Dissertations / Theses: 'Modèle de climat global'

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Guilbon, Sabrina. "Développement d'un modèle microphysique de nuages pour un modèle de climat global vénusien." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLV006/document.

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Abstract:

Les conditions à la surface de Vénus sont infernales : température de plus de 400 C, pression atmosphérique 90 fois celle sur Terre dans une atmosphère composée à 96 % de dioxyde de carbone. Une particularité de cette planète est la couche opaque nuageuse de 20 km d'épaisseur qui couvre toute la planète. Les nuages ont un rôle crucial pour le transfert de rayonnement, la dynamique atmosphérique, dans le cycle de certaines espèces chimiques comme le soufre et plus généralement pour le climat de Vénus. Malgré de nombreuses missions spatiales consacrées à cet astre depuis 1961, il y a peu de mesures in-situ. Les couches basses des nuages sont diciles à étudier par satellite, par conséquent il existe encore de nombreuses questions au sujet des nuages : leurs propriétés et leurs impacts radiatifs, dynamiques et chimiques sont mal contraints. Composées majoritairement d'acide sulfurique en solution, les particules sont supposées sphériques et liquides et composent des nuages étalés verticalement entre 50 et 70 km d'altitude environ, entourés par des brumes entre 30 et 50 km et au-dessus de 70 km. Les gouttelettes ont été classées, d'après des observations, en trois modes en fonction de leur taille et de leur composition : les modes 1 et 2 respectivement pour les petites (r = 0.2 μm) et moyennes particules (r = 1.0 μm), et un troisième mode qui contiendrait les plus grandes particules (r = 3.5 μm). Ce dernier mode, qui a été détecté par la sonde Pioneer Venus, demeure de composition et d'existence incertaines, et il n'est pas pris en compte dans notre étude. Afin de compléter et de mieux comprendre les données obtenues par l'observation spatiale, un modèle modal de microphysique, nommé MADMuphy (Modal Aerosol Dynamics with Microphysics), a été développé. L'objectif est d'intégrer MAD-Muphy dans le modèle de climat global vénusien (IPSL-VGCM), il faut donc limiter le nombre de variables que le VGCM doit suivre dans le temps et l'espace (également appelé traceurs). La méthode des moments est déjà utilisée dans les GCM de Titan et de Mars et constitue un bon compromis entre la précision des résultats et le temps de calcul. MAD-Muphy est donc basé sur cette représentation pour une pression et une température dé nies pour une couche de l'atmosphère (ou 0D). La thèse présentée ici détaille le développement des expressions mathématiques des équations de la microphysique avec les moments, présente le nouveau modèle MAD-Muphy ainsi que les hypothèses qui ont été nécessaires pour son développement. Tout d'abord, nous déterminerons le temps caractéristique de chaque processus microphysique et nous étudierons leur comportement en 0D. Ensuite, nos résultats seront comparés avec ceux du modèle sectionné SALSA en 0D
The conditions on the surface of Venus are infernal: temperature of more than 400 C, 90 times the Earth's atmospheric pressure in an atmosphere composed of 96 % of carbon dioxide. A distinctive characteristic of this planet is the 20 km thick opaque cloud layer, which enshrouds the planet. Clouds have a crucial role in radiative transfer, atmospheric dynamics, in the cycle of some chemical species like sulphur and more generally in the climate of Venus. Despite the numerous space missions devoted to this object since 1961, there are few in-situ measurements. The lower cloud layers are di cult to study by satellite, so there are still many questions about clouds: their properties and their radiative, dynamic and chemical impacts are poorly constrained. Predominantly composed of sulphuric acid solution, the particles are supposed to be spherical and liquid and compose the clouds that are vertically spread between approximately 50 and 70 km of altitude, surrounded by hazes between approximately 30 and 50 km and above 70 km. Based on observations the droplets have been classied into three modes according to their size and composition: modes 1 and 2 respectively for small (r = 0.2 μm) and medium particles (r = 1.0 μm), and a third mode that would contain the largest particles (r = 3.5 μm). The latter mode, which has been detected by the Pioneer Venus probe, remains uncertain in composition and existence, and is not taken into account in our study. To complete and better understand the observational data, a modal microphysical model, called MAD-Muphy (Modal Aerosol Dynamics with Microphysics), has been developed. The goal is to integrate MAD-Muphy into the venusian global climate model (IPSL-VGCM), so we must limit the number of variables that the VGCM must follow in time and space (also called tracers). The moment method is already used in the Titan and Mars GCMs and is a good compromise between the accuracy of the results and the computation time. MAD-Muphy is the refore based on this representation for a pressure and a temperature of one atmospheric layer (or 0D). The thesis presented here details the derivation of the mathematical expressions of the microphysical equations with moments, presents the new MAD-Muphy model as well as the hypotheses that were necessary for its development. We will first determine the characteristic timescale of each microphysical process and we will study their behaviour in 0D. Then, our results will be compared with those of the SALSA sectional model in 0D

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Beaumet, Julien. "Changement climatique en Antarctique : études à l'aide d'un modèle atmosphérique de circulation générale à haute résolution régionale." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAU050/document.

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Abstract:

L'augmentation du bilan de masse en surface de la calotte polaire Antarctique causée par celle des chutes de neige est la seule contribution négative à l'élévation du niveau de mer attendue dans le courant du 21ème siècle dans le cadre du réchauffement climatique causé par les activités humaines. La régionalisation dynamique de projections climatiques issues de modèles couplés océans-atmosphère est la méthode la plus couramment utilisée pour estimer les variations futures du climat Antarctique. Néanmoins, de nombreuses incertitudes subsistent suite à l'application de ces méthodes, en particulier en raison des biais conséquents sur les conditions océaniques de surface et sur la circulation atmosphérique aux hautes latitudes de l’Hémisphère Sud dans les modèles couplés.Dans la première partie de ce travail, différentes méthodes de corrections de biais des conditions océanique de surface ont été évaluées. Les résultats ont permis de retenir une méthode quantile-quantile pour la température de surface de l'océan et une méthode d'analogues pour la concentration en glace de mer. En raison de la forte sensibilité du climat future Antarctique aux variations de couverture de glace de mer dans l'Océan Austral, les conditions océaniques issues de deux modèles couplés, NorESM1-M et MIROC-ESM, présentant des diminutions d’étendues de glace de mer hivernales largement différentes (-14 et -45%) ont été retenues. Les conditions océaniques provenant d'un scénario RCP8.5 de ces deux modèles ont été corrigées afin de forcer le modèle atmosphérique global ARPEGE.Par la suite, ARPEGE a été utilisé dans une configuration grille-étirée, permettant d'atteindre une résolution horizontale de 40 kilomètres sur l'Antarctique. Il a été contraint aux limites par les conditions océaniques de surface observées et celles issues des simulations historiques des modèles NorESM1-M et MIROC-ESM pour la période récente (1981-2010). Pour la fin du 21ème siècle (2071-2100), les forçages océaniques originaux et corrigés issus de ces deux derniers modèles ont été utilisés. L'évaluation pour le présent a permis de mettre en évidence, la capacité du modèle ARPEGE de reproduire le climat et le bilan de masse de surface Antarctique ainsi que la persistance d'erreurs substantielles sur la circulation atmosphérique y compris dans la simulation forcée par les conditions océaniques observées. Pour le climat futur, l'utilisation des forçages océaniques MIROC-ESM corrigés a engendré des augmentations supplémentaires significatives à l'échelle continentale pour les températures hivernales et le bilan de masse annuel.Enfin, ARPEGE a été corrigé en ligne, à l'aide d'une climatologie des termes de rappel du modèle issus d'une simulation guidée par les réanalyses climatologiques. L'application de cette méthode sur la période récente a très largement amélioré la modélisation de la circulation atmosphérique et du climat de surface Antarctique. L'application pour le climat futur suggère des augmentations de températures (+0.7 à +0.9 C) et de précipitations (+6 à +9%) supplémentaires par rapport à celles issues des scénarios réalisés sans correction atmosphérique. Le forçage de modèles climatiques régionaux ou de dynamique glaciaire avec les scénarios ARPEGE corrigés est à explorer au regard des impacts potentiellement importants pour la calotte Antarctique et sa contribution à l'élévation du niveau des mers
The increase of the Antarctic ice-sheet surface mass balance due to rise in snowfall is the only expected negative contribution to sea-level rise in the course of the 21st century within the context of global warming induced by mankind. Dynamical downscaling of climate projections provided by coupled ocean-atmosphere models is the most commonly used method to assess the future evolution of the Antarctic climate. Nevertheless, large uncertainties remain in the application of this method, particularly because of large biases in coupled models for oceanic surface conditions and atmospheric large-scale circulation at Southern Hemisphere high latitudes.In the first part of this work, different bias-correction methods for oceanic surface conditions have been evaluated. The results have allowed to select a quantile-quantile method for sea surface temperature and an analog method for sea-ice concentration. Because of the strong sensitivity of Antarctic surface climate to the variations of sea-ice extents in the Southern Ocean, oceanic surface conditions provided by two coupled models, NorESM1-M and MIROC-ESM, showing clearly different trends (respectively -14 and -45%) on winter sea-ice extent have been selected. Oceanic surface conditions of the ``business as usual" scenario (RCP8.5) coming from these two models have been corrected in order to force the global atmospheric model ARPEGE.In the following, ARPEGE has been used in a stretched-grid configuration, allowing to reach an horizontal resolution around 40 kilometers on Antarctica. For historical climate (1981-2010), the model was driven by observed oceanic surface conditions as well as by those from MIROC-ESM and NorESM1-M historical simulation. For late 21st century (2071-2100), original and bias corrected oceanic conditions from the latter two model have been used. The evaluation for present climate has evidenced excellent ARPEGE skills for surface climate and surface mass balance as well as large remaining errors on large-scale atmospheric circulation even when using observed oceanic surface conditions. For future climate, the use of bias-corrected MIROC-ESM oceanic forcings has yielded an additionally significant increase in winter temperatures and in annual surface mass balance at the continent-scale.In the end, ARPEGE has been corrected at run-time using a climatology of tendency errors coming from an ARPEGE simulation driven by climate reanalyses. The application of this method for present climate has dramatically improved the modelling of the atmospheric circulation and antarctic surface climate. The application for the future suggests significant additional warming (~ 0.7 to +0.9 C) and increase in precipitation (~ +6 to +9 %) with respect to the scenarios realized without atmospheric bias correction. Driving regional climate models or ice dynamics model with corrected ARPEGE scenarios is to explored in regards of the potentially large-impacts on the Antarctic ice-sheet and its contribution to sea-level rise

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Van, Aalderen Victor. "Modéliser l'évolution du climat global et de la calotte eurasienne pendant la dernière déglaciation." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2023. http://www.theses.fr/2023UPASJ029.

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Abstract:

La calotte marine de l'Antarctique de l'Ouest présente la particularité d'être en grande partie en contact avec l'océan. Les dernières observations révèlent une accélération de sa perte de masse sur les dernières décennies, essentiellement provoquée par l'augmentation de la fonte sous les plateformes de glace flottante. En revanche, son évolution future reste très incertaine, du fait de notre mauvaise compréhension des processus physiques mis en jeu entre la calotte et l'océan.La dernière déglaciation (-21 000 - -11 000 ans), constitue l'un des changements climatiques majeurs les plus récents de notre histoire. Cette période est marquée par une augmentation des températures atmosphériques globales et la disparition des calottes nord-américaine et eurasienne. L'étude de la calotte marine de Barents-Kara (BKIS), qui couvrait les mers de Barents et de Kara au Dernier Maximum Glaciaire (DMG, -21 000 ans) et faisait partie intégrante de la calotte eurasienne, revêt un intérêt particulier en raison de ses caractéristiques communes avec l'Antarctique de l'Ouest actuel. Identifier les mécanismes responsables de son recul permet de fournir des informations pour mieux comprendre le comportement de l'Antarctique de l'Ouest dans des contextes climatiques actuel et futur.L'impact du climat sur l'évolution d'une calotte marine dépend de deux processus principaux : le bilan de masse de surface, influencé par les températures atmosphériques et précipitations, ainsi que la fonte sous la glace flottante, liée aux températures océaniques et la salinité. Pour identifier les mécanismes ayant initié la fonte de BKIS, j'ai utilisé le modèle de glace GRISLI2.0 afin d'analyser la réponse de cette calotte à des perturbations du climat au DMG. Cette étude a mis en évidence le rôle déterminant des températures atmosphériques dans le déclenchement de la fonte de la calotte via la fonte de surface, tandis que les températures océaniques n'ont eu qu'un impact limité malgré une grande partie de la calotte BKIS en contact avec l'océan. J'ai aussi identifié que la fonte totale BKIS pouvait être attribuée à une instabilité mécanique à la ligne d'échouage, provoquée par une diminution de l'épaisseur de glace dû à une augmentation de la fonte de surface. Afin de mieux comprendre l'impact des calottes sur le climat global, j'ai également réalisé la première simulation transitoire de la dernière déglaciation avec le modèle IPSL-CM5A2 en modifiant à certaines périodes clés la géométrie des calottes de glace donnée par la reconstruction GLAC-1D. Les simulations montrent une tendance du réchauffement en accord avec les reconstructions, notamment lors du MWP1A caractérisé par une augmentation abrupte des températures atmosphériques. A partir d'expériences de sensibilité, j'ai mis en évidence que les changements de géométrie des calottes glaciaires ont participé à l'augmentation des températures atmosphérique via les rétroactions température-altitude et l'effet d'albédo. Par ailleurs, j'ai aussi montré que la dynamique océanique a été notablement perturbée par les flux d'eau douce issus de la fonte des calottes. Ce phénomène a conduit à une atténuation de l'intensité de la circulation méridienne de retournement de l'Atlantique et à une réduction de sa profondeur de plongée, entraînant un ralentissement du réchauffement, principalement dans l'Atlantique Nord. De plus, les expériences IPSL-CM5A2 simulent toutes un arrêt de la circulation des eaux de fond antarctiques au début du MWP1A, entraînant un refroidissement significatif d'une centaine d'années dans la mer d'Amundsen, suivi d'une réactivation de cette même circulation. Ces travaux contribuent ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes complexes régissant la dynamique des calottes glaciaires et de leur interaction avec le climat, tout en offrant des éléments de réponse pour anticiper les conséquences des changements climatiques actuels et futurs, notamment en ce qui concerne l'Antarctique de l'Ouest
The marine West Antarctic ice sheet is characterized by being largely in contact with the ocean. The latest observations reveal an acceleration in its mass loss over the last few decades, mainly due to increased melting under floating ice shelves. However, its future evolution remains highly uncertain, due to our poor understanding of the physical processes at play between the ice sheet and the ocean.The last deglaciation (21 ka-11 ka) is one of the most recent major climatic changes in our history. This period is marked by an increase in global atmospheric temperatures and the melting of the North American and Eurasian ice sheets. The study of the Barents-Kara Ice Sheet (BKIS), which covered the Barents and Kara Seas during the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) and was an integral part of the Eurasian Ice Sheet, is of particular interest because of its common features with present-day West Antarctica. Identifying the mechanisms responsible for its retreat allows to provide information to better understand the West Antarctic behavior within under present and future climatic conditions.The impact of climate on the evolution of a marine ice sheet depends on two main processes: The surface mass balance, depending on atmospheric temperatures and precipitation, and melting under floating ice, related to oceanic temperatures and salinity. In order to identify the mechanisms triggering the BKIS retreat, I used the GRISLI2.0 ice-sheet model to analyse the ice-sheet response to climate perturbations at the LGM. This study highlighted the key role of atmospheric temperatures in triggering the melting of the ice sheet via surface melting, while ocean temperatures had only a limited impact despite a large part of BKIS being in contact with the ocean. I also identified that the total retreat of BKIS could be attributed to a mechanical instability at the grounding line, caused by a decrease in ice thickness resulting from an increase in surface melting.In order to better understand the impact of ice sheets on the global climate, I have also carried out the first transient simulation of the last deglaciation with the IPSL-CM5A2 model, modifying the geometry of the ice sheets provided by the GLAC-1D reconstruction at some key periods. The simulations show a warming trend in line with the reconstructions, particularly during MWP1A, which was characterised by an abrupt rise in atmospheric temperatures. Using sensitivity experiments, I have shown that changes in the ice sheet geometry have contributed to the increase in atmospheric temperatures via temperature-altitude feedbacks and the albedo effect. Moreover, I have shown that ocean dynamics have been significantly altered by freshwater fluxes from the melting ice sheets. This has led to a weakening of the strength of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and a reduction of its deepening, resulting in a warming slowdown, mainly located in the North Atlantic Ocean. In addition, the IPSL-CM5A2 experiments all simulate a shutdown of the Antarctic bottom water circulation at the onset of MWP1A, leading to a significant cooling of about 100 years in the Amundsen Sea, followed by a restart of this circulation.This work is contributing to a better understanding of the complex mechanisms governing the dynamics of the ice sheets and their interaction with the climate, while also providing a basis for anticipating the consequences of current and future climate change, particularly in West Antarctica

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Qasmi, Saïd. "Sensibilité du climat européen à la variabilité multidécennale de l'Atlantique Nord." Thesis, Toulouse 3, 2018. http://www.theses.fr/2018TOU30367.

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Abstract:

La tendance au réchauffement d'origine anthropique observée au cours du XXè siècle en Europe est ponctuée par des fluctuations expliquées en partie par la variabilité interne du climat. Les mécanismes physiques entre la Variabilité Atlantique Multidécennale (AMV), dont la composante interne module une partie de la variabilité atmosphérique, et le climat européen sont étudiés dans cette thèse. Une étude des modèles climatiques montre une grande diversité dans la simulation de la téléconnexion entre l'AMV et la température estivale en Europe. La sous-estimation moyenne de son intensité par rapport aux observations contribue notamment à expliquer les incertitudes qui entachent les prévisions décennales du climat. Des expériences numériques utilisées pour isoler les mécanismes d'influence de l'AMV sur le climat européen indiquent que l'AMV est susceptible de significativement moduler la température, les précipitations et l'occurrence d'événements extrêmes, en hiver et en été
The anthropogenic warming trend observed during the 20th century in Europe is characterized by fluctuations, which are partly explained by internal climate variability. The physical mechanisms between the Atlantic Multidecadal Variability (AMV, whose internal component contributes to shape atmospheric variability), and the European climate are investigated in this thesis. A comprehensive study of climate models shows a great diversity in the simulation of the teleconnection between the AMV and European summer temperature. The underestimation of its intensity relative to the observations contributes to explain the uncertainties within the decadal climate predictions. Numerical experiments used to assess the mechanisms of influence of the AMV on the European climate indicate that the AMV is likely to significantly modulate temperature, precipitation and the occurrence of extreme events in winter and summer

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Peaucelle, Marc. "Utilisation des traits fonctionnels au sein d'un modèle global de végétation : analyse de trois approches complémentaires axées sur les écosystèmes forestiers." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2016. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2016PA066238.pdf.

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Abstract:

Dans les modèles globaux de la biosphère continentale, toute la végétation mondiale est généralement représentée par une dizaine de grand groupes fonctionnels (PFT-Plant Functional Type), dont les caractéristiques (traits) sont fixes. Cette rigidité ne permet pas de représenter correctement l'évolution de la végétation face aux pressions environnementales et anthropiques grandissantes, et est à l'origine de nombreuses incertitudes pour l'estimation des cycles bio-géochimiques associés. Trois approches complémentaires axées sur l'utilisation des traits fonctionnels ont été explorées à l'aide du modèle dynamique global de végétation ORCHIDEE afin d'améliorer la représentation des PFTs forestiers. La première approche consiste à augmenter le nombre de PFTs à partir d'une classification hiérarchique des espèces. La seconde approche permet d'extrapoler les traits observés pour chaque PFT existant grâce à des relations empiriques calibrées à partir de plusieurs variables environnementales. La dernière approche utilise la théorie de la coordination de la photosynthèse afin d'estimer des distributions continues de traits en conditions optimales de photosynthèse. En parallèle, cette étude s'interroge sur les capacité d'un modèle global à représenter correctement les traits fonctionnels lorsqu'il est optimisé pour un flux de carbone. L'augmentation du nombre de PFTs permet d'améliorer significativement les caractéristiques et la représentativité spatiale des peuplements simulés de plus de 50 %. Les deux autres approches permettent d'estimer des distributions de traits réalistes et mettent en évidence un rôle ``tampon'' important de la plasticité des traits sur les flux de carbone futurs. Les trois approches abordées ont mis en évidence certaines faiblesses du modèle liées à la représentation de la phénologie, de l'allocation de la biomasse ou encore du stress hydrique pour les conifères. Ces résultats ont menés à la mise en place d'une représentation explicite des processus phénologiques pour les conifères sempervirents dans ORCHIDEE, qui à présent reproduit les dynamiques de LAI observées par télédétection. Enfin, le modèle ORCHIDEE ne peux pas être paramétré avec des observations directes de traits, privilégiant l'approche théorique pour simuler les distributions de traits. Cependant, l'assimilation de données d'observations de flux de carbone permet de faire le lien entre les traits mesurés à l'échelle foliaire et leur intégration à l'échelle de la canopée. Elle permet de retrouver des distributions de traits cohérentes avec les observations, ainsi que des relations trait-trait et trait-environnement qui sont observées à l'échelle foliaire
Earth system models currently use a discretized representation of vegetation, grouping together the whole world species into a dozen of Plant Functional Types (PFT), whose characteristics (traits) are fixed. This rigidity does not allow to accurately represent the evolution of ecosystems and their associated bio-geochemical cycles, while vegetation is facing stronger environnemental and anthropogenic pressures. Three complementary approaches based on functional traits were tested in order to improve the representation of forests in the dynamic global vegetation model ORCHIDEE. Based on a hierarchical classification of species, the first approach is to increase the number of PFTs. The second approach extrapolates observed traits for each PFT from empirical relationships calibrated against different environmental variables. The last one uses the photosynthesis coordination theory which allows the estimation of functional traits in optimal photosynthesis conditions. In addition, this study explores the capacity of a global model to represent functional traits when optimized against a given carbon flux. Increasing the number of PFTs significantly improves the estimations of stand characteristics and their spatial distribution by more than 50 %. The two other approaches managed to reproduce realistics traits distributions and higlighted the ``buffer'' role of traits plasticity on futur carbon fluxes. Some weaknesses of the model linked to phenological processes, biomass allocation or hydric stress, emerged for conifers species. This led to the implementation of an explicit representation of the phenology for evergreen needleleaves PFTs in ORCHIDEE, which can now reproduce the LAI dynamic observed from remote sensing data. Finally, the ORCHIDEE model cannot be calibrated with in situ observations, emphasizing the theoretical approach to simulate continuous traits distributions. However, the assimilation of observed carbon fluxes allows to bridge the gap between traits measured at the leaf scale and the canopy. It reproduced consistent trait distributions with observations, and led to trait-trait and trait-environment relationships similar to those observed at the leaf scale

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Rajaud, Amélie. "Reforester les tropiques semi-arides ? : Enjeux, contraintes et opportunités climatiques dans la perspective du changement global." Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLV066.

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Abstract:

De nombreux projets de protection et de reforestation sont mis en place à l'échelle internationale pour enrayer la déforestation croissante. L'objectif de ce travail de thèse est de mieux caractériser les contraintes et les opportunités de projets de reboisement, pour les régions tropicales semi-arides, particulièrement vulnérables, dans le contexte duchangement climatique global. La revue de littérature (chapitre 1) confirme que les projets de reforestation ayant vocation à atténuer le réchauffement climatique ont plus de chances de réussite sous les latitudes tropicales, où les différents effets de la végétation sur le climat convergent dans ce sens. Entreprise pour satisfaire divers services écosystémiques, la reforestation dans les zones tropicales semi-arides est ainsi porteuse d'effets bénéfiques tant globalement que localement. Cependant, dans ce contexte très limité en eau, l'implantation d'un couvert arboré trop dense pourrait avoir des effets opposés à ceux recherchés à long terme. Dans le chapitre 2, une approche «bioclimatique » est appliquée à un ensemble multi-modèle de projections, pour suivre l'évolution du domaine tropicalsemi-aride global sous l'effet de plusieurs scénarios (RCP) de changement climatique. Ce domaine se maintient en majeure partie dans les conditions futures. Une certaine proportion évolue toutefois vers des conditions soit plus arides (jusqu'à +25% du domaine global) soit plus humides (jusqu'à 11%). Malgré cela, le domaine étudié s'accroît entre ledébut et la fin du 21e siècle, jusqu'à 13% en moyenne (RCP 8.5). Ceci résulte d'un élargissement progressif en-dehors de la ceinture tropicale, corrélé avec le réchauffement global, et cohérent avec l'hypothèse d'un élargissement de la circulation de Hadley. La méthodologie proposée au chapitre 3 a pour objectif d'analyser les implications de cetteévolution sur le potentiel climatique de maintien d'un couvert arboré. L'utilisation d'un modèle global de végétation (ORCHIDEE, développé à l'IPSL) pour simuler ce potentiel permet de prendre en compte de manière mécaniste les facteurs climatiques de la croissance des plantes. Une typologie des profils de résultats délimite des sous-régionscaractérisées chacune par une relation distincte du développement des arbres à la densité du couvert. Les cinq "régimes" de la typologie sont ainsi classés du plus défavorable (régime 1) au plus favorable (régime 5). L'expérience de référence est réalisée à partir de données d'observation (CRU). Le régime 1, caractérisé par l'absence de maintiend'un couvert pour les plus hautes densités arborées, occupe près de la moitié du domaine étudié. Le second régime le plus représenté est le régime 4 (28% du domaine). Plus favorable, il est défini par un développement des arbres élevé, sans être maximal, pour toutes les densités arborées. Le potentiel arboré de chaque régime est caractérisé par sonoptimum : fraction arborée réalisant le meilleur compromis entre productivité du peuplement et développement des arbres. L'application de cette méthodologie à des projections climatiques futures, pour le RCP 8.5, fait l'objet du chapitre 4. Le modèle ORCHIDEE est forcé avec des sorties de modèles de climat, pour le début et la fin du 21esiècle. A la fin du siècle, le régime 1 ne représente plus que 25% du domaine total, en moyenne, tandis que le régime 4 devient prépondérant (49% du domaine). La stabilité du potentiel arboré intrinsèque à chaque régime permet d'interpréter une évolution vers un régime plus ou moins favorable comme une augmentation ou une diminution de cepotentiel. Or celui ne subit pas la diminution générale que l'augmentation de l'aridité laissait présager. Une expérience complémentaire montre que la raison en tient principalement à l'effet de fertilisation du CO2 atmosphérique. L'interprétation de ces résultats montre ainsi que les zones du domaine tropical semi-aride dans lesquelles unereforestation serait à déconseiller sont assez peu étendues
In the face of evergrowing global deforestation, numerous forest protection and restoration projects have been deployed at the international scale. The goal of this thesis is to provide adaptation planning in the vulnerable tropical semi-arid regions with scientific material about reforestation project constraints and opportunities at the global scale, inthe context of climate change. The literature review (chapter 1) confirms that reforestation projects aimed at warmingmitigation hold a better chance of success under tropical lattitudes. Indeed, both biochemical and biophysical effects of the vegetation on climate converge toward a global cooling effect. As reforestation in tropical semi-arid regions aims at satisfying various ecosystemic services, it holds beneficial promises at both the global and the local scale. However, due to scarce water resources, implementing a tree cover in semi-arid conditions could turn out unsustainable in the long run. A bioclimatological is applied, in chapter 2, to a multimodel ensemble of projections in order to draw the evolution of global tropical semi-arid territory under several climate change scenarios (RCP). The present tropical semi-arid territory is expected to remain mostly so in future conditions. However, up to 25% of the this territory on average will evolve towards arider conditions, and up to 11% towards wetter conditions. Nevertheless, the tropical semi-arid territory will increase by the end of the 21st century, by up to 13% on average (RCP 8.5). This increase results from a migration outside of the tropical belt, consistent with the Hadley circulation widening hypothesis under climate change. Chapter 3 proposes a methodology aimed at analysing the implications of this evolution for the climatic potential of tree cover sustainability. The global vegetation model (ORCHIDEE, developed at IPSL), used to simulate this potential, accounts mechanistically for all the climatic factors of the plant's growth. A typology of result profiles from the simulation experiments partitions the territory into subregions characterized by a specific relation between the tree development and the tree cover density: five types range from the least (Type 1) to the most (Type 4) favourable ones. A reference experiment is performed using observational climate data (from the Climatic Research Unit). Covering almost half of the territory, Type 1 is characterized by the impossibility to maintain a tree cover for the highest cover densities. The second type in order of surface occupation is Type 4 (28% of the territory). More favourable, it is characterized by high tree development for any tree cover density. The "tree cover potential" of each type is characterized by its optimum: the tree cover density that realises the best compromise between tree development and total productivity. In Chapter 4, the same methodology is applied to future climate projections for RCP 8.5. The ORCHIDEE model is thus forced with global climate model outputs, for the beginning and the end of the 21st century. By the end of the century, Type 1 represents no more than 25% of the tropical semi-arid territory on average, while Type 4 becomes the dominant one (49% of the territory). Because of the stability of the tree cover potential whithin each type, the evolution toward a more or less favourable type can be directly interpreted in terms of an increasing or a decreasing potential. The results show that the tree cover potential in the tropical semi-arid territory does not systematically suffer from the general decrease that could be expected from increasing aridity. A complementary experiment suggests that the main reason for this result lies is the atmospheric CO2 fertilization effect. Interpreting these results for reforestation strategy recommandations, suggests that, for the long term, areas of the tropical semi-arid territory where reforestation would be advised against are overall relatively small

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Tang, Chao. "Model estimations of possible climate changes of surface solar radiation at regional scales over Southern Africa and the South West Indian Ocean." Thesis, La Réunion, 2017. http://www.theses.fr/2017LARE0055/document.

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Les variations du rayonnement solaire en surface (SSR) peuvent avoir un impact significatif sur divers aspects du système climatique, et notamment sur le développement socio-économique d’un pays. Pour identifier les impacts possibles du changement climatique sur le rayonnement solaire en surface à l'échelle régionale (~ 50 km) en Afrique australe jusqu'à la fin du 21ème siècle, on a analysé les données mensuelles produites dans le cadre du projet CORDEX-Afrique sur la période 1979-2099. Ces données sont issues des sorties de 5 modèles régionaux de climat (RCM) forcés par 10 modèles globaux de climat (GCM) CMIP5, pour deux scénarios d’émissions, RCP4.5 et RCP8.5, en Afrique australe (SA) et sur une partie du SWIO (0-40°S ; 0- 60°E). Pour contribuer au projet futur proposé qui vise à approfondir l'étude des changements de SSR à l'échelle locale (~ 1 km de résolution horizontale) à l'île de la Réunion et à l'île Maurice, situées dans le Sud-ouest de l'océan Indien (SWIO), près du bord d’Est du domaine CORDEX-Afrique, des simulations climatiques ont été réalisées sur trois fenêtres temporelles de 10 ans : a) le passé 1996-2005 ; et b) le futur 2046-2055 et 2090-2099, en utilisant la version 4 du RCM RegCM (RegCM4), forcé par : 1) les réanalyses climatiques ERA-Interim (ERAINT) du centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) pour simuler un passé récent seulement ; et 2) deux GCMs (HadGEM2-ES et GFDL-ESM2M) de l’exercice CMIP5 de simulations du climat passé et futur pour le scénario d’émissions RCP8.5 à l’échelle régionale de 50km en Afrique australe et dans le sud-ouest de l’océan Indien (0-40°S ; 0- 100°E). L’analyse de l’impact du changement climatique sur le SSR sur la base de ces simulations reste cependant limitée, à cause de leur couverture temporelle (3 périodes de 10 ans) et du nombre de modèles (2 GCMs, 1 RCM) et de scénarios (1 RCP) utilisés. Il ressort de l’analyse des simulations de l’ensemble CORDEX-Afrique que : 1) sur la période passée récente, les GCMs forceurs surestiment généralement SSR d'environ 1 W/m2 en été austral (DJF : Décembre-Janvier-Février), et de 7,5 W/m2 en hiver austral (JJA : Juin-Juillet-Août), tandis que les RCMs, forcés par ces GCMs, sous-estiment SSR d'environ -32 W/m2 et de -14 W/m2 en été et en hiver, respectivement. 2) Les projections multi-modèles de changement de SSR simulées par les RCMs et leurs GCMs forceurs sont assez cohérentes. Les GCMs prévoient, en moyenne multi-modèles, une augmentation statistiquement significative de SSR d'environ 8 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et de 12 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP8.5 sur le Centre de l’Afrique australe (SA-C), et une diminution de SSR, avec un degré de confiance élevé, d'environ -5 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et de -10 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP8.5, pendant la saison DJF, en Afrique équatoriale (EA-E). Dans ces deux régions, les RCMs produisent, en moyenne multi-modèles, des tendances similaires (avec un degré de confiance élevé) à celles des GCMs, mais sur des zones d’extension spatiale plus faible que celle des GCMs. Cependant, pour la saison JJA, une augmentation de SSR, d'amplitude similaire dans les simulations GCMs et RCMs (~5 W/m2 en 2099 selon le scénario RCP4.5 et 10 W/m2 selon le scénario RCP8.5), est attendue dans la région EA-E. 3). Une diminution significative de la nébulosité (environ -6% en 2099) est attendue sur le continent sud-africain pour les GCMs comme pour les RCMs. 4) Le scénario RCP8.5 produit des changements d’amplitude supérieure de 2.5W/m2 pour les GCMs forceurs et de 5W/m2 pour les RCMs en 2099 à celle pour le scénario RCP4.5. 5). Comme pour les sorties du modèle RegCM4, les structures des biais ou des changements de SSR issu des RCMs du programme CORDEX-Afrique sont globalement corrélées avec celles de couverture nuageuse totale des RCMs. L’analyse des sorties du modèle RegCM4 indique que :
Changes in Surface Solar Radiation (SSR) have the potential to significantly impact diverse aspects of the climate system, and notably the socio-economic development of any nation. To identify the possible impacts of climate change on SSR at regional scales (~50 km) over Southern Africa and the South West Indian Ocean (SA-SWIO; 0-40°S ; 0- 100°E) up to the end of the 21st century, a slice downscaling experiment consisting of simulations covering three temporal windows: a) the present 1996-2005; b) the future 2046-2055 and 2090-2099 conducted with the Regional Climate Model (RCM) RegCM version 4, driven by the European Center for Medium-range Weather Forecasting (ECMWF) ERA-Interim reanalysis (ERAINT, only present) and 2 Global Climate Model (GCMs: HadGEM2-ES and GFDL-ESM2M) from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) under RCP8.5 scenario, are performed and evaluated. Since the slice simulation is of limited temporal coverage, number of regional and driven global models and climate change forcings, mainly because of the limit of available computational resources, the study towards a comprehensive knowledge of SSR changes in context of climate change is thus extended: an ensemble consisting of outputs from 20 regional climate downscaling realisations based on 5 RCMs that participated in the Coordinated Regional Downscaling Experiment (CORDEX) program (CORDEX-Africa) along with their 10 driving GCMs from CMIP5 covering southern Africa (0-40°S; 0- 100°E) during the period of 1990-2099 is analyzed under RCP4.5 and RCP8.5 up to 2099.The slice experiment indicates that 1) RegCM4 simulates present-day seasonal climatology, (surface air temperature, precipitation and SSR) quite well, but has a negative total cloud cover bias (about -20% in absolute percentage) when forced by the ERAINT and the two GCMs. 2) Internal variability of RegCM4-simulated annual means SSR (about 0.2 W/m2) is of one order smaller than the model bias compared with reference data. 3) RegCM4 simulates SSR changes in opposite signs when driven by the different GCMs under RCP8.5 scenario. 4) Electricity potential calculated using first-order estimation based on the RegCM simulations indicates a change less then 2% to 2099 with respect on present level.It is also found from the ensemble study that: 1) GCMs ensemble generally overestimates SSR by about 1 W/m2 in austral summer (December, January, and February, short as DJF) and 7.5 W/m2 in austral winter (June, July and August, short as JJA), while RCMs ensemble mean shows underestimations of SSR by about -32 W/m2 and -14 W/m2 in summer and winter seasons respectively when driven by GCMs. 2) Multi-model mean projections of SSR change patterns simulated by the GCMs and their embedded RCMs are fairly consistent. 3) GCMs project, in their multi-model means, a statistically significant increase of SSR of about 8 W/m2 in RCP4.5 and 12 W/m2 in RCP8.5 by 2099 over Centre Southern Africa (SA-C) and a highly confident decreasing SSR over Eastern Equatorial Africa (EA-E) of about -5 W/m2 in RCP4.5 and -10 W/m2 in RCP8.5 during the DJF season. RCMs simulate SSR change with statistical confidence over SA-C and EA-E area as well with a little spatial extension compared to GCMs. However, in the JJA season, an increase of SSR is found over EA-E of about 5 W/m2 by 2099 under RCP4.5 and 10 W/m2 under RCP8.5, of similar amplitudes in both the GCMs and RCMs simulations. 4) Significant cloudiness decrease (about -6 % to 2099) is found over continent of SA for GCMs and also shown in RCMs. 5) Larger SSR changes are found in the RCP8.5 scenario than in the RCP4.5 scenario in 2099, with about 2.5 W/m2 enhanced changes in GCMs and about 5 W/m2 in RCMs. 6) Either the biases or the changes pattern of SSR are overall correlated with the patterns of total cloud cover from RCMs in CORDEX-Africa program (for RegCM4 as well). The slice experiment indicates that

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Le, Clainche Yvonnick. "Etude du couplage océan-glace-atmosphère et de l'impact de la glace de mer sur le climat des hautes latitudes." Paris 6, 2000. http://www.theses.fr/2000PA066274.

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Peaucelle, Marc. "Utilisation des traits fonctionnels au sein d'un modèle global de végétation : analyse de trois approches complémentaires axées sur les écosystèmes forestiers." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066238/document.

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Abstract:

Dans les modèles globaux de la biosphère continentale, toute la végétation mondiale est généralement représentée par une dizaine de grand groupes fonctionnels (PFT-Plant Functional Type), dont les caractéristiques (traits) sont fixes. Cette rigidité ne permet pas de représenter correctement l'évolution de la végétation face aux pressions environnementales et anthropiques grandissantes, et est à l'origine de nombreuses incertitudes pour l'estimation des cycles bio-géochimiques associés. Trois approches complémentaires axées sur l'utilisation des traits fonctionnels ont été explorées à l'aide du modèle dynamique global de végétation ORCHIDEE afin d'améliorer la représentation des PFTs forestiers. La première approche consiste à augmenter le nombre de PFTs à partir d'une classification hiérarchique des espèces. La seconde approche permet d'extrapoler les traits observés pour chaque PFT existant grâce à des relations empiriques calibrées à partir de plusieurs variables environnementales. La dernière approche utilise la théorie de la coordination de la photosynthèse afin d'estimer des distributions continues de traits en conditions optimales de photosynthèse. En parallèle, cette étude s'interroge sur les capacité d'un modèle global à représenter correctement les traits fonctionnels lorsqu'il est optimisé pour un flux de carbone. L'augmentation du nombre de PFTs permet d'améliorer significativement les caractéristiques et la représentativité spatiale des peuplements simulés de plus de 50 %. Les deux autres approches permettent d'estimer des distributions de traits réalistes et mettent en évidence un rôle ``tampon'' important de la plasticité des traits sur les flux de carbone futurs. Les trois approches abordées ont mis en évidence certaines faiblesses du modèle liées à la représentation de la phénologie, de l'allocation de la biomasse ou encore du stress hydrique pour les conifères. Ces résultats ont menés à la mise en place d'une représentation explicite des processus phénologiques pour les conifères sempervirents dans ORCHIDEE, qui à présent reproduit les dynamiques de LAI observées par télédétection. Enfin, le modèle ORCHIDEE ne peux pas être paramétré avec des observations directes de traits, privilégiant l'approche théorique pour simuler les distributions de traits. Cependant, l'assimilation de données d'observations de flux de carbone permet de faire le lien entre les traits mesurés à l'échelle foliaire et leur intégration à l'échelle de la canopée. Elle permet de retrouver des distributions de traits cohérentes avec les observations, ainsi que des relations trait-trait et trait-environnement qui sont observées à l'échelle foliaire
Earth system models currently use a discretized representation of vegetation, grouping together the whole world species into a dozen of Plant Functional Types (PFT), whose characteristics (traits) are fixed. This rigidity does not allow to accurately represent the evolution of ecosystems and their associated bio-geochemical cycles, while vegetation is facing stronger environnemental and anthropogenic pressures. Three complementary approaches based on functional traits were tested in order to improve the representation of forests in the dynamic global vegetation model ORCHIDEE. Based on a hierarchical classification of species, the first approach is to increase the number of PFTs. The second approach extrapolates observed traits for each PFT from empirical relationships calibrated against different environmental variables. The last one uses the photosynthesis coordination theory which allows the estimation of functional traits in optimal photosynthesis conditions. In addition, this study explores the capacity of a global model to represent functional traits when optimized against a given carbon flux. Increasing the number of PFTs significantly improves the estimations of stand characteristics and their spatial distribution by more than 50 %. The two other approaches managed to reproduce realistics traits distributions and higlighted the ``buffer'' role of traits plasticity on futur carbon fluxes. Some weaknesses of the model linked to phenological processes, biomass allocation or hydric stress, emerged for conifers species. This led to the implementation of an explicit representation of the phenology for evergreen needleleaves PFTs in ORCHIDEE, which can now reproduce the LAI dynamic observed from remote sensing data. Finally, the ORCHIDEE model cannot be calibrated with in situ observations, emphasizing the theoretical approach to simulate continuous traits distributions. However, the assimilation of observed carbon fluxes allows to bridge the gap between traits measured at the leaf scale and the canopy. It reproduced consistent trait distributions with observations, and led to trait-trait and trait-environment relationships similar to those observed at the leaf scale

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Rajaud, Amélie. "Reforester les tropiques semi-arides ? : Enjeux, contraintes et opportunités climatiques dans la perspective du changement global." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLV066/document.

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Abstract:

De nombreux projets de protection et de reforestation sont mis en place à l'échelle internationale pour enrayer la déforestation croissante. L'objectif de ce travail de thèse est de mieux caractériser les contraintes et les opportunités de projets de reboisement, pour les régions tropicales semi-arides, particulièrement vulnérables, dans le contexte duchangement climatique global. La revue de littérature (chapitre 1) confirme que les projets de reforestation ayant vocation à atténuer le réchauffement climatique ont plus de chances de réussite sous les latitudes tropicales, où les différents effets de la végétation sur le climat convergent dans ce sens. Entreprise pour satisfaire divers services écosystémiques, la reforestation dans les zones tropicales semi-arides est ainsi porteuse d'effets bénéfiques tant globalement que localement. Cependant, dans ce contexte très limité en eau, l'implantation d'un couvert arboré trop dense pourrait avoir des effets opposés à ceux recherchés à long terme. Dans le chapitre 2, une approche «bioclimatique » est appliquée à un ensemble multi-modèle de projections, pour suivre l'évolution du domaine tropicalsemi-aride global sous l'effet de plusieurs scénarios (RCP) de changement climatique. Ce domaine se maintient en majeure partie dans les conditions futures. Une certaine proportion évolue toutefois vers des conditions soit plus arides (jusqu'à +25% du domaine global) soit plus humides (jusqu'à 11%). Malgré cela, le domaine étudié s'accroît entre ledébut et la fin du 21e siècle, jusqu'à 13% en moyenne (RCP 8.5). Ceci résulte d'un élargissement progressif en-dehors de la ceinture tropicale, corrélé avec le réchauffement global, et cohérent avec l'hypothèse d'un élargissement de la circulation de Hadley. La méthodologie proposée au chapitre 3 a pour objectif d'analyser les implications de cetteévolution sur le potentiel climatique de maintien d'un couvert arboré. L'utilisation d'un modèle global de végétation (ORCHIDEE, développé à l'IPSL) pour simuler ce potentiel permet de prendre en compte de manière mécaniste les facteurs climatiques de la croissance des plantes. Une typologie des profils de résultats délimite des sous-régionscaractérisées chacune par une relation distincte du développement des arbres à la densité du couvert. Les cinq "régimes" de la typologie sont ainsi classés du plus défavorable (régime 1) au plus favorable (régime 5). L'expérience de référence est réalisée à partir de données d'observation (CRU). Le régime 1, caractérisé par l'absence de maintiend'un couvert pour les plus hautes densités arborées, occupe près de la moitié du domaine étudié. Le second régime le plus représenté est le régime 4 (28% du domaine). Plus favorable, il est défini par un développement des arbres élevé, sans être maximal, pour toutes les densités arborées. Le potentiel arboré de chaque régime est caractérisé par sonoptimum : fraction arborée réalisant le meilleur compromis entre productivité du peuplement et développement des arbres. L'application de cette méthodologie à des projections climatiques futures, pour le RCP 8.5, fait l'objet du chapitre 4. Le modèle ORCHIDEE est forcé avec des sorties de modèles de climat, pour le début et la fin du 21esiècle. A la fin du siècle, le régime 1 ne représente plus que 25% du domaine total, en moyenne, tandis que le régime 4 devient prépondérant (49% du domaine). La stabilité du potentiel arboré intrinsèque à chaque régime permet d'interpréter une évolution vers un régime plus ou moins favorable comme une augmentation ou une diminution de cepotentiel. Or celui ne subit pas la diminution générale que l'augmentation de l'aridité laissait présager. Une expérience complémentaire montre que la raison en tient principalement à l'effet de fertilisation du CO2 atmosphérique. L'interprétation de ces résultats montre ainsi que les zones du domaine tropical semi-aride dans lesquelles unereforestation serait à déconseiller sont assez peu étendues
In the face of evergrowing global deforestation, numerous forest protection and restoration projects have been deployed at the international scale. The goal of this thesis is to provide adaptation planning in the vulnerable tropical semi-arid regions with scientific material about reforestation project constraints and opportunities at the global scale, inthe context of climate change. The literature review (chapter 1) confirms that reforestation projects aimed at warmingmitigation hold a better chance of success under tropical lattitudes. Indeed, both biochemical and biophysical effects of the vegetation on climate converge toward a global cooling effect. As reforestation in tropical semi-arid regions aims at satisfying various ecosystemic services, it holds beneficial promises at both the global and the local scale. However, due to scarce water resources, implementing a tree cover in semi-arid conditions could turn out unsustainable in the long run. A bioclimatological is applied, in chapter 2, to a multimodel ensemble of projections in order to draw the evolution of global tropical semi-arid territory under several climate change scenarios (RCP). The present tropical semi-arid territory is expected to remain mostly so in future conditions. However, up to 25% of the this territory on average will evolve towards arider conditions, and up to 11% towards wetter conditions. Nevertheless, the tropical semi-arid territory will increase by the end of the 21st century, by up to 13% on average (RCP 8.5). This increase results from a migration outside of the tropical belt, consistent with the Hadley circulation widening hypothesis under climate change. Chapter 3 proposes a methodology aimed at analysing the implications of this evolution for the climatic potential of tree cover sustainability. The global vegetation model (ORCHIDEE, developed at IPSL), used to simulate this potential, accounts mechanistically for all the climatic factors of the plant's growth. A typology of result profiles from the simulation experiments partitions the territory into subregions characterized by a specific relation between the tree development and the tree cover density: five types range from the least (Type 1) to the most (Type 4) favourable ones. A reference experiment is performed using observational climate data (from the Climatic Research Unit). Covering almost half of the territory, Type 1 is characterized by the impossibility to maintain a tree cover for the highest cover densities. The second type in order of surface occupation is Type 4 (28% of the territory). More favourable, it is characterized by high tree development for any tree cover density. The "tree cover potential" of each type is characterized by its optimum: the tree cover density that realises the best compromise between tree development and total productivity. In Chapter 4, the same methodology is applied to future climate projections for RCP 8.5. The ORCHIDEE model is thus forced with global climate model outputs, for the beginning and the end of the 21st century. By the end of the century, Type 1 represents no more than 25% of the tropical semi-arid territory on average, while Type 4 becomes the dominant one (49% of the territory). Because of the stability of the tree cover potential whithin each type, the evolution toward a more or less favourable type can be directly interpreted in terms of an increasing or a decreasing potential. The results show that the tree cover potential in the tropical semi-arid territory does not systematically suffer from the general decrease that could be expected from increasing aridity. A complementary experiment suggests that the main reason for this result lies is the atmospheric CO2 fertilization effect. Interpreting these results for reforestation strategy recommandations, suggests that, for the long term, areas of the tropical semi-arid territory where reforestation would be advised against are overall relatively small

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Menegoz, Martin. "Modélisation globale des interactions atmosphère-aérosols." Toulouse 3, 2009. http://thesesups.ups-tlse.fr/700/.

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Abstract:

Les aérosols agissent sur l'équilibre radiatif de la Terre en diffusant et en absorbant le rayonnement solaire et en interagissant avec les nuages. Une première étape pour quantifier l'impact des aérosols sur le climat est l'évaluation de la composition atmosphérique en aérosols. C'est l'objectif de ce travail de thèse. Trois espèces sont étudiées en particulier : le sulfate, le carbone-suie et les poussières désertiques. Des simulations pluriannuelles de l'évolution de ces trois espèces sont analysées d'abord en Europe et aux hautes latitudes, puis globalement. Elles sont confrontées à des observations et à des simulations réalisées par d'autres centres de recherche. Le modèle décrit correctement la concentration atmosphérique de ces trois aérosols. Leurs principaux puits et sources ont été mis en évidence, ce qui permet de proposer les principales clés nécessaires pour modéliser la concentration atmosphérique en aérosols
Aerosols influence the Earth radiative budget, both scattering and absorbing solar radiation and through their interactions with clouds. Before quantifying the impact of aerosols on climate, it is necessary to evaluate their concentration in the atmosphere. This is the topic of this work. In particular, three aerosols are studied : sulphate, black-carbon and desert dust. Multi-year simulations are analysed over Europe and high latitudes as a first step and at the global scale as a second step. They are compared with observations and with simulations performed by other models. Our model describe the atmospheric concentration of aerosols quite well. Mains sinks and sources are put forward for each aerosol, which allows to identify ways to better simulate their atmospheric distribution

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Moullec, Fabien. "Impacts du changement global sur la biodiversité en mer Méditerranée : une approche par modélisation End-to-End." Thesis, Montpellier, 2019. http://www.theses.fr/2019MONTG015/document.

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Abstract:

Sous les effets combinés de la surexploitation des ressources marines et du changement climatique la mer Méditerranée se transforme progressivement en un point chaud du changement global. En dépit d’un grand nombre de modèles développés localement ou régionalement en mer Méditerranée, aucun ne s’est encore attelé aux modifications d'assemblages d’espèces à l’échelle du bassin avec une modélisation intégrée des écosystèmes de la physique jusqu’aux prédateurs et représentant explicitement les dimensions à la fois multi-spécifique, spatiale, et trophique. Ces travaux de thèse présentent donc un triple enjeu : (i) mettre en œuvre une telle modélisation de la richesse spécifique en Méditerranée basée sur les traits de vie et représentant l'intégralité du cycle de vie d’espèces en interaction ; (ii) projeter les conséquences des changements physiques et biogéochimiques induits par le changement climatique sur la distribution spatiale des espèces et sur la structure et le fonctionnement trophique de l'écosystème méditerranéen ; (iii) explorer des scénarios de gestion des pêches visant à reconstituer certains stocks d'intérêts commerciaux dans un contexte de changement climatique. Pour répondre à ces enjeux, un modèle end-to-end, OSMOSE-MED, s’appuyant sur le couplage d’un modèle de hauts niveaux trophiques OSMOSE à des modèles de physique et de biogéochimie NEMOMED12 et ECO3M-S, a été développé. Avec cent espèces modélisées, représentant près de 95 % des captures effectuées en Méditerranée, il s’agit du premier modèle trophique de ce type intégrant une aussi grande richesse spécifique, sur une échelle spatiale aussi vaste (la mer Méditerranée dans son ensemble) et à fine résolution (20x20 km²). Selon le scénario d'émissions de gaz à effet de serre RCP8.5, les projections réalisées avec le modèle OSMOSE-MED mettent en évidence une augmentation globale de la biomasse et des captures, respectivement de 22% et 7% d'ici la fin du siècle. Ces augmentations masquent néanmoins de grandes disparités géographiques. Le bassin oriental se démarque par une augmentation globale de la biomasse associée aux espèces exotiques. Au regard des captures, le modèle prévoit des augmentations dans le bassin oriental et une diminution importante dans la partie occidentale. Un changement de la composition spécifique des captures pourrait apparaître au cours du 21ème siècle avec l'apparition d'espèces gagnantes (e.g. anchois) et perdantes (e.g. merlu). Les espèces gagnantes seraient principalement les espèces de petits pélagiques, thermophiles et/ou exotiques, de plus petites tailles et de plus bas niveaux trophiques tandis que les espèces perdantes seraient généralement les grands démersaux et pélagiques, pouvant pâtir d'un décalage spatial avec leurs proies potentielles à la suite d'une contraction ou d'un déplacement de leur aire de répartition géographique. Dans ce contexte, les projections de scénarios de gestion des pêches mettent en évidence les avantages d'une plus grande sélectivité ou d'une réduction de la mortalité par pêche pour reconstituer certains stocks d'intérêts commerciaux, en particulier parmi les organismes appartenant au groupe des démersaux, benthiques et grands pélagiques. Une réduction de la mortalité par pêche pourrait en outre inverser les tendances projetées à la baisse de la biomasse et des captures totales en Méditerrannée occidentale
Under the combined effects of overexploitation of marine resources and climate change the Mediterranean Sea is gradually becoming a hotspot of global change. Despite a large number of models developed locally or regionally in the Mediterranean Sea, no previous studies have addressed changes in species assemblages at the basin scale with an integrated ecosystem modelling from physics to predators and explicitly representing the multi-species, spatial, and trophic dimensions. This thesis work presents a threefold challenge: (i) implementing such a model of the species richness in the Mediterranean Sea based on life history traits and representing the entire life cycle of interacting species; (ii) projecting the consequences of physical and biogeochemical changes induced by climate change on the spatial distribution of species and on the structure and trophic functioning of the Mediterranean ecosystem; (iii) exploring fisheries management scenarios aiming at rebuilding some stocks of commercial interest in a climate change context. To address these challenges, an end-to-end model, OSMOSE-MED, based on the coupling of a high trophic level OSMOSE model with NEMOMED12 and ECO3M-S physical and biogeochemical models, has been developed. With 100 modelled species, representing nearly 95% of the catches made in the Mediterranean Sea, it is the first trophic model of this type to integrate such a large diversity of species, on such a large spatial scale (the Mediterranean Sea as a whole) and at fine resolution (20x20 km²). According to the greenhouse gas emissions scenario RCP8.5, projections made with the OSMOSE-MED model show an overall increase in biomass and catches of 22% and 7% respectively by the end of the century. However, these increases mask large geographical disparities. The eastern basin is characterized by an overall increase in biomass associated with exotic species. With regard to catches, the model projects increase in the eastern basin and a significant decrease in the western part. A change in the species composition of catches could appear during the 21st century with winner (e.g. anchovy) and loser (e.g. hake) species. Winner species would mainly belong to the small pelagics group, are thermophilic and/or exotic, of smaller sizes and of low trophic level while loser species are generally large-sized, some of them of great commercial interest, and could suffer from a spatial mismatch with potential prey subsequent to a contraction or shift of their geographic range. Fisheries management scenario projections highlight the benefits of greater selectivity or reduced fishing mortality for the recovery of certain stocks of commercial interest, particularly among organisms belonging to the demersal, benthic and large pelagic groups. A reduction in fishing mortality could also reverse the projected decline in biomass and total catches in the Western Mediterranean

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Bourdin, Stella. "Tropical and mediterranean cyclones in the IPSL climate model : tracking & assessment." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2024. http://www.theses.fr/2024UPASJ003.

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Abstract:

Les tempêtes font partie des désastres qui font le plus de dégâts sur terre : elles sont les plus coûteuses, et les deuxièmes plus mortelles. Parmi ces tempêtes, les cyclones tropicaux font le plus de dégâts. Il existe aussi un type de cyclone subtropical méditerranéen proche des cyclones tropicaux, appelé medicane, qui peut causer d'importants dégâts, comme l'a prouvé l'exemple récent de la tempête Daniel.L'étude des cyclones tropicaux et subtropicaux repose en grande partie sur les modèles de climat. Il est bien établi qu'une condition nécessaire à la simulation de ces phénomènes est une résolution horizontale de quelques dizaines de kilomètres.L'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) développe et maintient un modèle de climat (IPSL-CM), avec lequel il est désormais possible d'atteindre ces résolutions grâce au développement récent de DYNAMICO.Ma thèse consiste à évaluer l'opportunité que représente l'arrivée de DYNAMICO pour l'étude des cyclones tropicaux au sein de l'IPSL. J'ai donc adressé la question suivante : Le modèle de l'IPSL à haute résolution horizontale est-il capable de simuler correctement la climatologie des cyclones tropicaux et méditerranéens ?Dans un premier temps, j'ai effectué une comparaison de plusieurs méthodes de détection des cyclones tropicaux dans des données climatiques. Pour cela, j'ai appliqué quatre méthodes à la réanalyse ERA5, et comparé les résultats à une base de données d'observations. J'ai montré que toutes les méthodes de détection sont capables de détecter environ 80% des cyclones observés. Elles s'accordent toutes sur les évènements les plus forts. La fréquence et la durée des évènements détectés varient selon la propension des méthodes à détecter les cyclones faibles. Certaines méthodes ont aussi tendance à détecter des cyclones extra-tropicaux. Pour remedier à ce problème, j'ai développé deux méthodes de filtrages de ces systèmes. (Bourdin et al., 2022)J'ai ensuite procédé à l'évaluation de la climatologie des cyclones tropicaux dans six simulations de résolution variable, produites selon le protocole HighResMIP. Dans ces simulations historiques en atmosphère seule, on constate que l'activité cyclonique augmente énormément lorsque la résolution augmente de 200 à 25 km. L'augmentation de la résolution permet aussi de mieux simuler la répartition des cyclones entre et parmi les bassins, et la structure des cyclones. Le modèle à haute résolution est capable de simuler la variabilité interannuelle observée et son lien avec ENSO, en particulier dans le Nord Atlantique et de Nord-Est Pacifique. Dans le Nord-Ouest Pacifique, le modèle ne simule pas assez de cyclones tropicaux à cause d'un biais climatologique dans la circulation de grande échelle. Le modèle de l'IPSL démontre une capacité particulièrement bonne à simuler les cyclones tropicaux dans le Nord Atlantique, qui est un bassin où beaucoup d'autres modèles présentent des biais. (Bourdin et al., 2023, en révision)Enfin, j'ai étendu mon évaluation aux cyclone méditerranéens pour mettre en évidence les particularités des medicanes.Le modèle simule une climatologie de cyclones méditerranéens et de medicanes similaire à la réanalyse ERA5. Cela permet de montrer que les medicanes ont une structure plus symétrique, et que les flux de surface y jouent un rôle plus important que pour l'ensemble des cyclones méditerranéens. De plus, ils n'apparaissent qu'en présence d'un faible cisaillement de vent horizontal.En conclusion, ma thèse démontre la capacité du modèle de l'IPSL à simuler des cyclones tropicaux et méditerranéens à une résolution horizontale de 25 km. Cela ouvre la voie à des études plus poussées des cyclones tropicaux avec le modèle de l'IPSL, qui pourront aider à mieux comprendre la climatologie de ces évènements
Storms are among the most damaging disasters on earth: the most costly and the second deadliest. Among these storms, tropical cyclones cause the most damage. Medicanes --- Mediterranean subtropical cyclones --- can also do significant harm, as demonstrated by the recent example of Storm Daniel.The study of tropical cyclones is largely based on climate models. It is well established that a prerequisite for simulating these phenomena is a horizontal resolution of a few tens of kilometres.The Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) develops and maintains a climate model (IPSL-CM), with which it is now possible to achieve such high resolutions thanks to the recent development of DYNAMICO.My thesis assesses the opportunity associated with the arrival of DYNAMICO for studying tropical cyclones at IPSL. The question I address in the present thesis is: Is IPSL-CM at high horizontal resolution capable of correctly simulating the climatology of tropical and Mediterranean cyclones?First, I compared several methods for detecting tropical cyclones in climate data. To this end, I applied four methods to the ERA5 reanalysis and compared the results with a database of observations. I showed that all detection methods can detect around 80% of observed cyclones. They agree on the strongest events. The frequency and duration of events detected vary according to the methods' propensity to detect weak cyclones. Some methods also tend to detect extra-tropical cyclones. To counter this problem, I have developed two methods to filter out such systems. (Bourdin et al., 2022)I then assessed the climatology of tropical cyclones in six simulations with varying resolutions, produced using the HighResMIP protocol. In these atmosphere-only historical simulations, the cyclone activity increases dramatically as resolution increases from 200 to 25 km. Increasing resolution also enables better simulation of the distribution of cyclones between and among basins as well as the structure of cyclones. The high-resolution model can simulate the observed interannual variability and its link with ENSO, particularly in the North Atlantic and Northeast Pacific. In the North-Western Pacific, the model does not simulate enough tropical cyclones due to a climatological bias in the large-scale circulation. The IPSL model shows an outstanding ability to simulate tropical cyclones in the North Atlantic, a basin where many other models exhibit biases. (Bourdin et al., 2023, in review)Finally, I have extended my evaluation to Mediterranean cyclones to highlight the particularities of medicanes.The model can simulate Mediterranean cyclones and medicanes climatology in good agreement with the ERA5 reanalysis. The simulated medicanes have a more symmetrical structure, and surface heat fluxes play a more important role compared to Mediterranean cyclones in general. Unlike Mediterranean cyclones, medicanes only appear in the presence of weak horizontal wind shear.In conclusion, my thesis demonstrates the ability of the IPSL model to simulate tropical and Mediterranean cyclones at a horizontal resolution of 25 km. This paves the way for further studies of tropical cyclones with the IPSL model, which may help to better understand the climatology of these events

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Tootchifatidehi, Ardalan. "Development of a global wetland map and application to describe hillslope hydrology in the ORCHIDEE land surface model." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS390.

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Abstract:

Les zones humides jouent un rôle important dans le fonctionnement du système Terre aussi bien à l’échelle locale via un effet tampon sur les crues et épurateur de l’eau (dénitrification) que régionalement, du fait de leurs interactions avec l’atmosphère et de leur contribution majeure aux émissions de méthane. Leur représentation dans les modèles climatiques planétaires requiert une connaissance approfondie à la fois de leur distribution géographique et de leur hydrologie. Il y a un vaste désaccord sur l’estimation de l’étendue globale des zones humides, comprise entre 3% et 21% de la surface terrestre continentale, selon les méthodes employées. Ces contradictions s’expliquent par une représentation incomplète par les modèles hydrogéologiques des zones régulièrement inondées identifiées par l’imagerie satellitaire, qui peine en revanche à détecter les zones humides alimentées par les eaux souterraines. Peu visibles, elles sont également sous-estimées par la plupart des inventaires. La première étape de la thèse s’est donc focalisée sur la construction d’une carte mondiale des zones humides visant à concilier ces différences, par la distinction de ces deux types de zones humides, obtenus par combinaison des méthodes d’imagerie des eaux de surface et de modélisation des eaux souterraines. La proportion de zones humides à la surface du globe (21%) se situe dans la fourchette haute des estimations précédentes et concorde avec de nombreuses études régionales récentes, notamment en France et aux Etats-Unis. Dans une seconde étape, cette carte a servi d’entrée à une nouvelle version du modèle ORCHIDEE, qui décrit les surfaces continentales dans le modèle de climat de l’IPSL. La carte permet de distinguer dans chaque maille du modèle une fraction humide qui correspond aux fonds de vallée et reçoit les écoulements de la fraction haute, ce qui y rend possible le développement d’une nappe proche de la surface dont la profondeur répond au climat. Cette nouvelle version, dite ORCHIDEE-GW, a été testée dans le bassin de la Seine par comparaison à des observations de débit, d’évapotranspiration et de profondeur de nappe et afin de mieux comprendre l’effet des paramètres mal contraints tels que la profondeur du sol ou la formulation du flux nappe-rivière. Les effets principaux sont une augmentation de l’évaporation, une baisse des débits et un effet refroidissant, dont les conséquences sur le climat présent mais aussi futur sont une perspective importante à ce travail
Wetlands have significant functions in the Earth’s climate system both at local scales through their buffering effect on floods and water purification (denitrification) and also at a larger scale with their feedbacks to the atmosphere and its role in methane emission. To include wetlands in climate models globally, both their geographic distribution and hydrology should be known. There is a massive inconsistency among wetland mapping methods and wetland extent estimates (from 3 to 21% of the land surface area), rooted in imagery disturbances, underestimation of the groundwater driven wetlands in inventories or imprecise representation of flooded zones in GW modellings. In the framework of this PhD project, first by developing a global wetland map through a multi-source data fusion method we provide a simple applied classification for wetlands hydrological roles. Wetlands’ global extent is estimated to be almost 24.3 106 km2 (including lakes). The core distinction between classes is the flooding conditions and the water source, either coming from surface streams or groundwater convergence. In the next step, we modelled the wetlands’ role on surface processes in ORCHIDEE land surface model which was the testing platform for this new hydrologic scheme at large scale. The basic assumption in the new version (ORCHIDEE-GW) in this sub-grid procedures is that the deep drainage from the uplands converges over lowland wet fraction in parallel to infiltration from precipitation. Simulations over the contemporary era under climate forcing shows that the water table goes deeper with increased potential wetland fraction. The water table is shallow enough to be considered actual wetland when the potential wetland fraction is less than 0.2 over the Seine River Basin. The evapotranspiration rate increases by almost 3% with ORCHIDEE-GW because of the increased soil moisture in the wetland soil column. Increased soil moisture in the wet fraction affects the soil surface temperature as well. The future applications of this PhD work can be to explicitly introduce the biogeochemical procedures in wetlands in a dynamic manner to study the feedback effects of wetlands on climate and the Carbon cycle

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Arboleda-Obando, Pedro Felipe. "Feedback from groundwater and irrigation on past and future climate simulated by the IPSL climate model." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2023. http://www.theses.fr/2023SORUS045.

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Abstract:

Les flux terrestres jouent un rôle important dans le cycle de l'eau et dans l'évolution du climat à différentes échelles de temps. Il est intéressant de noter le contrôle que l'humidité du sol peut exercer sur l'évapotranspiration, puisqu'une anomalie de la première peut induire une perturbation sur la seconde. Cela produit des changements dans l'évolution saisonnière et à long terme des variables climatiques telles que les précipitations et la température. Le couplage entre l'humidité du sol et l'évapotranspiration et ses effets sur le climat ont conduit à se pencher sur les éléments du paysage qui ont un certain effet sur l'humidité du sol. Cette thèse se concentre sur deux d'entre elles : les écoulements descendants des pentes (de surface et souterrains) causés par la topographie d'origine naturelle et les transferts d'eau pour les activités d'irrigation d'origine humaine. L'un des outils d'étude du climat est l'utilisation de modèles de circulation générale, qui couple un modèle atmosphérique et un modèle de surface terrestre. Les modèles de surface, bien que de plus en plus complexes, ont une représentation limitée ou nulle de l'effet de la topographie sur les flux de surface terrestre et des effets anthropiques sur les ressources en eau. L'objectif de cette thèse est de comprendre l'effet de chaque élément du paysage sur les flux terrestres et sur le climat actuel et futur, en utilisant le modèle de surface terrestre ORCHIDEE, qui fait partie du modèle climatique IPSL. La première partie de cette thèse utilise une représentation simple des écoulements des pentes dans ORCHIDEE. La maille est divisée en une zone haute et une zone basse pour représenter la topographie, cette dernière étant potentiellement plus humide. LMDZOR, qui couple ORCHIDEE à LMDZ (le modèle atmosphérique de l'IPSL) a été utilisé pour effectuer deux simulations à long terme (entre 1980 et 2100) sous changement climatique, avec et sans écoulement de pente. Les résultats montrent une augmentation de l'humidité du sol et de l'évapotranspiration, une légère augmentation des précipitations et une baisse de la température de l'air. Dans le cadre du changement climatique, les écoulements de pente atténuent une partie des diminutions de l'humidité du sol, de l'évapotranspiration et des précipitations liés au changement climatique, et diminuent légèrement le réchauffement. La deuxième partie présente un schéma d'irrigation inclus dans ORCHIDEE, pour une utilisation à l'échelle mondiale. La demande en eau est calculée à partir du déficit hydrique du sol et de la surface irriguée. L'approvisionnement dépend des réservoirs naturels sous deux contraintes : un volume laissé disponible pour les écosystèmes (flux écologique) et une répartition de l'eau en fonction des infrastructures locales existantes. Le nouveau schéma a été testé en mode offline (forcé avec les données météorologiques). La comparaison avec les données observées montre que l'inclusion de l'irrigation diminue les biais négatifs de modélisation pour l'évapotranspiration, mais augmente les biais positifs pour l'indice de surface foliaire (sauf dans les zones d'irrigation intensive où le biais négatif de l'indice diminue). De même, l'irrigation diminue le débit des grands fleuves, mais cela ne conduit pas à une meilleure représentation de la dynamique du débit par rapport aux observations. Les résultats montrent que les éléments du paysage augmentent certains flux des bilans hydriques et énergétiques et, pour les écoulements de pente, atténuent une partie des diminutions dues au changement climatique. Dans le cas de l'irrigation, des simulations online sont nécessaires pour connaître son effet sur l'évolution des variables hydroclimatiques dans le cadre du changement climatique. De plus, il est nécessaire de considérer les effets conjoints des deux éléments du paysage, ce qui demande d'inclure les flux de pente et l'irrigation dans une nouvelle version d'ORCHIDEE
Continental fluxes play an important role in the water cycle, and in the evolution of climate at different time scales. It is particularly interesting to note the control that soil moisture can exert on evapotranspiration, since an anomaly of the former can induce a change of the latter. This produces changes in the seasonal and long-term evolution of climatic variables such as precipitation and temperature. The coupling between soil moisture and evapotranspiration, and their effects on climate, have led to focus on those landscape factors that have some effect on soil moisture. This study focuses on two: downward hillslope flows (surface and subsurface) caused by topography, of natural origin, and water transfers for irrigation activities, of human origin. One of the tools for studying climate is the use of general circulation models, consisting of an atmospheric model and a land surface model. Land surface models, although increasingly complex, have limited or no representation of the effect of topography on land surface fluxes and of the anthropogenic effects on water resources. The objective of this thesis is to understand the effect of each landscape driver on terrestrial fluxes and on present and future climate, using the ORCHIDEE land surface model, which is part of the IPSL climate model. The first part of this thesis uses a simple representation of hillslope flows within ORCHIDEE. The typical model grid-cell is divided into an upland and lowland zone to represent the topography, with the lowland fraction being potentially wetter. LMDZOR, which couples ORCHIDEE to the IPSL atmospheric model, known as LMDZ, was used to run two long-term simulations (between 1980 and 2100) under climate change, with and without hillslope flow. The results show increases in soil moisture and evapotranspiration, a slight increase in rainfall and lower air temperature. Under climate change, hillslope flows attenuate part of the climate change-induced decreases in soil moisture, evapotranspiration and precipitation, and slightly decrease warming. In the second part, an irrigation scheme was implemented in ORCHIDEE, for use at global scale. The water demand is calculated according to the soil moisture deficit and the irrigated area, and the supply depends on natural reservoirs under two constraints: a volume left available for ecosystems (ecological flow) and water allocation according to existing local infrastructure. The new scheme was tested in offline mode, (forced with meteorological data). Comparison with observed data shows that including irrigation decreases negative modeling biases for evapotranspiration, but increases positive biases for leaf area index (except in intensively irrigated areas, where the negative bias of leaf area index decreases). Likewise, irrigation decreases the discharge of large rivers, but this does not lead to a better representation of discharge dynamics compared to observations. The results show that landscape drivers increase certain fluxes of the water and energy balances, and in the case of hillslope flows, attenuates part of the decreases due to climate change. In the case of irrigation, online simulations are needed to know its effect on the evolution of hydroclimatic variables under climate change. In addition, considering the joint effects of the two landscape drivers is necessary, which calls for including hillslope flows and irrigation in a new version of ORCHIDEE

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Neverre, Noémie. "Rareté de l’eau et relations interbassins en Méditerranée sous changements globaux. Développement et application d’un modèle hydroéconomique à large échelle." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015SACLA002.

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Abstract:

Les changements globaux, socio-économiques et climatiques, vont très probablement accroître les tensions sur les ressources en eau dans la région méditerranéenne dans les prochaines décennies. Dans un contexte de contraintes en eau inégalement distribuées géographiquement, des interactions entre bassins pourraient se développer. Par exemple, les activités dépendantes de l’eau pourraient quitter les zones où l’eau est rare pour rejoindre des endroits où elle est plus abondante. Pour étudier cette question, il est intéressant d’évaluer les contraintes en eau localisées, en termes de quantité d’eau et de valeur économique, en combinant une modélisation à l’échelle du bassin à une couverture géographique étendue. Cette thèse mobilise comme cadre méthodologique celui de la modélisation hydroéconomique générique.La première partie de la thèse est consacrée à la projection et à la valorisation des demandes en eau. Pour le secteur domestique, des fonctions de demande inverse en trois parties sont construites, en tenant compte des changements structurels, et sont calibrées à l’échelle des pays. Pour le secteur agricole, le calcul de la valeur économique de l’eau d’irrigation repose sur une méthode de comparaison de rendements entre les cultures pluviales et irriguées.La deuxième partie se concentre sur l’aspect approvisionnement en eau du modèle hydroéconomique. Pour modéliser la gestion des réservoirs, une approche économique est utilisée, fondée sur la maximisation inter-usages et inter-temporelle des bénéfices liés à l’eau. Afin de déterminer les règles d’allocation, une approche “paramétrage-simulation-optimisation” est utilisée, avec des paramètres prudentiels et des paramètres de répartition entre les branches. Le modèle est appliqué à l’Algérie, à l’horizon 2050.La dernière partie de la thèse suggère de s’intéresser aux impacts du manque d’eau sur la localisation des activités économiques et les migrations de population qui s’ensuivent, en se plaçant dans le cadre théorique de l’économie géographique et en utilisant le modèle hydroéconomique développé dans la thèse
Global socioeconomic and climatic changes will increase the pressure on water resources in the Mediterranean region in the next decades. This thesis contemplates the question of how heterogeneously distributed water constraints might foster inter-basin interactions. To do so, it is necessary to assess localised water scarcity in terms of both water quantities and economic values, in a framework combining a river basin level modelling with an extended geographic coverage. The methodological approach used is generic hydroeconomic modelling.The first part of the thesis is dedicated to the projection and valuation of water demands. For the domestic sector, the approach is to build threepart inverse demand functions, calibrated at the country scale, taking into account structural change. For the agricultural sector, the economic benefits of irrigation water are calculated based on a yield comparison approach between rainfed and irrigated crops.The second part concentrates on the supply-side of the hydroeconomic model. Operating rules of the reservoirs and water allocation between demands are determined based on the maximisation of water benefits over time and space. A parameterisation-simulation-optimisation approach is used, with hedging parameters and branch allocation parameters optimisation. The model is applied to Algeria, at the 2050 horizon.The last part explores how this hydroeconomic model could be used to investigate inter-basin issues. In a context of heterogeneous water availability between basins, water dependent activities could relocate from water scarce areas to less constrained locations. The last chapter of the thesis suggests looking at the impacts of water scarcity on economic activities location and population migration in an economic geography framework

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Bador, Margot. "Les changements d'extrêmes de température en Europe : records, canicules intenses et influence anthropique." Thesis, Toulouse 3, 2016. http://www.theses.fr/2016TOU30024/document.

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Abstract:

En Europe, l'augmentation des températures moyennes de surface de l'air projetée au cours du 21ème siècle s'accompagne d'une augmentation des extrêmes chauds et d'une diminution des extrêmes froids. Dans les dernières décennies, des indices témoignent déjà de ces changements, comme l'établissement récurrent de nouveaux records de chaleur ou l'augmentation des canicules. Nous étudions l'évolution des extrêmes journaliers de température au cours du 20ème et du 21ème siècle en France et en Europe, et ce en termes d'occurrence et d'intensité. Un intérêt particulier est aussi porté aux mécanismes responsables de ces futurs extrêmes climatiques, ainsi qu'aux futures températures maximales. Nous nous intéressons tout d'abord à l'évolution des records journaliers de température à partir d'observations et de modèles de climat. Entre 1950 et 1980, l'évolution théorique des records dans le cadre d'un climat stationnaire représente correctement l'évolution observée des records chauds et froids. Depuis les années 1980, un écart à ce climat stationnaire est observé, avec respectivement une augmentation et une diminution de l'occurrence des records chauds et froids. Les modèles climatiques suggèrent une accentuation de ces changements au cours du siècle. L'occurrence moyenne des records chauds à la fin du siècle présente une forte augmentation par rapport aux premières décennies de la période observée. L'augmentation la plus importante des records chauds est projetée en été, en particulier dans la région méditerranéenne. Quant aux records froids, les modèles indiquent une diminution très importante de leur occurrence, avec une occurrence quasi-nulle dans les dernières décennies. Les variations observées d'occurrence de records sont, au début du 21ème siècle, toujours dans l'éventail des fluctuations de la variabilité interne du climat. Au cours du siècle, l'émergence de l'influence anthropique de ces fluctuations est détectable dans l'évolution des records chauds et froids en été, et ce respectivement autour des décennies 2030 et 2020. À l'horizon de la fin du siècle, les changements moyens d'occurrence de records ne peuvent pas être uniquement expliqués par des fluctuations naturelles. Nous nous sommes ensuite intéressés aux futures températures estivales extrêmes, ainsi qu'aux canicules intenses qui peuvent être à l'origine de ces extrêmes. Pour cela, l'utilisation de modèles climatiques globaux est associée à la modélisation climatique régionale et à des stations d'observations en France. Tout d'abord, l'augmentation maximale des valeurs maximales des records journaliers de température en été en France est estimée à partir d'une simulation régionale à haute résolution spatiale. À l'horizon 2100, les projections indiquent une augmentation maximale de ces valeurs extrêmes en été comprise entre de 6.6°C et 9.9°C selon les régions de la France. La comparaison de ces projections avec un ensemble de modèles climatiques indique que ces augmentations maximales pourraient être plus importantes. La médiane de la distribution des modèles indique en effet une augmentation maximale de ces valeurs maximales des records journaliers de température de 11.8°C en été et en France. Puis, des expériences de modélisation de canicules intenses du climat européen de la fin du 21ème siècle ont été réalisées à partir d'événements particuliers d'un modèle de climat. Ces expériences ont mis en évidence le rôle des interactions entre le sol et l'atmosphère dans l'amplification des températures extrêmes lors de futurs évènements caniculaire intenses. L'occurrence de telles canicules est d'abord dépendante de la circulation atmosphérique, mais l'intensité des températures peut ensuite être fortement amplifiée en fonction du contenu en humidité des sols avant la canicule, et donc des conditions climatiques des semaines et des mois précédents
Over the 21st century, the mean increase in surface air temperatures is projected to be associated with an increase in warm temperature extremes and a decrease in the cold ones. Over the last decades, evidence already suggests these changes, as for example recurrent warm record-breaking temperatures or the increase in heatwave occurrence. We investigate the evolution of daily temperature extremes over the 20th and the 21st centuries in France and in Europe, their possible changes in frequency and intensity. We also focus on the mechanisms responsible for these projected climate extremes, as well as the maximum values of temperature extremes at the end of the century. First, we investigate the evolution of daily record-breaking temperatures in Europe based on the observations and an ensemble of climate models. From the 1950s to the 1980s, the theoretical evolution of the records in a stationary climate correctly reproduce the observed one, for both cold and warm records. From 1980, a shift from that theoretical evolution is observed, with an increase in the occurrence of warm records and a decrease in the occurrence of the cold ones. Climate models suggest an amplification of these changes over the century. At the end of the 21st century, the mean number of warm records shows a strong increase compared to the first decades of the observed period. The strongest increase in warm record-breaking temperatures is found in summer, and particularly over the Mediterranean edge. On the contrary, the occurrence of cold record-breaking temperatures is projected to strongly decrease, with almost no new records in the last decades of the century, for all seasons and over the entire European domain. Observed variations of daily record-breaking temperatures are still, at the beginning of the 21st century, consistent with internal climate variability only. Over the century, the anthropogenic influence emerge from these fluctuations in the summer record evolutions, around the 2030 and the 2020 for the warm and cold records respectively. By 2100, the mean changes in record occurrences cannot be explained by the internal climate variability solely, for all seasons and over the entire European domain. Then, we investigate future extreme temperatures at the end of the 21st century, as well as severe heatwaves leading to these extremes. Climate models analyses are associated with regional climate modeling and a French station-based dataset of observations. The summer 21st century evolution of the maximum values of daily warm record-breaking temperatures is first examined in the observations and the high resolution simulation of the regional model. By 2100, an increase of these values is projected, with maximum changes between +6.6°C and +9.9°C in summer among the French regions. These projections assessed from a regional model may underestimate the changes. The multi-model mean estimate of the maximum increase of these values is indeed around +11.8°C in summer over France. Finally, regional modeling experiments of severe heatwaves in the climate of the end of the 21st century in Europe are performed. These severe heatwaves are selected cases from a global climate model trajectory. The experiments results show the role of the soil-atmosphere interactions in the amplification of the extreme temperatures during such future severe warm events. The occurrence of the heatwave is first caused by the atmospheric circulation, but the temperature anomaly can then be amplified according to the soil moisture content before the event, and thus the climatic conditions of the preceding weeks and months

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Dumas, Patrice. "L'évaluation des dommages du changement climatique en situation d'incertitude : l'apport de la modélisation des coûts de l'adaptation." Paris, EHESS, 2006. http://www.theses.fr/2006EHES0072.

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Cette thèse a pour objectif l'amélioration de l'évaluation des dommages du changement climatique en intégrant une fonction de dommages à seuil et les coûts de l'adaptation au changement climatique. Pour cela, des modèles intégrés compacts économie-climat sont résolus en optimisation et en simulation. Avec une fonction stochastique de dommage à seuil, on obtient un effet de précaution pour la politique climatique. Les trajectoires en coût-bénéfice se rapprochent de celles en coût-efficacité. Concernant l'adaptation, en optimisation, des générations de capital de protection correspondent à une plage de température. En simulation, un filtre de Kalman permet la détection du changement climatique. Les résultats montrent une anticipation importante. Les coûts proviennent surtout de l'investissement permettant de rester adapté malgré le changement climatique. Ils sont peu sensibles à l'incertitude sur la température globale, en revanche, une absence d'anticipation les augmente nettement
The purpose of this thesis is the improvement of climate change damage assessment by the mean of : the use of a threshold damage function and an evaluation of the costs of adapting to a changed climate. Simulation and optimization compact climate economy integrated assessment models are solved to assess the damages. A stochastic threshold damage function leads to a precautionary effect for climate policies. In a cost-benefit framework, the threshold acts as a soft ceiling. Turning to the representation of adaptation, adaptive capital is split in categories corresponding with temperature ranges in optimization models. In simulation, a Kalman filter is used to model climate change detection. The results show strong anticipations. Additional costs arise mainly from over-investment allowing to follow climate change. The costs are not very sensitive to the amount of uncertainly, but they rise sharply in the case of no anticipation

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Konsta, Dimitra. "EVALUATION DE LA DESCRIPTION DES NUAGES DANS LES MODÈLES DE CLIMAT À PARTIR DES OBSERVATIONS SATELLITALES DE L'A-TRAIN." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2010. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00556418.

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Abstract:

Les modèles climatiques ont beaucoup progressé pour représenter les nuages. Pourtant la réponse et la rétroaction nuageuse demeure très différente d'un modèle à l'autre, et reste la principale source d'incertitude pour la sensibilité climatique prédite par les modèles de climat, et limite la fiabilité sur les projections du changement climatique dû au forçage anthropique. Il est donc crucial d'améliorer la représentation des processus nuageux dans les modèles climatiques. L'évaluation des nuages nécessite des observations précises. Jusqu'à récemment, des observations de plusieurs aspects fondamentaux des nuages comme la distribution tridimensionnelle des nuages existaient uniquement très grossièrement et obtenus de manière très indirecte par les satellites de télédétection passive (i.e. CERES, ERBE, ScaRab, ISCCP) qui mesurent les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère. Les observations A-Train constituent des outils exceptionnels pour caractériser les propriétés nuageuses. L'objet de cette thèse est de tirer profit des observations de l'A-train afin d'évaluer la description des nuages simulée par les modèles climatiques. Nous utilisons le radiomètre CERES pour estimer l'effet radiatif des nuages, les radiomètres PARASOL et MODIS qui mesurent la réflectance, analysée ici comme un proxy de l'épaisseur optique des nuages et le lidar CALIPSO qui fournit des informations précises sur la distribution verticale des nuages. Les données co-localisées et analysées statistiquement constituent une occasion exceptionnelle de contraindre simultanément les propriétés radiatives des nuages et leur distribution tridimensionnelle. Le modèle du climat évalué est le LMDZ ainsi qu'une nouvelle version du modèle en cours de développement, où des nouvelles paramétrisations du bloc couche-limite/convection/nuages est testée. La méthode de comparaison des sorties des modèles climatiques aux grandeurs observées utilise d'une part le simulateur COSP (CFMIP Observation Simulator Package) qui comprend SCOPS, le simulateur lidar et le simulateur PARASOL et d'autre part les jeux des données (CFMIP-OBS) construits pour être compatibles avec les simulateurs. Nous étudions les propriétés nuageuses dans les tropiques par régime de circulation, et en classant les nuages par régions. Une nouvelle méthode a été développée : les observations sont analysées à haute résolution (spatiale et temporelle) au lieu des moyennes mensuelles et saisonnières utilisées habituellement afin de se placer à une échelle aussi proche que possible de celle des processus nuageux. Cette analyse a permis de contraindre les paramétrisations développées pour représenter les nuages et révéler des biais dans les deux versions du LMDZ. Des compensations d'erreurs ont été identifiées (i) sur la distribution verticale des nuages : la couverture nuageuse des nuages hauts et surestimée alors que les nuages bas et moyens sont significativement sous-estimés, (ii) entre la couverture nuageuse et l'épaisseur optique : la couverture nuageuse totale est sous-estimée mais les nuages qui se forment ont une épaisseur optique très élevée ce qui aboutit à une simulation correcte des flux au sommet de l'atmosphère par le modèle.

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Brouillet, Audrey. "Évolution des extrêmes de température et de stress thermique au 21ème siècle : cooccurrence, vitesses relatives et implications sur la perception du réchauffement climatique." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASV015.

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Abstract:

D’après les modèles de climat, le réchauffement global observé va s’intensifier au cours du 21ème siècle, en lien avec l’augmentation des concentrations en gaz à effet de serre. Ce réchauffement pourra être plus ressenti par les populations s’il se produit rapidement et s’il affecte le corps humain en provoquant un stress thermique. Dans cette thèse, je propose d’étudier le réchauffement global à travers l’analyse de différents indicateurs permettant de fournir une estimation de la possible perception humaine du changement climatique futur. L’accent est mis sur l’analyse des valeurs extrêmes, plus ressenties par les populations que le climat moyen. Dans un premier temps, j’étudie l’effet des variations d’humidité dans l’occurrence et les changements futurs de stress thermique extrême, effet peu étudié du fait du rôle dominant de la température dans les variations du stress thermique. Dans un second temps, une approche en référence glissante est utilisée pour analyser la vitesse du réchauffement, et déterminer quelles populations percevront l’intensification des extrêmes la plus rapide ou la plus sévère. Un ensemble de simulations de 12 modèles CMIP5 est utilisé et analysé entre 1959 et 2100.Dans le scénario d’émissions futures le plus haut (RCP8.5), une diminution significative de l’humidité relative est simulée au-dessus des continents, principalement en Europe et en Amazonie. Cet assèchement amplifie l’augmentation des extrêmes de température, mais freine l’intensification des extrêmes de stress thermique. On montre que dans un futur théorique où la température augmenterait sans assèchement, l’intensification du stress thermique extrême serait plus importante de 20 à 100 % en Europe et en Amazonie respectivement. D’après les valeurs recommandées par les normes internationales de santé, cette atténuation réduit significativement le risque pour les populations en Europe, mais n’atténue pas les risques en Amazonie, où les valeurs atteintes dépassent les seuils d’alerte les plus hauts avant 2020. De plus, l’étude des cycles saisonniers montre une cooccurrence annuelle des extrêmes de température et de stress thermique dans les moyennes latitudes, mais présente en revanche un déphasage dans les tropiques. Ce déphasage résulte du rôle important joué par l’humidité dans les régions où les modèles projettent le maximum d’intensification du stress thermique extrême, telles que le Sahel, l’Arabie ou l’Amazonie. Ce résultat suggère de considérer les extrêmes annuels de température et de stress thermique comme additifs dans les études d’impact menées sur ces régions.Pour étudier la rapidité d’évolution des extrêmes, la vitesse est définie pour chaque année comme une différence entre deux périodes successives de 20 ans. D’après les modèles CMIP5, cette vitesse glissante du réchauffement des extrêmes de stress thermique et de température est deux fois plus rapide dans le futur qu’actuellement dans l’hémisphère nord, et jusqu’à quatre fois plus rapide en Amazonie d’après certains modèles. On montre ainsi une accélération du changement des extrêmes plus importante dans les tropiques, et quasi-identique entre les deux métriques pour chaque région. Cependant, dans les latitudes tropicales, la vitesse du stress thermique en 2080 est jusqu’à 2.3 fois plus élevée que la variabilité interannuelle tout juste vécue, contre seulement 1.5 à 1.8 fois plus élevée en température. On montre ainsi que 36 % de la population mondiale vivra une augmentation significative des extrêmes de stress thermique en 2080, contre 15 % pour les extrêmes de température. Non seulement l’intensification future des extrêmes sera davantage perçue par les populations que le changement actuel, mais cette perception sera aussi plus sévère en stress thermique qu’en température, en particulier dans les tropiques
According to climate models, observed global warming will intensify during the 21st century due to the increase of greenhouse gas concentrations. This warming will be more readily perceived by human populations if it occurs rapidly and if it induces a thermal heat stress on the human body. This thesis proposes to study global warming through different indicators allowing us to provide a first assessment of the possible human perception of climate change. We focus on extreme values, which are particularly felt by people compared to the mean climate. In the first part, we analyse the effect of relative humidity variations on the occurrence and future changes in heat stress extremes, since this effect is often overlooked due to the major role played by temperature in heat stress variations. The second part investigates which populations will perceive the fastest and/or the most severe intensification of extremes, by using a moving baseline approach to analyse the warming speed. A set of 12 CMIP5 general circulation models is used to analyse the evolution of extremes between 1959 and 2100.Under the highest greenhouse gas emissions scenario (RCP8.5), relative humidity is projected to decrease over land, particularly in Europe and Amazonia. This drying enhances the increase of temperature extremes, but dampens the intensification of heat stress extremes. In a theoretical future in which temperature would increase without any humidity changes, the heat stress intensification would be 20 to 100 % higher in Europe and Amazonia respectively. According to international health recommendations, this moderating effect strongly reduces risks for population in Europe, but does not prevent risks in Amazonia, where the highest danger thresholds are simulated and observed to be reached before 2020. Moreover, an examination of seasonal cycles shows that temperature and heat stress extremes annually co-occur in mid-latitudes, but are time-lagged within the tropics. This time-lag results from the important role played by the relative humidity, especially in regions where the future maximum heat stress intensification is projected, such as the Sahel, Arabia or Amazonia. This result suggests that temperature and heat stress should be considered as two consecutive and additional extremes when studying annual climate impacts on population within these regions.We define the speed of change for each year of the period as a difference between two successive 20-year periods, one immediately preceding the year in question and one immediately after it (i.e. with a moving baseline). According to CMIP5 models, the change of temperature and heat stress extremes will be twice as fast in the future compared to the current speed of change in the mid-latitudes, and by up to four times faster in regions such as Amazonia. A larger acceleration is thus shown within the tropics compared to the mid-latitudes, but this acceleration is similar for both temperature and heat stress changes. However, in tropical regions, by 2080 this speed is projected to be 2.3 times larger than the recently experienced year-to-year variability for heat stress extremes, but only 1.5 to 1.8 times larger for temperature. We thus show that 36% of the total world population will experience a rapid and severe increase of heat stress extremes in 2080, but only 15% of the population for temperature extremes. According to future projections, the accelerated warming of future heat extremes will be more felt by populations than current changes, and this perceived change will be more severe for heat stress than for temperature, particularly in the tropics

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Kleinschmitt, Christoph. "Climate engineering with stratospheric sulphate aerosol : development and application of a global atmosphere-aerosol model for studying potential efficacy and impacts." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066560/document.

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Abstract:

L'augmentation artificielle de la couche stratosphérique d'aérosol de sulfate a été proposée comme méthode pour réduire le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Dans cette thèse, nous présentons un modèle global atmosphère-aérosol nouvellement développé, évaluons sa performance par rapport aux observations et l'appliquons pour étudier l'efficacité et les impacts de cette forme possible d'ingénierie climatique. Nous trouvons que l'effet de refroidissement réalisable par unité de masse de soufre injectée peut diminuer de façon plus drastique qu'estimé précédemment pour des taux d'injection élevés et que des injections à plus haute altitude ou dans des régions plus grandes n'entraînent pas un refroidissement plus fort. L'efficacité de la méthode pourrait donc être plutôt limitée, tout au moins dans les cas d'injections tropicales de dioxyde de soufre que nous avons modélisées. Par ailleurs, il existe plusieurs effets secondaires potentiellement nocifs, tels que le chauffage stratosphérique dû à l'absorption de rayonnement par l'aérosol provoquant de fortes perturbations dans la dynamique atmosphérique, la composition chimique de la stratosphère et les nuages hauts. Enfin, nous trouvons que les effets radiatifs de l'injection d'aérosol stratosphérique et de l'éclaircissement des nuages marins, une autre technique de géo-ingénierie proposée, seraient largement additifs et complémentaires lors de leur application parallèle. Cela pourrait permettre de concevoir un port-folio d'approches pour atteindre des objectifs climatiques spécifiques et réduire les effets secondaires indésirables de l'ingénierie climatique
The enhancement of the stratospheric sulphate aerosol layer has been proposed as a method to abate the global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions. In this thesis we present a newly developed global atmosphere-aerosol model, evaluate its performance against observations, and apply it to study the effectiveness and impacts of this possible form of climate engineering. We find that the achievable cooling effect per injected sulphur mass unit may decrease more drastically for larger injections than previously estimated and that injections at higher altitude or over larger areas do not result in a stronger cooling. The effectiveness of the method may therefore be rather limited, at least when using tropical injections of sulphur dioxide as in our model experiments. In addition, there are several potentially harmful side effects, such as stratospheric heating due to absorption of radiation by the aerosol causing strong perturbations in atmospheric dynamics, composition, and high-level clouds. Furthermore, we find that the radiative effects of stratospheric aerosol injection and marine cloud brightening, another proposed geoengineering technique, would be largely additive and complementary when applying them together. This might allow the design of portfolio approaches to achieve specific climate goals and reduce unintended side effects of climate engineering

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Kleinschmitt, Christoph. "Climate engineering with stratospheric sulphate aerosol : development and application of a global atmosphere-aerosol model for studying potential efficacy and impacts." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066560.

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Abstract:

L'augmentation artificielle de la couche stratosphérique d'aérosol de sulfate a été proposée comme méthode pour réduire le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Dans cette thèse, nous présentons un modèle global atmosphère-aérosol nouvellement développé, évaluons sa performance par rapport aux observations et l'appliquons pour étudier l'efficacité et les impacts de cette forme possible d'ingénierie climatique. Nous trouvons que l'effet de refroidissement réalisable par unité de masse de soufre injectée peut diminuer de façon plus drastique qu'estimé précédemment pour des taux d'injection élevés et que des injections à plus haute altitude ou dans des régions plus grandes n'entraînent pas un refroidissement plus fort. L'efficacité de la méthode pourrait donc être plutôt limitée, tout au moins dans les cas d'injections tropicales de dioxyde de soufre que nous avons modélisées. Par ailleurs, il existe plusieurs effets secondaires potentiellement nocifs, tels que le chauffage stratosphérique dû à l'absorption de rayonnement par l'aérosol provoquant de fortes perturbations dans la dynamique atmosphérique, la composition chimique de la stratosphère et les nuages hauts. Enfin, nous trouvons que les effets radiatifs de l'injection d'aérosol stratosphérique et de l'éclaircissement des nuages marins, une autre technique de géo-ingénierie proposée, seraient largement additifs et complémentaires lors de leur application parallèle. Cela pourrait permettre de concevoir un port-folio d'approches pour atteindre des objectifs climatiques spécifiques et réduire les effets secondaires indésirables de l'ingénierie climatique
The enhancement of the stratospheric sulphate aerosol layer has been proposed as a method to abate the global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions. In this thesis we present a newly developed global atmosphere-aerosol model, evaluate its performance against observations, and apply it to study the effectiveness and impacts of this possible form of climate engineering. We find that the achievable cooling effect per injected sulphur mass unit may decrease more drastically for larger injections than previously estimated and that injections at higher altitude or over larger areas do not result in a stronger cooling. The effectiveness of the method may therefore be rather limited, at least when using tropical injections of sulphur dioxide as in our model experiments. In addition, there are several potentially harmful side effects, such as stratospheric heating due to absorption of radiation by the aerosol causing strong perturbations in atmospheric dynamics, composition, and high-level clouds. Furthermore, we find that the radiative effects of stratospheric aerosol injection and marine cloud brightening, another proposed geoengineering technique, would be largely additive and complementary when applying them together. This might allow the design of portfolio approaches to achieve specific climate goals and reduce unintended side effects of climate engineering

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Assamoi, Abé Yapo Eric-Michel. "Emissions anthropiques d'aérosols carbonés en Afrique en 2005 et en 2030 : élaboration d'inventaires et évaluation." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00585492.

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Abstract:

La croissance démographique rapide que connait le continent africain ces dernières décennies ainsi que l'exode rural, tendent de plus en plus à concentrer dans quelques mégapoles (e.g. Abidjan) une grande partie des activités nationales polluantes (transports, industries,...), en plus du développement des activités pétrolières et minières le long des côtes du Golfe de Guinée. De même, les combustions de biofuels sont largement répandues pour les besoins domestiques. Tout ceci contribue à des émissions anthropiques considérables et croissantes d'aérosols de combustion dont les inventaires sont encore très imparfaitement connus sur le continent. L'objectif premier de cette thèse a permis de mettre en évidence et de mieux caractériser les émissions de carbone suie et de carbone organique primaire associées à l'utilisation des véhicules deux roues, un mode essentiel de transport dans certains pays en Afrique de l'Ouest. Par la suite, j'ai développé deux nouveaux inventaires d'émissions de carbone suie et de carbone organique primaire à l'échelle de l'Afrique pour les années 2005 et 2030, afin de réviser et de mettre à jour les données de l'inventaire global de Junker and Liousse (2008) de 2005. Enfin, nous avons simulé les concentrations ambiantes à partir des données de nos nouveaux inventaires 2005 et 2030 à l'aide du modèle global TM5. Ce modèle peut simuler de manière satisfaisante les concentrations en zones rurales, moins bien en zones urbaines. En outre, pour les épaisseurs optiques, le modèle fournit des ordres de grandeur satisfaisants avec un positionnement encore imparfait des maxima en Afrique de l'Ouest et en Afrique Centrale. Pour l'albédo de simple diffusion, nos résultats sont encourageants, sachant que le carbone suie et le carbone organique sont seuls pris en compte dans notre version du modèle global TM5.

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Jebri, Beyrem. "Attribution et reconstruction du rôle de la variabilité interne et des forçages externes sur le climat passé récent et du dernier millénaire." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2020. http://www.theses.fr/2020SORUS162.

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Abstract:

Nous avons d’abord étudié les rôles de la variabilité interne (telle que l’IPO) et des forçages externes dans le refroidissement régional dans la zone d’upwelling du Pérou-Chili et les mécanismes associés. Les résultats montrent que l’expansion de la cellule de Hadley dans l’hémisphère Sud en réponse aux forçages anthropiques est un résultat robuste dans nos grands ensembles d’attribution du modèle IPSL-CM5A et les observations et est responsable de l’intensification de l’upwelling depuis les années 80s. Celle-ci se traduit par une intensification des alizés et de l’upwelling le long des côtes Chiliennes et un approfondissement de la couche de mélange qui s’oppose régionalement au signal de réchauffement climatique dans le Pacifique Sud-Est. La fenêtre d’observation instrumentale restreinte limite néanmoins notre compréhension du rôle de la dynamique naturelle dans les changements observés. Nous proposons dans la seconde partie une méthode d’assimilation de données dans le modèle de l’IPSL permettant de reconstruire la variabilité naturelle passée. Ce type de méthode est confronté à un problème de dégénérescence associé à la résolution d’un problème de grande dimension avec un nombre de particules restreint. Pour lever ce verrou un filtre particulaire avec ré-échantillonnage est proposé, utilisant un émulateur statistique du modèle de l’IPSL (LIM) comme modèle d’intégration. La validation de cette nouvelle méthode baptisée SIR-LIM permet aujourd’hui d’envisager la reconstruction de la variabilité climatique des siècles passés par l’assimilation d’observations et de proxys dans les modèles de classe CMIP tout en préservant la cohérence physique le long de la simulation
Using large ensembles of IPSLCM5A model simulations, we first investigate the roles of internal variability (and in particular the IPO) and external forcing in driving recent Peru-Chile regional cooling. The simulations reproduce the relative cooling, in response to an externally-forced southerly wind anomaly, which strengthens the upwelling off Chile in recent decades. This southerly wind anomaly results from the expansion of the Southern Hemisphere Hadley Cell in response to increasing greenhouse gases and stratospheric ozone depletion since ~1980. An oceanic heat budget confirms that the wind-forced upwelling dominates the cooling near the coast while a wind-forced deepening of the mixed layer drives the offshore cooling, irrespectively of the IPO phase, hence indicating the preeminent role of external forcing. Constraining the climate sensitivity from observations remains however fraught with uncertainties due to the limited instrumental window of observation. In a second part, a data assimilation method is developed to reconstruct past natural variability relying on a particles filter using CMIP-class climate models. Such method is confronted with a problem of degeneracy associated with the resolution of a large problem with a limited number of particles. This issue has been resolved using a statistical emulator of the IPSL model (LIM) as an integration model in a particle filter with resampling. The validation of this new method, called SIR-LIM, allows the reconstruction of the climate variability of the past centuries by assimilating observations and proxy records into a CMIP-class coupled model while preserving the physical coherence along the simulation

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Gibelin, Anne-Laure. "Cycle du carbone dans un modèle de surface continentale : modélisation, validation et mise en oeuvre à l'échelle globale." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00164054.

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Abstract:

ISBA-A-gs est une option du modèle de surface continentale du CNRM, ISBA, qui simule les échanges de carbone entre la biosphère terrestre et l'atmosphère. Au cours de cette thèse, le modèle est utilisé pour la première fois à l'échelle globale en mode forcé. Plusieurs simulations globales sont réalisées pour évaluer la sensibilité des flux turbulents et du LAI à un doublement de CO2 et au changement climatique prévu pour la fin du XXIe siècle.
Une nouvelle option du modèle, nommée ISBA-CC, est aussi développée afin de simuler de manière plus réaliste la respiration de l'écosystème, en distinguant la respiration autotrophe et la respiration hétérotrophe.
La validation de la dynamique de la végétation et des flux de carbone échangés, à la fois à l'échelle globale à l'aide de données satellitaires, et à l'échelle locale sur 26 sites de mesure du réseau FLUXNET, montre que le modèle de surface est suffisamment réaliste pour être couplé à un modèle de circulation générale, afin de simuler les interactions entre la surface continentale, l'atmosphère et le cycle du carbone.

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Eddounia, Fadoua. "La microphysique des cirrus a l'echelle du globe : Correlation avec les proprietes atmospheriques et meilleure representation dans les modeles de climat." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2004. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00001049.

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Abstract:

Les nuages jouent un rôle capital dans la modulation des échanges énergétiques du système terre-atmosphère. En effet, ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire contribuant ainsi au refroidissement de l'atmosphère, et ils piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre contribuant ainsi au réchauffement de la terre. La compétition entre ces deux effets opposés est gouvernée par les propriétés physiques et microphysiques des nuages. En général, les nuages bas avec leurs faibles altitudes et leurs fortes épaisseurs optiques réfléchissent davantage de rayonnement solaire et ont ainsi une tendance au refroidissement. Par contre, les cirrus, à cause de leurs faibles épaisseurs optiques, sont relativement transparents au rayonnement solaire et en même temps captent une partie du rayonnement tellurique infrarouge et le réémettent vers le sol contribuant ainsi au réchauffement de l'atmosphère et de la surface terrestre. L'étude du climat et de son évolution, par les modèles de climat, nécessite une bonne prise en compte des effets radiatifs des nuages. Pour le moment, la détermination de ces effets radiatifs a été identifiée par le IPCC « Panel Intergouvernemental sur le changement de climat » comme l'une des sources principale d'incertitude sur la prédiction du climat. L'impact radiatif des cirrus (nuages des hautes altitudes) est en particulier mal pris en compte dans certains modèles à cause de l'extrême variabilité des tailles et formes des cristaux de glace de ces nuages. En effet, dans certains modèles, la distribution de taille et de forme de ces cristaux est remplacée par un diamètre effectif en supposant les cristaux de forme sphérique. Des études de Kristjansson et al. (2000) sur la sensibilité de deux modèles de climat aux hypothèses sur les propriétés microphysiques des cirrus ont montré que l'incertitude résultante sur l'effet radiatif associé à un doublement de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est de l'ordre de 50%. Les résultats de telles études expliquent la grande motivation de la communauté scientifique à approfondir nos connaissances sur la microphysique des nuages. Seule l'observation des propriétés des cirrus à différentes échelles permet de comprendre, et donc de mieux représenter, leur impact sur le climat. Les observations satellitaires offrent la possibilité d'étudier les propriétés des cirrus à une échelle globale et sur de longues périodes de temps. Les sondeurs TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) embarqués à bord des plate-formes de la NOAA ont déjà démontré leur capacité de restitution des propriétés physiques (altitude, température et émissivité) et microphysiques (taille des cristaux et épaisseur en glace) des cirrus grâce à leur bonne résolution spectrale dans le domaine thermique. Le travail de ma thèse s'est inscrit dans le cadre du projet Européen CIRAMOSA (CIrrus microphysical properties and their effect on RAdiation : survey and integration into climate MOdels from a combination of SAtellite observations), une collaboration entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique, le MetOffice à Exeter en Grande Bretagne, l'Institut pour la recherche marine à Kiel en Allemagne et le Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille. Ce projet avait pour objectif d'étudier les propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir d'observations de différents instruments satellitales ainsi que de mesures in-situ. Des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère ont pu être démontrées à échelle globale, ce qui va contribuer à l'amélioration des paramétrisations des propriétés microphysiques des cirrus dans les modèles de climat pour une meilleure évaluation de leurs effets radiatifs. Le LMD a participé à ce projet par l'élaboration d'une base climatique des propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir des mesures des sondeurs verticaux TOVS. Cette climatologie est la première dans son genre. La première étape de mon travail de thèse (chapitre 2) est consacrée à l'évaluation de l'altitude des nuages de la base climatique TOVS Path-B, une variable très importante pour le calcul des flux radiatifs. Pour cette évaluation j'ai combiné des données TOVS Path-B avec les observations du lidar LITE proches en temps et en espace. Cette analyse a démontré qu'en général l'altitude de nuage de TOVS Path-B correspond bien au milieu de nuage. L'accord est meilleur pour les nuages bas que pour les nuages hauts. Ces derniers sont d'une part souvent plus hétérogènes et d'autre part, dans le cas d'un nuage sous-jacent, la structure verticale du nuage haut semble différente (avec un maximum du signal de rétro-diffusion plus haut). Dans le dernier cas, en moyenne, l'altitude de nuage de TOVS Path-B est sous-estimée d'environ 700m. Dans une seconde étape (chapitre 3), je me suis intéressée à l'étude des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère. Les échelles spatio-temporelles mises en jeu par les processus physiques de formation des nuages se caractérisent par un large spectre de variabilité. Or, la résolution spatiale et temporelle des modèles de climat est réduite et ne permet pas de prendre en compte une telle variabilité. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des paramétrisations permettant la représentation de ces propriétés microphysiques dans les modèles de climat. La conception et le développement de ces paramétrisations nécessitent une bonne compréhension des liens entre la composition microphysique des nuages et les processus de génération de ces nuages. Jusqu'à présent les corrélations entre les propriétés microphysiques des nuages et l'état de l'atmosphère ont été étudiées lors de campagnes de mesures in-situ et donc dans des zones et pour des périodes limitées. La base de données TOVS Path-B des propriétés microphysiques des cirrus, avec sa couverture globale et une durée de quatre années, nous a permis d'étudier à l'échelle du globe la cohérence de ces corrélations identifiées lors des campagnes régionales. Dans un certain nombre de modèles de climat, la taille effective des cristaux de glace ou l'épaisseur en glace des cirrus sont paramétrisées en fonction de la température de nuage. Nos analyses avec les données TOVS Path-B ont démontré que cette corrélation n'existe pas à échelle globale. Pour aller plus loin, j'ai cherché à étudier l'effet de la dynamique et la thermodynamique de l'atmosphère sur les propriétés microphysiques des cirrus. Pour cette étude, j'ai combiné les propriétés des cirrus de TOVS Path-B avec les paramètres atmosphériques des ré-analyses du ECMWF. Nos études ont démontré le rôle important que jouent les vents (horizontaux et verticaux) et l'humidité de l'air dans la modulation des propriétés microphysiques des cirrus. En général, dans les situations de forts vents verticaux et horizontaux, les cirrus ont une taille effective de cristaux de glace plutôt faible. De même, l'épaisseur en glace des cirrus baignant dans une atmosphère humide contenant de forts courants ascendants est plutôt grande. La dernière partie de ma thèse (chapitre 4) est dédiée à l'étude de la cohérence des paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace entre le domaine thermique et le domaine solaire. Ces propriétés de diffusion dépendent de la taille effective des cristaux de glace, de la forme de ces cristaux et de la longueur d'ondes. La non-régularité des formes de cristaux de glace des cirrus fait que le traitement de la diffusion et de l'absorption du rayonnement par ces cristaux ne peut se faire que par des méthodes approchées. Nous avons déterminé les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère en présence de cirrus à partir du modèle de transfert radiatif utilisé dans le modèle de climat britannique du MetOffice. Les propriétés physiques des cirrus provenant de TOVS Path-B, ainsi que les propriétés microphysiques établies à partir des mesures dans le domaine thermique, ont été utilisées pour calculer les albédos, qui ensuite ont été comparés aux albédos observés de ces cirrus. Ces derniers ont été déterminés par le radiomètre ScaRaB. Trois paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace ont été testées. Ces paramétrisations ont été développées à partir de principes physiques différents ainsi que de différentes hypothèses sur la forme des cristaux de glace. En supposant des cristaux en forme de colonnes hexagonales (Fu, 1998) les observations ne sont en accord avec les calculs que pour des cirrus de faible épaisseur en glace. Les albédos calculés à partir de la paramétrisation de Baran (2003) pour des cristaux en forme d'agrégats sont bien plus en accord avec les albédos observés pour autant que le diamètre effectif des cristaux augmente avec l'épaisseur en glace des cirrus.

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Abs, Elsa. "Eco-evolutionary modeling of soil microbial decomposition in a warming climate." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2019. https://theses.md.univ-paris-diderot.fr/ABS_Elsa_2_complete_20190108.pdf.

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Abstract:

L'une des principales sources d'incertitude des projections climatiques globales tient à l’activité microbienne des sols : dans quelle mesure le réchauffement de la planète entraînera-t-il une augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmosphère du fait d’une décomposition accrue de la matière organique par les communautés microbiennes des sols ? Mieux évaluer, voire réduire, cette incertitude requiert le développement de modèles mathématiques mécanistes reliant la décomposition à la dynamique des communautés microbiennes et l’intégration de ces modèles dans les simulations globales. Les modèles mathématiques de décomposition de la matière organique du sol représentent explicitement le compartiment microbien et sont donc à même de mettre en relation biomasse microbienne, production d’enzymes de dégradation de la matière organique, stocks de carbone du sol. Formulés dans le contexte du changement climatique, ces modèles se sont concentrés sur les mécanismes physiologiques et écologiques des réponses microbiennes à l’augmentation de la température, ignorant les effets possibles de l'adaptation évolutive. Ma thèse vise à combler cette lacune, en évaluant l'hypothèse selon laquelle l'adaptation évolutive microbienne au réchauffement peut avoir un impact significatif sur le cycle global du carbone. Après avoir passé en revue des modèles de décomposition microbienne mécanistes et non évolutifs, je construis un modèle stochastique spatialement explicite et éco-évolutif, basé sur des processus microscopiques des cellules et des molécules extracellulaires. J'utilise une approximation du modèle (spatialement implicite, déterministe) pour étudier la réponse éco-évolutive au réchauffement d'un système microbe-enzyme du sol, dans trois scénarios possibles d’influence de la température sur l'activité microbienne. En l'absence d'évolution microbienne, le réchauffement entraîne une perte de carbone dans le sol (une accélération du changement climatique) dans tous les scénarios. L'adaptation évolutive microbienne aggrave généralement la perte de carbone du sol dans les écosystèmes froids et peut aggraver, amortir ou même inverser la perte de carbone (et donc augmenter la séquestration du carbone) dans les écosystèmes chauds. En contraignant le modèle avec les observations de cinq biomes distincts je montre que l'aggravation évolutive de la perte de carbone du sol est l’issue la plus probable. Enfin, en intégrant mon modèle éco-évolutif dans une projection globale des stocks de carbone du sol à l'échelle de la Terre, je confirme la prévision d'une aggravation mondiale significative de la perte de carbone dans le sol due à l'évolution microbienne. Les sols dormants, dans lesquels l'activité microbienne est très faible, jouent un rôle particulier dans la dynamique éco-évolutive à long terme du carbone du sol global, car dans ces régions, l'effet négatif de l'évolution sur les stocks de carbone du sol ne se manifesterait pas avant la sortie de la dormance microbienne et pourrait de fait s’en trouvé différé de plusieurs décennies. En conclusion, mes travaux constituent un premier pas vers des modèles de prédiction de la dynamique éco-évolutive du cycle du carbone. Ils ouvrent la voie à un programme de recherche qui testerait de manière empirique les prédictions des modèles sur le rôle des mécanismes évolutifs dans différents types d’écosystèmes terrestres, en exploitant les archives de plus en plus riches de données métagénomiques des sols pour quantifier les variations des fonctions métaboliques microbiennes et leurs réponses à la sélection
One major source of uncertainty in global climate predictions is the extent to which global warming will increase atmospheric CO2 concentrations through enhanced microbial decomposition of soil organic matter. There is therefore a critical need for models that mechanistically link decomposition to the dynamics of microbial communities, and integration of these mechanistic models in global projection models of the Earth system. Mathematical models of soil microbial decomposition models have recently been introduced to predict soil C stocks and heterotrophic soil respiration, especially in the context of climate change. Thus far, models focused on physiological and ecological mechanisms of microbial responses, leaving the role of evolutionary adaptation poorly understood. My thesis addresses this gap and evaluates the hypothesis that microbial evolutionary adaptation to warming can have a significant impact on the global carbon cycle. After reviewing mechanistic, non- evolutionary microbial models of decomposition, I construct an eco-evolutionary spatially explicit, stochastic model, scaling up from microscopic processes acting at the level of cells and extracellular molecules. I use an approximated version of the model (spatially implicit, deterministic) to investigate the eco-evolutionary response of a soil microbe-enzyme system to warming, under three possible scenarios for the influence of temperature on microbial activity. In the absence of microbial evolution, warming results in soil carbon loss to the atmosphere (an amplification of climate change) in all scenarios. Microbial evolutionary adaptation generally aggravates soil carbon loss in cold ecosystems, and may aggravate, buffer or even reverse carbon loss in warm ecosystems. Constraining the model with observations from five contrasting biomes reveals evolutionary aggravation of soil carbon loss to be the most likely outcome. Earth-scale projections of carbon stocks that integrate my eco-evolutionary model support the prediction of a significant global aggravation of soil C loss due to microbial evolution. Dormant soils, in which microbial activity is very low, play a special role in the long-term eco-evolutionary dynamics of global soil carbon, since in these regions, the negative effect of evolution on soil carbon stocks may not kick in until the microbial community shifts from dormant to active, and may thus be delayed by decades. Overall, my work is a first step toward predictive modeling of eco- evolutionary dynamics of carbon cycling; it also lays the ground for a broad future research program that will empirically test model predictions about the role of evolutionary mechanisms in different systems across the globe, by leveraging the growing global archive of soil metagenomics data to quantify variations in microbial metabolic functions and their response to selection. Mots clés en français (10 max) : changement climatique, cycle du carbone, décomposition, projections globales, évolution microbienne, dynamiques adaptatives, rétroaction sol-climat, évolution de la coopération, modèles individu-centrés.Mots clés en anglais : climate change, carbon cycle, decomposition, global predictions, microbial evolution, adaptive dynamics, soil-climate feedbacks, evolution of cooperation, individual-based models

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Lagarrigues, Guillaume. "Variabilité démographique et adaptation de la gestion aux changements climatiques en forêt de montagne : calibration par Calcul Bayésien Approché et projection avec le modèle Samsara2." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAV081/document.

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Abstract:

Les hêtraies-sapinières-pessières de montagne paraissent particulièrement menacées par le réchauffement climatique. Pour appréhender la dynamique future de ces forêts et adapter la sylviculture à ces nouvelles conditions, il est important de mieux connaître les facteurs environnementaux impactant la démographie de ces espèces. Nous avons abordé cette problématique en combinant des données historiques de gestion, le modèle de dynamique forestière Samsara2 et une méthode de calibration basée sur le Calcul Bayésien Approché. Nous avons ainsi pu étudier conjointement les différents processus démographiques dans ces forêts. Nos analyses montrent que la démographie forestière peut varier fortement entre les parcelles et que le climat n'est pas toujours déterminant pour expliquer ces variations. Ainsi, malgré les changements climatiques attendus, la gestion irrégulière pratiquée actuellement devrait permettre de maintenir les services rendus par les peuplements mélangés situés en conditions mésiques
The spruce-fir-beech mountain forests could be particularly threatened by the global warming. To better understand the future dynamics of these forests and adapt the silviculture to these new conditions, a better knowledge of the environmental factors affecting the species demograhics is needed. We studied this issue by combining a historical management data set, the forest dynamics model Samsara2 and a calibration method based on Approximate Bayesian Computation. We were able thus to study jointly the different demographic process in these forests. Our analysis show that the forest demographics can strongly vary between stands and that climate is not always determining to explain these variations. The unven-aged management currently applied seem adapted for the mixed stands located in mesic conditions, but the pure spruce forests and the low elevation stands could be highly impacted

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Aimola, Luís Antônio Lacerda. "Cascatas de incertezas, impactos climáticos perigosos e negociações internacionais sobre mudança de clima global - um modelo exploratório." Universidade de São Paulo, 2006. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/90/90131/tde-22112011-163145/.

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Abstract:

O problema das mudanças climáticas globais somente pode ser resolvido através de um longo processo de coordenação política internacional no qual os principais atores são os governos dos Estados Nacionais. O Protocolo de Quioto é o primeiro acordo internacional para controlar as emissões de gases de efeito estufa, e muitas outras rodadas de negociações ocorrerão ao longo deste século gerando novos acordos com o mesmo objetivo. Inúmeros fatores, relacionados de forma complexa, têm influenciado e influenciarão os resultados desses futuros acordos. Dentre os principais estão as incertezas sobre os vários aspectos, físicos, biológicos, econômicos e políticos, do problema das mudanças climáticas. O objetivo deste trabalho foi construir um modelo de análise integrada, que tornasse transparente os principais elementos e elos da cascata de incertezas existente no problema das mudanças climáticas e a sua influência nos resultados daquelas negociações e nos permitisse fazer simulações exploratórias sobre os efeitos da evolução dessas incertezas sobre os resultados da seqüência de negociações após o Protocolo de Quioto. O modelo representa de forma estilizada importantes elementos que participam da estrutura de decisão coletiva sobre abatimento de reduções de emissões e em alguns aspectos é mais realista que vários modelos existentes sobre tomada de decisões sobre mudança de clima. Ele é composto de um módulo que representa o sistema do clima, um módulo que representa as economias nacionais, um módulo que representa os tomadores de decisões governamentais e um módulo que representa as negociações sobre reduções de emissões. Os tomadores de decisões são representados como agentes que têm planos de desenvolvimento econômico para seus países e modelos sobre como o clima global e regional e as suas economias funcionam, o que lhes permite fazerem projeções futuras do aquecimento global, das suas economias e emissões, e do impacto que a mudança de clima produzirá em seu território. Dessa forma podem estimar o impacto que o aquecimento global poderá ter sobre seus planos de desenvolvimento. Essas análises são feitas dentro de um horizonte de antecipação que depende do grau de incertezas na época em que as projeções são realizadas. Representamos algumas das principais incertezas na ciência do clima e análise econômica do problema através de distribuições de probabilidades de certos parâmetros chave, tais como a sensibilidade climática e a difusividade térmica do Oceano, que podem variar ao longo do tempo. Existe uma infinidade de cenários possíveis de evolução dessas incertezas, mas somente alguns com significados intuitivos importantes. Uma negociação sobre cotas de reduções de emissões é representada como um jogo não-cooperativo, e o acordo entre os países é um equilíbrio de Nash desse jogo. Cada governo, antes de ir à mesa de negociações, baseado nestas projeções e nas possíveis ações dos outros governos, elabora suas estratégias sobre o quanto abater de suas emissões. O resultado final de um jogo é influenciado pelas distribuições de probabilidades que representam as incertezas da época em que cada agente faz suas projeções. Algumas distribuições em algumas épocas podem revelar aos agentes a probabilidade de impactos climáticos perigosos em suas economias, influenciando fortemente as suas escolhas de abatimento e o resultados das negociações. Esse ciclo de projeções-análise-negociação se repete várias vezes ao longo do tempo definindo uma seqüência de acordos de reduções de emissões, um conseqüente aquecimento global e uma distribuição de impactos regionais ao longo do mesmo período. A comparação das trajetórias finais de aquecimento e impactos gerados para cada cenário escolhido de evolução das incertezas ajuda-nos a compreender as possíveis evoluções das futuras negociações sobre abatimento de emissões. Implementamos uma versão simplificada do modelo em um programa de computador através da plataforma Microsoft Excel, considerando somente dois blocos de países. Com esse protótipo, é possível simular cenários de evolução das incertezas, representando evoluções possíveis da ciência do clima e a análise econômica do problema, e com isso estudar a influência dessas evoluções nos resultados de uma seqüência de negociações sobre cotas de reduções de emissões entre dois blocos de países, que uma vez definidos os valores de certos parâmetros, podem representar os países do Anexo I e Não-Anexo I da Convenção Quadro de Mudança de Clima das Nações Unidas. Nesse caso o Protocolo de Quioto é o primeiro acordo de uma série de acordos ao longo do Século XXI. O modelo foi construído apoiando-se na literatura tradicional de modelagem integrada em mudanças climáticas, mas inova a pesquisa nesta área em vários pontos importantes. Dentre eles está a variação gradual de várias incertezas e a incorporação de uma interpretação do conceito de impactos climáticos perigosos conforme o Artigo 2 da Convenção Quadro e seu papel nos resultados das negociações. A linguagem e a plataforma utilizada nos permite comunicar de forma clara os elos da cascata de incertezas e sua influência sobre as negociações, tanto a cientistas, quanto a analistas econômicos e políticos envolvidos com o tema. A plataforma utilizada torna também o programa aberto para análises críticas e modificações a uma larga classe de analistas do tema, além de poder ser utilizado no ensino, que ainda carece de ferramentas pedagógicas que permitam uma ampla divulgação desse tema a não especialistas. Apesar de ser um modelo sobre mudanças climáticas, os vários módulos têm uma estrutura conceitual que lhes permite serem adaptados para tratar outras questões ambientais globais e regionais onde as soluções baseiam-se em tomada de decisão coletiva negociada e sob incertezas.
The problem of the global climate change only can to be solved through a long term process of international political coordination which the principal actors are the governments of the National States. The Kyoto Protocol is the first international agreement to control the greenhouse gas (GHG) emissions, and the others rounds of negotiations will happen through this century producing new deals with the same goal. A number of factors related of a complex way, have influenced and will influence the results of these future agreements. Among the principal factors, are the uncertainties about the physical, biological, ecological, economical and poltical aspects of the global climate change problem. The goal of this work was to contruct a integrated assessment model, that show in a transparent way some the majors elements and links of the uncertainties cascade that exist in the problem of the climate change, and their influence on the results on that negotiations. The model permit us to make exploratory simulations about the effects of the evolution that uncertainties in the results of the sequence of negotiations after the Kyoto Protocol. The model represent in a stylized way important elements that participate in the structure of collective decision making about abatement of GHG emissions and in some aspects is more realistic that several existent models on decision making about climate change. It is composed of one module that represent the climate system, one module that represent the national economies, one module that represent the governmental decision makers and one module that represent the negotiations about reductions of GHG emissions. The climate model include a carbon cycle and an energetic balance simple models with white noise in the radiative forcing to repesent the natural climate variability. The economic models include abrupt changes in the damages functions. The The decision makers are represented as agents that have economical development plans for their countries and have models of the climate change and their national economies. These models permit to each one make projections on future global warming, economical growth, emissions and the climate impacts on each territory. Thus each agent can estimate the impact of the global warming on his development plan under a action of abatement of emissions. These analysis are made with the aid of a antecipation horizon that depends of the uncertainty levels in the epoch which the projections are made. We represented some of majors uncertainties in the climate science and economic analysis on the problem through probabilities distributions of certain key parameters, such that the climate sensibility and the ocean thermal diffusivity, which can to vary in time. There is a number of possible evolution scenarios for these uncertainties, but only a few with important intuitive means. We take only these more important scenarios to simulation. A negotiation on reduction quotas of emissions is represented as a non-cooperative game and the agreement between countries is a Nash equilibrium of the game. Each government before to negotiate choose his strategies on how much abate emissions based on his projections. The game final result is influenced by the probabilities distributions that represent the uncertainties in the epoch of the negotiations. Some distributions can reveal high probabilities for dangerous climate impacts in their economies, influencing strongly the choices of emission abatements and the results of negotiations. The cycle of projection-analysisnegotiation can to repeat many times defining a sequence of agreements and then a emission trajectory, and as consequence a global warming and distributions of regional impacts. The comparison of final trajectories of warming and impacts for each negotiations sequence help us to understand the possible evolutions of future negotiations and his role in the climate change problem.

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Zaka, Serge. "Caractérisation et modélisation des réponses à la température de la luzerne et de la fétuque élevée pour des variétés d'origines contrastées. Application au modèle STICS." Thesis, Poitiers, 2016. http://www.theses.fr/2016POIT2262/document.

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Abstract:

Le changement climatique entraîne un changement profond des régimes thermiques qui a des conséquences importantes sur la croissance des plantes. Toutefois, les effets des températures extrêmes ont été peu étudiés chez espèces fourragères pérennes, et ne sont pas intégrés dans les modèles actuels de prairie. Or ces modèles ont un rôle central à jouer dans le développement de stratégies d'adaptation au changement climatique. Dans ce contexte, cette thèse a cherché à approfondir la compréhension de la réponse de la luzerne et de la fétuque élevée à une large gamme de températures et à améliorer la prise en compte de ces réponses dans le modèle STICS. Un volet de travail expérimental en conditions contrôlées n'a pas permis de mettre en évidence de différences de réponses entre génotypes d'origine contrastées (tempéré/Méditerranéen) pour différents processus de croissance et de développement des deux espèces. En revanche, il est apparu des différences significatives entre les réponses normalisées de différents processus ; l'allongement des tiges en particulier se distinguant nettement des autres processus chez la luzerne. La réponse de la photosynthèse à la température a montré une forte acclimatation à la température de croissance, aussi bien pour des génotypes d'origine tempérée que méditerranéenne. Ces derniers sont apparus plus sensibles aux températures élevées du fait d'une désactivation de la RUBISCO. La modification des formalismes de réponse à la température de la croissance et du développement dans STICS (fonction non linéaire, pas de temps) a eu un fort impact sur le cumul de temps thermique pour des scénarios climatiques « futurs ». Toutefois, du fait de l'effet majoritaire d'autres stress conjoints durant les périodes de stress thermique et d'une rapide saturation du rayonnement intercepté, l'impact sur les projections de production fourragère s'est avéré limité pour les conditions testées. Au total ces résultats suggèrent que les productions fourragères pourraient être moins exposées au stress thermique que les cultures annuelles
Due to climate change, the global average temperature is expected to rise with marked impacts on crop growth. However, extreme temperature's impacts on perennial herbaceous species have received much less attention to date than other crops and aren’t currently implemented in grassland models. Yet, grassland models have a major role to play in defining adaptation options to global warming’s impacts on agriculture. In this context, our aims were to characterise the responses to temperature of two major perennial forage species over a large range of growth temperature and to improve the temperature response formalisms in the STICS model. First, experiment conducted in growth chambers indicated that the responses of normalized developmental rates did not differ between genotypes from contrasting thermal areas (Mediterranean/temperate) within each species. On the other hand, the responses to temperature of normalised rates differed significantly between several of the physiological processes studied; in particular stem elongation rate differed from other developmental rates in alfalfa. Irrespective of cultivar origin, a remarkable acclimation of photosynthesis to growth temperature was observed. Mediterranean genotypes displayed a greater sensitivity of the maximum rate of Rubisco carboxylation to elevated temperatures. Modifications of temperature formalism in the STICS crop model (implementation of nonlinear response, hourly/daily step of response) had a significant impact on thermal time accumulation and crop development for future climate scenarios. However, due to larger effects of water stress and to saturation of radiation interception, impacts on projections of grassland dry matter production were limited. This result suggests that grassland production could be less exposed to thermal stress than annual crops

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Cain, Russell. "The climatic significance of tropical forest edges and their representation in global climate models." Thesis, Durham University, 2009. http://etheses.dur.ac.uk/302/.

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Abstract:

An emerging theme in global climate modelling is whether land covers created in the clearance of tropical humid forests influence water exchange between remnant forest patches and the atmosphere, and, if so, how this affects regional and global water exchange. Fieldwork presented in this thesis ascertains whether the amount of water transferred to the atmosphere from a humid tropical forest situated in Sabah, Northern Borneo, Malaysia, differs between its edge and interior due to the influence of surrounding clearings through horizontal heat transfer. Using satellite imagery to measure the shape and size of tropical forests, field measurements of water transfer were extrapolated to continental and global levels to infer how differences in water exchange with the atmosphere between forest edges and interiors may influence regional and global forest-atmosphere water exchange. Mean sap flow in trees within 50 meters of a forest-clearing boundary was found to be 73% greater than that in trees further into the forest; an observation supported by the decreased canopy temperature also recorded there. Evaporation from the forest canopy constituted a high fraction of annual rainfall (33%), but showed no edge effect similar to that of sap flow. Edge plots, however, expressed evapotranspiration rates 22% lower than forest interiors (657-890 mm yr-1), owing to the lower number and size of trees there. One edge plot, however, exhibited evapotranspiration 49.5% greater than that of forest interiors. Gradients of air temperature, vapour pressure deficit and wind speed from the adjacent clearing to the forest interior indicated that warm, dry air moving from the clearing to the forest was the most credible cause of increased sap flow of trees near the forest edge. This hypothesis was supported by a strong correlation between the amount of vapour in the air moving from the clearing and tree water use. It was estimated that the influence of differences in water transfer to the atmosphere between the edges and interiors of tropical forest would not alter global water transfer to the atmosphere by more than 0.25-4%, or by 4-7% in the most fragmented tropical continent, Africa. However, it remains unclear whether the inclusion of tropical forest edge effects within climate models is necessary, as the pioneering nature of this thesis, and of existing studies reviewed within it, means that solid conclusions will be dependent upon future work. This thesis concludes with suggestions for future research that will most effectively consolidate the provisional conclusions and recommendations herein.

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Delcourt, Charlotte. "Dynamique, hydrologie sous-glaciaire et régime polythermal du Glacier McCall, Alaska, USA: approche combinée par techniques radar et modélisation numérique." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 2012. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/209648.

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Abstract:

Dans le contexte actuel du changement climatique, les glaciers arctiques contribuent de manière importante à l’élévation du niveau marin. Parmi eux, les glaciers dits « polythermaux » sont relativement répandus mais leur comportement demeure toujours mal connu. Afin de mieux comprendre la réponse de ces glaciers aux modifications du climat, nous nous somme intéressés au glacier McCall, situé en Alaska arctique, une zone marquée par un réchauffement du climat relativement prononcé.

Nous avons utilisé les techniques modernes de radio-écho sondage (radar) et de modélisation numérique, en combinaison avec des observations et mesures de terrain, afin d’identifier les processus physiques responsables de l’évolution de ce glacier ces dernières décennies.

Les données radar ont permis de reconstituer la géométrie actuelle du glacier, de distinguer les zones de glace « froide » (dont la température est située sous le point de fusion) des zones de glace « chaude » (température au point de fusion), ainsi que de détecter la présence d’eau à la base du glacier.

Ces informations ont été introduites dans un modèle à deux dimensions d’écoulement de la glace, afin de simuler le retrait du glacier depuis le Petit Age de la Glace (fin du 19ème siècle) selon différents scenarios.

Les résultats montrent que le modèle est capable de simuler l’évolution du glacier ces dernières décennies de manière réaliste et que le glacier McCall peut-être considéré comme un bon indicateur du changement climatique. Ils démontrent également que le retrait du front du glacier est principalement dû aux perturbations de son bilan de masse, chaque jour plus négatif. Cependant, la percolation et le regel d’une partie de l’eau de fonte sont des processus essentiels pour expliquer le maintien du glacier. Ceux-ci ont pour effet d’ajouter de la glace à l’ensemble du système qui serait autrement perdue par écoulement et drainage. De plus, ils ont paradoxalement pour effet de diminuer la température de la glace et participent donc à ralentir sa perte de masse.

En conclusion, la tendance générale au retrait du glacier McCall se confirme pour les années à venir et sa disparition semble inévitable. Cependant, nos résultats suggèrent que cette évolution future pourrait être moins rapide qu’annoncé, en raison de phénomènes complexes de regel d’une partie de l’eau de fonte jouant un rôle « tampon » en contrebalançant les effets directs du réchauffement atmosphérique dans la région.

Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Cao, Zhiyu. "Convection and its representation in global climate models." Thesis, University of Cambridge, 2016. https://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.709502.

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Kent, Michael L. "A mode-based metric for evaluating global climate models." Doctoral thesis, University of Cape Town, 2018. http://hdl.handle.net/11427/27832.

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Abstract:

Climate models are software tools that simulate the climate system and require evaluation to assess their skill, guide their development, and assist in selecting model simulations from among the many different ones available. There are a variety of methods and approaches that can be used to evaluate models. But there is no one best method and many possible and valid approaches exist. Models contain inherent uncertainties which complicate their evaluation, and include limitations in the knowledge of climate process dynamics and structural errors in constructing the models. Similar to the multiplicity of methods for the evaluation of model simulations, there also exist many possible approaches to addressing these sources of uncertainty. The challenge with uncertainty, is the difficulty in disaggregating it from the underlying element of legitimate chaotic behaviour in complex systems. In response, this dissertation is primarily one of methodological development to contribute to new ways of addressing the model evaluation challenge. The work defines and demonstrates a new evaluation method which complements the existing toolset. Specifically, the method defines a model performance metric that focuses on the extent to which a model is able to simulate global modes of climate variability (modes, e.g.: ENSO) evident in the observed climate data. Modes are one aspect of the climate that can be evaluated and are fundamental to model skill. Therefore their credible simulation is a necessary (but not sufficient) condition to ensuring that models are producing the right result (appropriate variability on the range of spatial and temporal scales) for the right reason. By ranking models by this metric of their skill in capturing fundamental global modes, poorly performing model simulations can be identified for potential exclusion (discounted). This metric therefore serves as a potential method to assist in the management of uncertainty when assessing multi-model data. The method develops a novel application of Independent Component Analysis (ICA). ICA is used to find representations of modes in a record of the present day climate (represented by reanalysis data), and then their degree of manifestation in global models is assessed. Recognising the large volume of model data (highly autocorrelated in space and time) the technique includes a data reduction technique to facilitate the evaluation of multiple model simulations. The technique also includes a novel measure of variance to differentiate it from a similar technique (Principal Component Analysis), and offers an approach to improve the consistency of results (signals) when using an unmixing matrix initialized with random values. As reanalysis data is itself a model product (constrained by observations), the performance metric is tested for its strength in discriminating modes by using two different reanalysis datasets and a dataset containing only Gaussian noise. The metric is found to perform predictably, and clearly demonstrates the ability to discriminate signal from noise when using geopotential height (GHT, 700mb and 500mb) and near surface air temperature data (TAS). The dependency of model performance on the variable measured by any metric can be a problem for model evaluation, as it introduces the choice of which variable should be measured to assess model performance. The ICA-based metric is found to be slightly less sensitive to a change in model rank between GHT (700mb) and TAS, compared to a similar novel variance metric (Fourier Distance) and a mean climate metric (bias). The ICA application is also found to produce plausible representations of modes (static maps), while a direct association to known modes is left for future work due to inherit complexities. The plausibility, consistency, and rank sensitivity of the novel application of ICA, suggests it has value in assisting the evaluation of multi-model datasets and the ensemble members for any one model.

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Li, Shan. "Régionalisation du climat avec le modèle LMDZ : étude méthodologique." Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066451/document.

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Abstract:

Ce manuscrit de thèse rapporte quelques études méthodologiques sur la régionalisation du climat par l’approche dynamique. Le domaine géographique couvre une large zone allant du milieu de l’Atlantique Nord à l’Europe de l’Est, et du Sahel à l’Arctique. La quête à tout prix d’une amélioration du climat régional n’est pas au cœur du manuscrit. Pourtant, l’accent est mis sur trois points clefs, généralement rencontrés par toutes tentatives de régionalisation du climat. Le premier point concerne le schéma d’imbrication : imbrication du sens unidirectionnel du GCM vers le RCM (one-way nesting, OWN) ou bidirectionnelle entre le GCM et le RCM (two-way nesting, TWN). Le deuxième point examine la réalisation technique d’imbrication, qui est généralement une opération de relaxation newtonienne ajoutée aux équations pronostiques du modèle. Le troisième point est sur l’effet du raffinement de maille dans le RCM. L’esprit général du manuscrit consiste à conceptualiser et réaliser des simulations numériques pour traiter ces trois points avec astuces afin de les isoler et quantifier. Le modèle de circulation générale LMDZ est utilisé pour l’ensemble des expériences. Il joue à la fois le rôle du GCM et celui du RCM. Dans les deux cas, il conserve strictement ses paramétrisations physique et sa configuration dynamique, ainsi que tous les forçages ou paramètres externes. La stratégie d’expérimentation, qualifiée comme Master versus Slave, consiste à réaliser des simulations sous deux protocoles reliés l’un et l’autre : « DS-300-to-300 » désigne Downscaling du GCM à 300 km de résolution horizontale au RCM qui est identique au GCM, aussi à 300 km de résolution spatiale ; « DS-300-to-100 » désigne Downscaling de 300 km (GCM) à 100 km (RCM). Il est clair que « DS-300-to-300 » est un cadre idéalisé, particulièrement approprié pour évaluer l’effet de l’opération de relaxation. Le protocole « DS-300-to-100 », soustrait du « DS-300-to-300 », permet d’évaluer très précisément l’effet de la résolution du RCM augmentée. Dans chaque protocole, deux schémas de communication entre le RCM et le GCM ont été implémentés, l’un (OWN) est la méthodologie classique du sens unique qui consiste à piloter le RCM par les sorties du GCM, l’autre (TWN) est d’établir un échange mutuel entre les deux modèles. Le climat régional est sensible au choix des schémas de communication entre le RCM et le GCM, surtout aux moyennes latitudes. TWN apporte une nette amélioration sur la représentation des informations frontalières. Au niveau des modes régionaux de circulation atmosphérique, exprimés en structures d’EOF, OWN et TWN sont tous deux capables de les reproduire, mais avec de légères déformations dans l’espace. La relaxation newtonienne, largement utilisée dans la régionalisation du climat, permet au RCM de bien suivre la trajectoire synoptique du GCM. Pourtant, la concomitance temporelle et la ressemblance spatiale sont dépendantes des variables considérées, des saisons, des régimes de temps, et des échelles spatio-temporelles de circulations atmosphériques. Des cas de dé-corrélation sont remarquables quand la circulation dominante de la région est de petites échelles. Le raffinement de maille augmente la liberté du RCM à développer sa dynamique interne, surtout aux petites échelles, mais aussi à l’ensemble du spectre de la circulation à travers l’interaction des échelles. Ainsi le RCM devient plus indépendant et s’écarte davantage du GCM. Cette thèse, autour des aspects méthodologiques de la régionalisation du climat, aide à avoir une meilleure compréhension sur la pratique. Elle adresse aussi un message de précaution à la communauté RCM et l’invite à bien vérifier leur méthodologie de régionalisation
The work developed in this thesis explores through methodological modelling studies the current techniques of climate regionalization. In this case, the regionalization focuses on a geographical domain covering from the North Atlantic to Eastern Europe longitudinal wise, and from the Sahel to the Arctic as a latitudinal interval. The aim of this thesis is not the improvement of regional climate modelling per se, but tackling three key questions that are commonly met by all attempts when trying to improve climate regionalization. Firstly, the choice and advantages of the nesting scheme: one-way nesting (OWN) versus two-way nesting (TWN). Secondly, the evaluation of the nesting method, which is generally a Newtonian relaxation operation added to the prognostic equations of the model. And finally, the consequences of the mesh refinement in Regional Circulation Models (RCM). The objective of this manuscript consists in conceptualizing and carrying out numerical simulations to answer these three questions by isolating each individual effect and quantifying the consequences of each of the effects. The general circulation model LMDZ is used for all experiments. It is able to play the role of the General Circulation Model (GCM) and the RCM, keeping the same physical parameterizations and the same dynamical configuration, as well as the same external forcings and model parameters. Our experimental set-up, referred as “Master versus Slave”, consists on two related protocols: “DS-300-to-300” and “DS-300-to-100”. The former implies the downscaling of the GCM at 300 km of horizontal resolution while the RCM has the identical resolution of 300 km. The latter implies the downscaling from 300 km (GCM) to 100 km (RCM). We have assumed the “DS-300-to-300” as an idealized framework, particularly appropriate to evaluate the relaxation operation effect. In parallel, the “DS-300-to-100” protocol, subtracted from the “DS-300-to-300”, allows assessing the effect of the increased resolution for the RCM. In each protocol, two communication schemes between the RCM and the GCM have been implemented. The first one -OWN- is the classic one-way methodology to control the RCM by the outputs of the GCM. The second one -TWN- is used to establish a mutual exchange between the two models (RCM and GCM). This thesis has found that climate regionalization is highly sensitive to the choice of the communication scheme between the RCM and the GCM, especially at mid-latitudes. TWN clearly improves the representation at the boundaries. For the regional atmospheric circulation modes, expressed in EOF structures, both OWN and TWN are able to reproduce them, but with a slight deformation in space. Newtonian relaxation, widely used in climate regionalization, allows the RCM to follow the GCM’s synoptic trajectory. However, temporal concomitance and spatial resemblance of the two depend on the variables considered, on the particular seasons selected, on the weather regimes, and on the spatiotemporal scales of atmospheric circulation. De-correlation cases are remarkable when the dominant circulation on a regional scale is small. Moreover, mesh refinement increases the freedom of the RCM to develop its internal dynamic circulation, especially at small scales, and also across the whole spectrum of circulation regimes through the scales in which the RCM operates. Thus, when resolution increases, the RCM becomes more independent from the GCM behavior and the model results deviate significantly from the GCM. Focused on the methodological aspects of climate regionalization, this thesis helps to gain a better understanding on the regionalization practice. Il also sends a precautionary message to the RCM community, kindly inviting to verify their regionalization strategy

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Li, Shan. "Régionalisation du climat avec le modèle LMDZ : étude méthodologique." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2017. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2017PA066451.pdf.

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Abstract:

Ce manuscrit de thèse rapporte quelques études méthodologiques sur la régionalisation du climat par l’approche dynamique. Le domaine géographique couvre une large zone allant du milieu de l’Atlantique Nord à l’Europe de l’Est, et du Sahel à l’Arctique. La quête à tout prix d’une amélioration du climat régional n’est pas au cœur du manuscrit. Pourtant, l’accent est mis sur trois points clefs, généralement rencontrés par toutes tentatives de régionalisation du climat. Le premier point concerne le schéma d’imbrication : imbrication du sens unidirectionnel du GCM vers le RCM (one-way nesting, OWN) ou bidirectionnelle entre le GCM et le RCM (two-way nesting, TWN). Le deuxième point examine la réalisation technique d’imbrication, qui est généralement une opération de relaxation newtonienne ajoutée aux équations pronostiques du modèle. Le troisième point est sur l’effet du raffinement de maille dans le RCM. L’esprit général du manuscrit consiste à conceptualiser et réaliser des simulations numériques pour traiter ces trois points avec astuces afin de les isoler et quantifier. Le modèle de circulation générale LMDZ est utilisé pour l’ensemble des expériences. Il joue à la fois le rôle du GCM et celui du RCM. Dans les deux cas, il conserve strictement ses paramétrisations physique et sa configuration dynamique, ainsi que tous les forçages ou paramètres externes. La stratégie d’expérimentation, qualifiée comme Master versus Slave, consiste à réaliser des simulations sous deux protocoles reliés l’un et l’autre : « DS-300-to-300 » désigne Downscaling du GCM à 300 km de résolution horizontale au RCM qui est identique au GCM, aussi à 300 km de résolution spatiale ; « DS-300-to-100 » désigne Downscaling de 300 km (GCM) à 100 km (RCM). Il est clair que « DS-300-to-300 » est un cadre idéalisé, particulièrement approprié pour évaluer l’effet de l’opération de relaxation. Le protocole « DS-300-to-100 », soustrait du « DS-300-to-300 », permet d’évaluer très précisément l’effet de la résolution du RCM augmentée. Dans chaque protocole, deux schémas de communication entre le RCM et le GCM ont été implémentés, l’un (OWN) est la méthodologie classique du sens unique qui consiste à piloter le RCM par les sorties du GCM, l’autre (TWN) est d’établir un échange mutuel entre les deux modèles. Le climat régional est sensible au choix des schémas de communication entre le RCM et le GCM, surtout aux moyennes latitudes. TWN apporte une nette amélioration sur la représentation des informations frontalières. Au niveau des modes régionaux de circulation atmosphérique, exprimés en structures d’EOF, OWN et TWN sont tous deux capables de les reproduire, mais avec de légères déformations dans l’espace. La relaxation newtonienne, largement utilisée dans la régionalisation du climat, permet au RCM de bien suivre la trajectoire synoptique du GCM. Pourtant, la concomitance temporelle et la ressemblance spatiale sont dépendantes des variables considérées, des saisons, des régimes de temps, et des échelles spatio-temporelles de circulations atmosphériques. Des cas de dé-corrélation sont remarquables quand la circulation dominante de la région est de petites échelles. Le raffinement de maille augmente la liberté du RCM à développer sa dynamique interne, surtout aux petites échelles, mais aussi à l’ensemble du spectre de la circulation à travers l’interaction des échelles. Ainsi le RCM devient plus indépendant et s’écarte davantage du GCM. Cette thèse, autour des aspects méthodologiques de la régionalisation du climat, aide à avoir une meilleure compréhension sur la pratique. Elle adresse aussi un message de précaution à la communauté RCM et l’invite à bien vérifier leur méthodologie de régionalisation
The work developed in this thesis explores through methodological modelling studies the current techniques of climate regionalization. In this case, the regionalization focuses on a geographical domain covering from the North Atlantic to Eastern Europe longitudinal wise, and from the Sahel to the Arctic as a latitudinal interval. The aim of this thesis is not the improvement of regional climate modelling per se, but tackling three key questions that are commonly met by all attempts when trying to improve climate regionalization. Firstly, the choice and advantages of the nesting scheme: one-way nesting (OWN) versus two-way nesting (TWN). Secondly, the evaluation of the nesting method, which is generally a Newtonian relaxation operation added to the prognostic equations of the model. And finally, the consequences of the mesh refinement in Regional Circulation Models (RCM). The objective of this manuscript consists in conceptualizing and carrying out numerical simulations to answer these three questions by isolating each individual effect and quantifying the consequences of each of the effects. The general circulation model LMDZ is used for all experiments. It is able to play the role of the General Circulation Model (GCM) and the RCM, keeping the same physical parameterizations and the same dynamical configuration, as well as the same external forcings and model parameters. Our experimental set-up, referred as “Master versus Slave”, consists on two related protocols: “DS-300-to-300” and “DS-300-to-100”. The former implies the downscaling of the GCM at 300 km of horizontal resolution while the RCM has the identical resolution of 300 km. The latter implies the downscaling from 300 km (GCM) to 100 km (RCM). We have assumed the “DS-300-to-300” as an idealized framework, particularly appropriate to evaluate the relaxation operation effect. In parallel, the “DS-300-to-100” protocol, subtracted from the “DS-300-to-300”, allows assessing the effect of the increased resolution for the RCM. In each protocol, two communication schemes between the RCM and the GCM have been implemented. The first one -OWN- is the classic one-way methodology to control the RCM by the outputs of the GCM. The second one -TWN- is used to establish a mutual exchange between the two models (RCM and GCM). This thesis has found that climate regionalization is highly sensitive to the choice of the communication scheme between the RCM and the GCM, especially at mid-latitudes. TWN clearly improves the representation at the boundaries. For the regional atmospheric circulation modes, expressed in EOF structures, both OWN and TWN are able to reproduce them, but with a slight deformation in space. Newtonian relaxation, widely used in climate regionalization, allows the RCM to follow the GCM’s synoptic trajectory. However, temporal concomitance and spatial resemblance of the two depend on the variables considered, on the particular seasons selected, on the weather regimes, and on the spatiotemporal scales of atmospheric circulation. De-correlation cases are remarkable when the dominant circulation on a regional scale is small. Moreover, mesh refinement increases the freedom of the RCM to develop its internal dynamic circulation, especially at small scales, and also across the whole spectrum of circulation regimes through the scales in which the RCM operates. Thus, when resolution increases, the RCM becomes more independent from the GCM behavior and the model results deviate significantly from the GCM. Focused on the methodological aspects of climate regionalization, this thesis helps to gain a better understanding on the regionalization practice. Il also sends a precautionary message to the RCM community, kindly inviting to verify their regionalization strategy

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Moufouma-Okia, Wilfran. "Modélisation du climat de l'Afrique de l'Ouest avec le modèle régional MAR." Grenoble INPG, 2003. http://www.theses.fr/2003INPG0025.

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Lohmann, Ulrike, Johannes Quaas, Stefan Kinne, and Johann Feichter. "Different approaches for constraining global climate models of the anthropogenic indirect aerosol effect: Different approaches for constraining global climate models of theanthropogenic indirect aerosol effect." American Meteorological Society, 2007. https://ul.qucosa.de/id/qucosa%3A13992.

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Casado, Lopez Alberto. "Simulation du climat en Méditerranée dans un modèle couplé régional." Paris 6, 2011. http://www.theses.fr/2011PA066699.

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Abstract:

L’objet de cette thèse est l’étude du climat de la région Méditerranéenne à l’aide d’un modèle climatique. La présence de la Mer ainsi que la forte orographie qui modulent le climat régional vers les petites-échelles rend nécessaire l’utilisation d’un modèle couplé et régional. Le modèle LMDZ-Med/NEMO MED8 provient du couplage du modèle régional atmosphérique LMDZ-Med et du modèle régional océanique NEMO MED8. Ce modèle permet de réaliser une simulation de 44 ans dans la période 1958-2001 à l’échelle journalière. On performe un downscaling des données ERA40 à l’aide de LMDZ-Med/NEMO MED8. Dans une première partie, on valide le modèle par rapport aux observations, et notamment à MEDATLAS, une compilation climatologique basée sur les observations. Les résultats montrent l’accord du modèle avec MEDATLAS pour les variables de surface, ainsi que la formation d’eau profonde dans les bassins principaux. La convection profonde dans le Golfe du Lion est étudiée. Les étapes du processus ainsi que les différentes causes sont mises en avant. La chronologie est en accord avec les études menées. Le modèle permet de suivre les événements météorologiques, en particulier la tempête du 11 février 1999 et son effet dans l approfondissement de la couche de mélange océanique. La rétroaction de la SST sur le flux de chaleur est étudiée en appliquant la méthode de Frankignoul [2002] pour la première fois dans la Méditerranée. Le coefficient de rétroaction est négatif et montre des caractéristiques liées à la dynamique du climat sur ces régions. La Méditerranée apparaît comme une zone propice à l interaction océan-atmosphère.

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Christidis, Nikolaos. "Halocarbon radiative forcing in radiation and general circulation models." Thesis, University of Reading, 1999. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.312563.

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Graham, Timothy. "Sensitivity of the global climate to vertical ocean diffusivity and other parameters in coupled climate models." Thesis, University of East Anglia, 2008. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.492866.

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Geil, Kerrie L., and Kerrie L. Geil. "Assessing the 20th Century Performance of Global Climate Models and Application to Climate Change Adaptation Planning." Diss., The University of Arizona, 2017. http://hdl.handle.net/10150/623015.

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Abstract:

Rapid environmental changes linked to human-induced increases in atmospheric greenhouse gas concentrations have been observed on a global scale over recent decades. Given the relative certainty of continued change across many earth systems, the information output from climate models is an essential resource for adaptation planning. But in the face of many known modeling deficiencies, how confident can we be in model projections of future climate? It stands to reason that a realistic simulation of the present climate is at least a necessary (but likely not sufficient) requirement for a model’s ability to realistically simulate the climate of the future. Here, I present the results of three studies that evaluate the 20th century performance of global climate models from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5). The first study examines precipitation, geopotential height, and wind fields from 21 CMIP5 models to determine how well the North American monsoon system (NAMS) is simulated. Models that best capture large-scale circulation patterns at low levels usually have realistic representations of the NAMS, but even the best models poorly represent monsoon retreat. Difficulty in reproducing monsoon retreat results from an inaccurate representation of gradients in low-level geopotential height across the larger region, which causes an unrealistic flux of low-level moisture from the tropics into the NAMS region that extends well into the post-monsoon season. The second study examines the presence and severity of spurious Gibbs-type numerical oscillations across the CMIP5 suite of climate models. The oscillations can appear as unrealistic spatial waves near discontinuities or sharp gradients in global model fields (e.g., orography) and have been a known problem for decades. Multiple methods of oscillation reduction exist; consequently, the oscillations are presumed small in modern climate models and hence are rarely addressed in recent literature. Here we quantify the oscillations in 13 variables from 48 global climate models along a Pacific ocean transect near the Andes. Results show that 48% of nonspectral models and 95% of spectral models have at least one variable with oscillation amplitude as large as, or greater than, atmospheric interannual variability. The third study is an in-depth assessment model simulations of 20th century monthly minimum and maximum surface air temperature over eight US regions, using mean state, trend, and variability bias metrics. Transparent model performance information is provided in the form of model rankings for each bias type. A wide range in model skill is at the regional scale, but no strong relationships are seen between any of the three bias types or between 20th century bias and 21st century projected change. Using our model rankings, two smaller ensembles of models with better performance over the southwestern U.S. are selected, but they result in negligible differences from the all-model ensemble in the average 21st century projected temperature change and model spread. In other words, models of varied quality (and complexity) are projecting very similar changes in temperature, implying that the models are simulating warming for different physical reasons. Despite this result, we suggest that models with smaller 20th century biases have a greater likelihood of being more physically realistic and therefore, more confidence can be placed in their 21st century projections as compared to projections from models that have demonstrably poor skill over the observational period. This type of analysis is essential for responsibly informing climate resilience efforts.

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Cosme, Emmanuel. "Cycle du soufre des moyennes et hautes latitudes Sud dans un modèle de circulation générale atmosphérique." Phd thesis, Université Joseph Fourier (Grenoble), 2002. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00705168.

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Abstract:

L'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension du cycle atmosphérique du soufre en Antarctique par l'utilisation d'un Modèle de Circulation Générale Atmosphérique (MCGA). Les versions "Antarctique" et "soufre" du MCGA LMD-ZT ("Laboratoire de Météorologie Dynamique- Zoom Traceurs") ont été fusionnées pour l'étude à haute résolution Antarctique du cycle du soufre dans les moyennes et hautes latitudes Sud. Une méthode de forçage "latéral" de la circulation atmosphérique antarctique par des analyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme (CEPMMT) a été spécifiquement développée et appliquée. Le modèle a d'abord été évalué. Il représente correctement le cycle saisonnier des espéces soufrées aux sites d'observation en Antarctique. Plusieurs défauts ont cependant été identifiés , discutés, et certains ont été étudiés par des expériences numériques spécifiques. Ceci nous a permis, dans la suite de ce travail, de décrire de manière critique le cycle du soufre en Antarctique à partir des résultats du modèle. Le modèle a été utilisé pour trois applications. La première a été une mise en oeuvre directe du modèle, tel qu'il a été évalué, dans le but d'estimer les distributions spatiales, le cycle saisonnier dans les régions centrales, et le bilan annuel des espèces soufrées en Antarctique. La deuxième se présente sous forme d'études de sensibilité à la formulation des émissions de sulfure de diméthyle (DMS) océanique, que la phase d'évaluation a révélé comme déterminante pour la modélisation du cycle du soufre. Pour la troisième, l'adjoint du modèle de transport (qui, en première approximation, permet de remonter le temps), complété par l'adjoint du module chimique spécifiquement développé pour ce travail, a été mis en oeuvre pour une recherche quantitative de l'origine géographlque et de l'âge des espèces soufrées en Antarctique.

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Roche, Didier. "Isotopes de l'oxygène en paléoclimatologie : l'apport d'un modèle de complexité intermédiaire." Paris 6, 2005. http://www.theses.fr/2005PA066352.

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Fountoukis, Christos. "Continued Development of a Cloud Droplet Formation Parameterization for Global Climate Models." Thesis, Georgia Institute of Technology, 2005. http://hdl.handle.net/1853/7158.

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Abstract:

This study presents continued development of the Nenes and Seinfeld (2003) cloud droplet activation parameterization. First, we expanded the formulation to i) allow for a lognormal representation of aerosol size distribution, and, ii) include a size-dependant mass transfer coefficient for the growth of water droplets to accommodate the effect of size (and potentially organic films) on the droplet growth rate. The performance of the new scheme is evaluated by comparing the parameterized cloud droplet number concentration with that of a detailed numerical activation cloud parcel model. The resulting modified parameterization robustly and closely tracks the parcel model simulations, even for low values of the accommodation coefficient (average error 4.11.3%). The modifications to include the effect of accommodation coefficient do not increase the computational cost but substantially improves the parameterization performance. This work offers a robust, computationally efficient and first-principles approach for directly linking complex chemical effects (e.g., surface tension depression, changes in water vapor accommodation, solute contribution from partial solubility) on aerosol activation within a global climate modeling framework.

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Karlsson, Johannes. "The influence of clouds on Earth's radiation budget in global climate models /." Stockholm : Department of Meteorology, Stockholm University, 2009. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:su:diva-29276.

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Abstract:

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Stockholms universitet, 2009.
At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 1: Submitted. Paper 2: Submitted. Paper 4: Manuscript. Härtill 4 uppsatser.

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Oudin, Ludovic. "Recherche d'un modèle d'évapotranspiration potentielle pertinent comme entrée d'un modèle pluie-débit global." Phd thesis, ENGREF (AgroParisTech), 2004. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00000931.

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Abstract:

L'objectif de notre recherche est d'améliorer les performances des modèles pluie-débit par une meilleure prise en compte de l'ETP au sein de ces modèles. Pour cela, l'échantillon de bassins versants étudiés devait représenter diverses conditions climatiques et hydrologiques. L'assemblage des différentes données collectées (pluie, débit et paramètres climatiques) a permis l'élaboration d'un échantillon de 308 bassins versants dont 221 français, 79 nord-américains et 8 australiens. L'avantage de travailler sur un échantillon assez vaste est de tirer des conclusions relativement libres de toute dépendance vis à vis des caractéristiques particulières de tel ou tel bassin. De plus, quatre modèles pluie-débit ont été utilisés: le modèle GR4J et des versions globales des modèles HBV, IHACRES et TOPMODEL. Tout d'abord, une étude de sensibilité de ces modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP a été entreprise. Deux aspects ont été traités en particulier. La première motivation était de tester l'impact d'une connaissance fine du climat par rapport à une connaissance des normales (moyennes interannuelles). Les résultats ont confirmé le manque d'utilisation judicieuse de l'information datée contenue dans les formules d'ETP par les modèles pluie-débit. Le deuxième aspect était de tester plusieurs formules pour représenter les variations de l'ETP au sein des modèles pluie-débit. Les résultats ont montré là aussi une faible sensibilité des modèles quant au choix fait pour la formule d'ETP. Nous avons porté en particulier notre attention sur la formule de Penman, couramment utilisée en modélisation, car elle est la plus satisfaisante d'un point de vue physique, à l'échelle de la parcelle. En modélisation pluie-débit, elle est dépassée par d'autres formules plus simples (utilisant moins de données climatiques). Ainsi, nous pouvons parler de la pertinence d'autres formules que Penman pour la modélisation: des formules simples faisant intervenir uniquement la température de l'air sont aussi performantes que la formule de Penman. D'un point de vue opérationnel, ces résultats sont extrêmement rassurants puisqu'ils suggèrent qu'une entrée d'ETP simple à obtenir peut être utilisée à la place de formules d'ETP plus demandeuses en données. Cependant, d'un point de vue scientifique, le constat d'apparente insensibilité des modèles pluie-débit à l'entrée d'ETP est préoccupant. En effet, le modèle semble se contenter d'une représentation extrêmement simplifiée de la demande évaporatoire. Pourtant, il est légitime de penser que le modèle serait plus performant s'il prenait mieux en compte cette information supplémentaire. Les hypothèses avancées pour expliquer la faible sensibilité des modèles à l'entrée d'ETP sont multiples : - S'agit-il d'un phénomène naturel que le modèle retranscrit assez fidèlement ? - Faut-il remettre en cause la structure du modèle, notamment la partie traitant l'évaporation ? - Les formules d'ETP traditionnelles sont-elles inadaptées à la modélisation pluie-débit ? Alors que la première interrogation nous semblait difficile à investiguer, les deux autres étaient plus à la portée d'un utilisateur de modèles pluie-débit conceptuels. Pour cela, nous avons utilisé une approche par données synthétiques d'ETP qui permet notamment de lever toute incertitude sur la pertinence des données d'ETP. Les résultats ont montré que les différences entre ETP datées et interannuelles étaient presque totalement absorbées par les réservoirs de production des modèles pluie-débit. Le modèle se comporte donc comme un filtre passe-bas pour les données atmosphériques, atténuant ainsi la variabilité temporelle des entrées climatiques.

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Perrin, Charles. "Vers une amélioration d'un modèle global pluie-débit." Phd thesis, Grenoble INPG, 2000. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006216.

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Abstract:

Il existe actuellement un grand nombre de modèles hydrologiques conceptuels ou empiriques globaux permettant de simuler la transformation de la pluie en débit à l'échelle du bassin versant. Notre étude comparative a permis de tester 38 structures de modèles sur un large échantillon de 429 bassins versants situés en France, aux Etats-Unis, en Australie, en Côte d'Ivoire et au Brésil. Les structures ont toutes été évaluées dans le même cadre de test, avec les mêmes données d'entrée. Leurs paramètres ont été calés par une méthode d'optimisation locale qui a prouvé de bonnes capacités à identifier un optimum satisfaisant. Les performances en terme de qualité des simulations des débits observés ont été évaluées grâce à un ensemble de critères quantitatifs, dont certains correspondent à des formulations nouvelles. Les tests réalisés indiquent qu'un faible nombre de paramètres libres (3 à 5) est suffisant pour obtenir des résultats aussi satisfaisants que des structures avec un plus grand nombre de degrés de liberté, l'augmentation de leur nombre limitant la robustesse du modèle. Par ailleurs, la structure du modèle joue un rôle prépondérant sur la qualité des simulations. Certains outils mathématiques contenus dans différentes structures apparaissent complémentaires et leur association au sein d'un même modèle permet d'améliorer les simulations de débit. La structure du modèle simple GR3J a ainsi pu être modifiée pour obtenir une structure à quatre paramètres plus satisfaisante, avec notamment une meilleure simulation des étiages.

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Perkins, Sarah Elizabeth Biological Earth &amp Environmental Sciences Faculty of Science UNSW. "Evaluation and 21st century projections of global climate models at a regional scale over Australia." Awarded By:University of New South Wales. Biological, Earth & Environmental Sciences, 2010. http://handle.unsw.edu.au/1959.4/44906.

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Abstract:

This thesis explores the ability of global climate models (GCMs) to simulate observed conditions at regional scales by examining probability density functions (PDFs) of daily minimum temperature (Tmin), maximum temperature (Tmax) and precipitation (P). Two new measures of model skill are proposed using PDFs of observed and modelled data. The first metric (Sscore) compares the amount of overlap between the two PDFs. The second metric (Tailskill) is the weighted difference between the PDF tails, where extreme events are represented. The resulting measures of skill are used to differentiate, at a regional scale, between weaker and stronger models. It is investigated whether the weaker models bias future projections given by multi-model ensembles, increasing the uncertainty in the range of projected values and the change from the 20th Century. The Sscore is demonstrated to be robust against inhomogenities found in highdensity Australian datasets, and is a simple and quantitative measure of how well each GCM can simulate all observed events. This methodology is executed for twelve Australian regions of varying climates for all Intergovernmental Panel on Climate Change 4th Assessment Report models for which daily data was available for 1961-2000. Across Tmin, Tmax and P some GCMs perform well, demonstrating that some GCMs provide credible simulations of climate at sub-continental scales. Projections of the annual and seasonal mean and yearly return values over the A2 and B1 emission scenarios are investigated. Models are omitted from an ensemble based on their ability to simulate the observed PDF at regional scales. The stronger models are generally in agreement with the change in mean values, particularly for Tmin and Tmax, though it is shown that they vary in their projections of the yearly return value at least twice as much as projections in the mean values. Lastly, a means-based evaluation method, the Sscore and the Tailskill are employed to differentiate between weaker and stronger models for projections in the 20-year return value of Tmin and Tmax. Weaker-skilled ensembles project larger increases in 20-year return values than stronger-skilled ensembles, such that in some regions for maximum temperature the ensembles are statistically significantly different. Demonstrably weaker models bias projections given by an all-model ensemble and should be excluded so the most reliable estimates of future climate can be obtained.

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Mitchell, Timothy D. "An investigation of the pattern scaling technique for describing future climates." Thesis, University of East Anglia, 2001. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.390635.

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Dissertations / Theses on the topic 'Modèle de climat global'

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