations aux changements climatiques.Chapitre 1 : Recensement, par des enquêtes de terrain, des ACC en forêts privées et publiques. Les adaptations répertoriées concernaient seulement quelques-uns des nombreux BSE forestiers, au premier rang desquels la production de bois, le stockage de carbone et la préservation des habitats naturels. Ces adaptations étaient avant tout mises en place pour répondre à des aléas climatiques déjà vécus par les forestiers. Surtout, ces adaptations relevaient d’évolutions des techniques sylvicoles, où les humains interviennent sur le socio-écosystème forestier, en modifiant les composantes naturelles.Chapitre 2 : J’ai étudié le financement public des projets de recherche portant simultanément sur les changements climatiques et sur la foresterie. J’ai montré qu’une des causes du manque de considération des aspects socio-économiques de l’ACC provient de la prééminence de recherches techniques, très peu tournées vers les services écosystémiques socio-culturels, de régulation ou de soutien.Chapitre 3 : Retour au terrain, pour une étude de cas sur le paiement pour stockage de carbone. J’ai mis en relief comment la diversification des revenus engendrée par ce type d’innovation est un moyen indirect pour les forestiers de s’adapter aux changements climatiques, en diminuant leur dépendance à une production ligneuse fortement menacée par les dérèglements climatiques. Les atouts, mais aussi certaines limites techniques et conséquences socio-économiques de cette approche ont été soulignés.Chapitre 4 : Synthèse des apprentissages des chapitres précédents, grâce à la création d’une simulation participative de gestion forestière. Dans Foster Forest, divers acteurs de la gestion forestière sont plongés dans un scénario de fort changement climatique. Pour mener à bien leur propre mission, ils disposent d’une panoplie de pratiques sylvicoles inspirée de pratiques usuelles, mais qui ne suffisent pas à faire face aux perturbations climatiques. Pour compenser, les participants ont toute liberté de proposer des changements des règles du jeu afin de faire évoluer l’organisation socio-économique de leurs activités forestières. La dizaine d’applications de cette simulation participative, dans différentes régions françaises, a permis de confirmer les résultats des chapitres précédents. Les parties jouées ont aussi apporté un éclairage sur l’importance des structures d’animation territoriale dans l’élaboration de projets d’adaptations, à des échelles complémentaires des seules visions « à la parcelle »
Adapting forest management to climate change (CC) is a key issue, as forests are crucial for mitigation policies and the provision of many ecosystem services (ES). Understanding the magnitude of the progress made in this respect can help shape further adaptation developments and avoid the putative maladaptive side effects of forest management evolutions. Here, I aim to bridge the knowledge gap of adaptation implementation in French forests.Chapter 1: Based on semi-structured interviews with foresters, my findings highlight unprecedented aspects of adaptations: (i) a focus on productive ES at the expense of other essential services such as water supply or natural habitats; (ii) adaptations rely on technical changes in forest management and do not deal with climate impacts through organizational or economic tools; and (iii) envisaging ecological processes through adaptations is instrumental and limited to small spatial and temporal scales. My results also extend the existing body of knowledge to the framework of forest management: (i) CC is not the main driver of forestry changes; (ii) extreme events are windows of opportunity to stimulate adaptive changes; and (iii) proactive adaptation to unexperienced hazards is very weak.Chapter 2: Assessment of the diversity of research projects in the forest sciences focusing on CC. I categorized projects according to discipline and main focus, using data from the online description of French public calls for proposals and from selected projects. Since 1997, mitigation research has gradually given way to adaptation. Despite pledges for the inclusion of social sciences, research rarely draws on the social sciences and focuses on ES of economic interest. Biomass production is paramount, being addressed either directly or through projects on tree species of industrial interest. Hence, instead of a diverse search for adaptation strategies, climate research is geared toward a few ES. Without denying the need for timber and biofuel production, I encourage public funders to complement current calls for proposals with more diverse approaches beneficial for both biomass production and other ES.Chapter 3: I study how multiple mechanisms for the mitigation of CC have been developed, drawing on a combination of reducing and offsetting greenhouse gas (GHG) emissions. While mechanisms are mandatory for certain economic sectors, some business that are not required to mitigate their GHG emissions would nevertheless like to do so. I examine two study cases in France to analyze how public and private foresters seized this opportunity to obtain complementary funding from such companies for forestry operations. I focus on offset contracts issued by associations linking public sector forestry agencies, forest landowners, and offset funders. Carbon mitigation was a reason shared by all contractors to commit to the agreement, although it concealed multifarious motivations. Hence, I argue that voluntary offset contracts act like a Trojan horse by enabling foresters to dialogue with entities that would otherwise not be interested in supporting forest management. Regional embedding was crucial to overcoming the mitigation challenges.Chapter 4: To gain insight on how can socio-economic adaptive tools complement technical evolutions of forestry, I designed Foster Forest, a participatory simulation of forest management. It combines a role-playing game, an agent-based model, and a scenario of CC with high uncertainties. Drawing from multiple applications in French regions, I show that climate change is not a short-term matter of concern for private and public foresters. I analyze the emergence of socio-economic changes (mainly payment for carbon storage) in the provision of ES, and participants’ negotiations to spontaneously change the simulation rules. I also highlight how collective adaptive action was steered by stakeholders with a public interest role

Ce travail est base sur l'utilisation du modele d'evolution du manteau neigeux crocus et du systeme d'analyse des conditions meteorologiques adapte au relief safran. Ces deux outils, une fois valides ont permis de simuler la climatologie nivale actuelle. Des tests de sensibilite a des variations simples des parametres meteorologiques ont ete effectues et ont montre la forte sensibilite du manteauneigeux a toute variation du climat. Pour prendre en compte de facon satisfaisante les scenarios climatiques issus des modeles de circulation generale, une methode de regionalisation adaptee a ete developpee. Elle a ete appliquee a plusieurs simulations correspondant a un doublement du gaz carbonique dans l'atmosphere realisees avec arpege/climat

Dans les hautes vallées alpines, on observe des conflits d'intérêts entre l'économie du ski et les objectifs de préservation de la biodiversité dans le cadre du changement climatique global. Les enjeux sont importants et la concertation en matière d'aménagement devient très difficile Nous avons cherché à développer une méthodologie et un instrument d'aide à la concertation par heuristique visuelle. L'expérimentation de cet instrument est conduite sur le territoire de la Savoie et de la Haute Savoie. Cette thèse se développe en trois temps. Le premier temps définit le contexte général du changement climatique d'un point de vue global. Nous établissons ensuite un changement d'échelle pour nous rapprocher de l'échelon local. Il s'agit d'identifier les mécanismes d'émergence des conflits d'intérêts en fonction des enjeux simultanés économie du ski/préservation de la biodiversité. Le second temps développe une méthodologie pour aider la concertation autour de ce type de conflits par simulation interactive. C'est l'approche par heuristique visuelle. Nous montrons comment, une base de données doit être conçue, pour permettre la mise en œuvre de ce concept. Nous définissons également les types d'outils qui doivent être utilisés ainsi que leurs agencements pour la construction de l'environnement de simulation. Cette partie propose également une stratégie particulière d'amélioration de l'information continue quand il apparaît un besoin d'interpolation sur un faible jeu de données. Enfin, le dernier temps développe l'expérimentation sur notre terrain d'étude.

La vitesse de surrection du l’Himalaya et du plateau tibétain tout au long du Cénozoïque reste encore aujourd’hui largement débattue. L’analyse des isotopes stables de l’oxygène pour reconstruire les paléo-altitudes est considérée comme une technique très efficace et a été largement utilisée. Néanmoins, cette méthode a deux limites principales: 1) les relations entre δ18O et climat ne sont pas bien établies et 2) le climat Cénozoïque en Asie est mal contraint. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le lien entre la surrection des montagnes, les changements climatiques associés et le δ18O dans la paléo-précipitation. Nous utilisons le modèle de circulation générale atmosphérique isotopique LMDZ-iso. Nos simulations climatiques montrent que le retrait de la Paratéthys, le déplacement latitudinal de l’Inde et l’altitude du plateau tibétain contrôlent les précipitations et la variabilité de la mousson en Asie. Afin de comprendre où et comment ces changements climatiques liés à la surrection des montagnes affectent le δ18O, nous avons proposé une expression théorique de la composition isotopique des précipitations fondée sur la distillation de Rayleigh. Nous avons montré que seulement 40 % des sites échantillonnés de l’Himalaya et du plateau tibétain contiennent une signature isotopique représentant la topographie. Les résultats obtenus dans cette étude montrent que l’Himalaya pourrait avoir atteint son altitude actuelle plus tardivement que précédemment proposé. Des conditions aux limites réalistes nous permettent de reconstruire le δ18O des paléo-précipitations pour quatre époques du Cénozoïque (55, 42, 30 et 15 Ma). Dans la mesure où les reconstructions des paléo-altitudes sont particulièrement controversées pour les premières étapes de l’évolution du plateau tibétain, nous avons ensuite approfondi notre étude en nous focalisant sur l’Eocène (en utilisant une paléogéographie qui correspond à 42 Ma). Pour ce cas, nous montrons que le δ18O des précipitations est insensible à l’altitude en Asie, tandis que le δ18O dans les archives naturelles (carbonates) enregistre le signal de la paléo-élévation puisque le fractionnement entre la calcite et l’eau est sensible à la température, qui elle-même dépend en partie de l’altitude. La comparaison du δ18O simulé pour l’Eocène avec les données du δ18O mesuré dans les carbonates suggère que, pendant l’Eocène, l’Himalaya et le plateau tibétain n’avaient pas encore atteint leur élévation actuelle (> 3000 m)
The timing and rate of surface elevations of the Himalayas and the Tibetan Plateau remain controversial and their impact on Asian climate and the onset of monsoon systems in this area is highly debated. Stable oxygen paleoaltimetry is considered to be a very efficient and widely applied technique, but has limitations from two sides: 1) the link between stable oxygen composition of precipitation and climate is not well established, 2) Cenozoic climate over Asia is poorly reconstructed. With a purpose of filling the gap in our knowledge of climate variability over Asia during the Cenozoic, we use the isotope-enabled atmospheric general circulation model LMDZ-iso to understand the links between the growth of mountains, associated climate changes and δ18O in paleo-precipitation. Our results show a significant influence of the Paratethys retreat, the latitudinal displacement of India and the height of the Tibetan Plateau on Asian hydrological cycle. For the purpose of understanding where and how the climatic changes linked with the growth of mountains affect δ18O in precipitation, we develop a theoretical expression for the precipitation composition based on the Rayleigh distillation and show that only 40% of sampled sites for paleoaltimetry depict signal attributed to topography changes. We conclude that the Himalayas may have attained their current elevation later than expected. Realistic Cenozoic boundary conditions allow us reconstructing δ18O in paleoprecipitation for several periods during the Cenozoic (for 55 Ma, 42 Ma, 30 Ma and 15 Ma). The focus has been put on the Eocene (42 Ma), since paleoelevation reconstructions are particularly controversial for this time. We show that Eocene precipitation δ18O is rather insensitive to topographic height in Asia. However, carbonate δ18O still records paleo-elevation because the fractionation between calcite and water is sensitive to temperature, which partly depends on altitude. Comparison of simulated Eocene δ18O patterns with data from the carbonate archives suggest that the Himalayas and the Tibetan Plateau did not reach present-day (> 3000 m) elevations during the Eocene