Tesis sobre el tema "Changements climatiques – Régions polaires"

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La révélation de l’origine anthropique des changements climatiques et l’ampleur inédite de ce phénomène ont fait émerger la nécessité de réponse politique pour y faire face. L’adaptation aux changements climatiques (ACC) constitue l’une des réponses formulées par la communauté internationale pour répondre au problème climat. Si le dérèglement anthropique du climat est un problème environnemental planétaire, les effets se manifestent de l’échelle globale jusqu’au niveau très local. Malgré les incertitudes durables associées à ce problème climatique, différentes formes d’injonction législative et politique incitent aujourd’hui les acteurs locaux à intégrer les effets des CC dans leurs politiques territoriales. Les modalités de construction de ces adaptations aux changements climatiques restent toutefois encore largement méconnues. Cette thèse cherche ainsi à comprendre les modalités de déclinaison territoriale de l’adaptation aux changements climatiques dans l’action publique locale. En s’appuyant sur quatre études de cas, aux échelles territoriales et aux caractéristiques différentes, la thèse vérifie, d’une part, l’hypothèse d’une nécessaire territorialisation de l’ACC, conduisant à des formulations différenciées des réponses locales d’adaptation. D’autre part, ce sont les conséquences de l’intégration de l’ACC sur les façons de faire et de penser les politiques d’aménagement qui sont appréhendées à l’échelle locale
The revelation of anthropogenic climate changes and the unprecedented scale of this phenomenon led to the emergence of policy responses to deal with. Adaptation to Climate Change (ACC) is one of the responses promoted by the international community to solve the climate problem. If the anthropic climate changes are a global environmental problem, their effects occur from the overall scale to the very local level. In spite of irreducible uncertainties associated to the phenomenon, different forms of legislative and political injunction encourage local actors to incorporate the effects of climate changes in their territorial policies. However, the ways of elaborating local adaptation policy are still largely unknown. This thesis seeks to understand and point out the “territorialization” dynamics of local public action in the field of adaptation.Our two hypothesis deals with, on the one hand, the necessary regionalization of climate change adaptation, leading to differentiated formulations of local responses to adaptation. On the other hand, our research seeks to appreciate the consequences of the integration of climate change adaptation on ways of thinking planning policies. To demonstration these assumptions, we base our analysis on four case studies led at various scales and presenting different characteristics

L'ozone est un constituant important dans la chimie de l'atmosphère, cela malgré sa faible concentration. L'ozone stratoshérique joue un rôle essentiel à la fois dans la régulation des radiations ultraviolettes du soleil connues pour être dangereuses aux différentes formes de vie sur Terre et également dans l'équilibre radiatif influençant le climat global. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'évolution temporelle et spatiale de l'ozone stratosphérique polaire entre 1979 et 2012, ainsi qu'à son interaction avec le changement climatique, avec une attention particulière pour les années après 2000. L'analyse de la dynamique des hivers arctiques révèle une augmentation des évènements de forts réchauffements (EFR) ces dernières années (comparaisons faites entre les hivers 1998/99 et 2009/10). Alors qu'on compte 13 EFRs lors des 12 derniers hivers (soit 11EFR/décennie), le nombre moyen entre les hivers 1957/58 et 2009/10 s'élève à 7 EFR/décennie. Une étude chimique de la destruction de l'ozone lors des 17 derniers hivers (1993/94-2009/10) montre que celle-ci est inversement proportionnelle à l'intensité des EFRs. De même, il semble que, pour chaque hiver, plus l'EFR se produit tôt dans l'année (Décembre-Janvier), plus la perte d'ozone enregistrée est faible. Ainsi la fréquence des EFRs lors des récents hivers arctiques joue un rôle significatif sur la concentration moyenne d'ozone stratospherique dans l'hémisphère Nord et par conséquent également sur le climat arctique et global. Une analyse détaillée de la destruction d'ozone lors des hivers arctiques 1996/97 et 2002/03-2010/11 montre que l'hiver 2002/03 a subit un EFR et trois réchauffements mineurs. Pourtant, lors de cet hiver, une grande quantité d'ozone a été détruite à la fin du mois de mars. Environ 1.5 ppmv détruit entre 450 et 500 K, ou 65 DU entre 400 et 550 K qui s'ajoutent aux 0.7 ppmv détruit au mois de décembre (il s'agit de la plus forte perte d'ozone enregistrée au mois de décembre entre les hivers 1988/89 et 2010/11). La plus forte perte d'ozone enregistrée sur un hiver entier lors de cette décennie a été observée en 2010/11 (soit environ 2.5ppmv entre 400-500K ou 140DU entre 350-550K). L'étude montre également que, pour la première fois depuis que nous observons l'ozone, la quantité d'ozone détruite lors de cet hiver est comparable à celle détruite lors de certains hivers en Antarctique. Nous montrons que cette destruction d'ozone record est due à une activation des chlorines et une denitrification importante et prolongée lors de cet hiver. La perte d'ozone lors des autres hivers est de l'ordre de 0.7 à 1.6 ppmv autour de 475 K ou 40 à 115 DU entre 350 et 550 K (la plus petite destruction d'ozone ayant été mesurée lors de l'hiver 2005/06, particulièrement chaud). Pour l'Antarctique, une méthode est proposée pour estimer la tendance à long terme de la destruction chimique de l'ozone. Cette méthode est utilisée sur la période 1989-2012 pour estimer, en colonne totale, les tendances d'ozone à partir d'observations au sol et satellitaires. A l'intérieur du vortex polaire, nous montrons que la perte moyenne d'ozone se situe entre 33-50% pendant la période 1989-1992. Cette valeur est en accord avec l'augmentation de la concentration d'halogène lors de cette même période. Après cette période, la perte moyenne d'ozone semble atteindre une valeur de saturation aux alentours de 48%. La destruction d'ozone lors des hivers les plus chauds (e.g. 2002 et 2004) est légèrement inférieure (37-46%) et celle des hivers les plus froids (e.g. 2003 et 2006), légèrement supérieure (52-55%). La perte maximum d'ozone en Antarctique est observée entre le milieu du mois de septembre et le milieu du mois d'octobre, et la plus forte valeur de perte d'ozone est observée entre fin août et début septembre, atteignant en moyenne 0.5%/jr. Des analyses basées à la fois sur des profils d'ozone simulés grâce à un modèle haute résolution et sur des profils observés par instrument satellitaire lors des 7 hivers antarctiques entre 2004 et 2010, montrent également que les plus fortes pertes d'ozone coincident avec les hivers les plus froids de 2005 et 2006. Lors de ces deux hivers, la perte d'ozone a atteint 3.5 ppmv entre 450 et 550 K, ou 180 DU entre 350 et 850 K. Les deux hivers les plus chauds (2004 et 2010) ont connu les plus faibles pertes d'ozone (environ 2.5 ppmv entre 450 et 550 K, ou 160 DU entre 350 et 850 K). En Antarctique, l'altitude du maximum de destruction d'ozone est 500 K, cependant, pendant les hivers les plus froids et les hivers les plus chauds, ce maximum est 25 K plus haut (respectivement plus bas). Ce déplacement du maximum de perte permettant ainsi clairement de distinguer les hivers froids des hivers chauds. Cette étude montre également que la relative faible perte d'ozone ainsi que le trou d'ozone des récents hivers antarctiques (2004-2010) sont due à des phénomènes de réchauffement moindre.

Le travail s'articule autour de trois grandes questions. 1 - Comment e st née l a géomo rpholo gie paraglaciair e ? La première partie relève d'une approche épistémologique de la géomorphologie paraglaciaire. Le premier chapitre reprend les contributions scientifiques fondatrices du concept de paraglaciaire des années 1970, et les replace dans une perspective sémantique en analysant les travaux conduits depuis le 19e siècle sur les milieux englacés et leurs marges. Church et Ryder (1972) définissaient le terme de paraglaciaire comme " non-glacial processes conditioned by glaciation ". En 2002, Ballantyne a proposé une définition plus large du concept : " earth surface processes, sediments, landforms, landsystems and landscapes that are directly conditioned by former glaciation and deglaciation ". Le deuxième chapitre analyse donc les apports de trente années de recherche en géomorphologie paraglaciaire, reprend le concept de géosystème paraglaciaire et analyse les sous-systèmes (gravitaire, fluvial, lacustre, éolien, littoral, marin et socio-spatial) face aux séquences paraglaciaires. 2 - Qu'est -ce qu'une crise paraglaciaire ? La deuxième partie se propose de délimiter les contours de la géomorphologie paraglaciaire dans le cadre d'une approche spatio-temporelle. Le troisième chapitre étudie les changements climatiques susceptibles d'être à l'origine des crises temporelles paraglaciaires. Le quatrième chapitre définit les crises paraglaciaires et met l'accent sur les temporalités de ces moments clés dans l'histoire des environnements englacés. Sur le plan temporel, le paraglaciaire désigne avant tout une séquence morphologique, une crise d'érosion, qui suit la séquence glaciaire précédente. Ces crises s'illustrent par des temporalités variées, des accélérations des transferts sédimentaires surtout dans les matériaux meubles et une extension des emprises spatiales des phénomènes associées à la disparition des glaciers puisque le ruissellement redistribue les sédiments des zones proglaciaires jusqu'à la mer. Les versants sont soumis à des stress physiques générant des décohésions des parois. Les dépôts de versants sont affectés par des ravinements majeurs. Les systèmes fluviaux enregistrent des aggradations ou des dissections en fonction de la variabilité des apports, de l'énergie des processus, de la variabilité des niveaux de base locaux, régionaux ou globaux. Ils connaissent de profondes métamorphoses qu'illustrent les adaptations des variables morphologiques. Les littoraux meubles paraglaciaires bénéficient d'un apport tel en sédiments qu'ils progradent sur les marges des secteurs en phase de déglaciation. Des crises volcaniques sont également associées à ces crises climatiques et un volcanisme paraglaciaire s'observe dans des régions comme l'Islande. Les apports majeurs à la compréhension de ces crises paraglaciaires viennent des progrès technologiques pour évaluer les bilans sédimentaires et pour les dater. Une crise paraglaciaire est définie par des indicateurs comme les taux d'ablation, taux d'incision, taux de production primaire de débris, taux de transferts sédimentaires, taux de sédimentation. Ces indicateurs montrent qu'ils dépassent pendant un laps de temps t, d'un facteur n, les résultats enregistrés pendant la séquence t-1 et t +1. Cet écart est variable d'un indicateur à l'autre et d'un système à l'autre. La durée de la séquence paraglaciaire est donc d'une grande variabilité, mais doit être limitée à cette rupture temporelle dans l'évolution d'un environnement au cours duquel il est perturbé. 3 - Quels sont les apports de la géomorphologie paraglaciaire à la compréhension de l'évolution des milieux froids ? La troisième partie interroge des modelés des milieux froids pour appréhender la part du paraglaciaire ; du glaciaire et du périglaciaire dans leur évolution. Le cinquième chapitre détermine les formes paraglaciaires au sens strict. Les deux processus paraglaciaires par excellence sont d'une part la décohésion postglaciaire qui affecte les parois rocheuses et d'autre part, le ruissellement alimenté par la fonte de la glace des glaciers et celle de la glace morte qui remobilise les sédiments meubles. Ainsi, des formes d'ablation et d'accumulation associées à ces dynamiques sont elles représentatives de cette dynamique paraglaciaire (grands glissements, écroulements, éboulements massifs). En revanche, le ruissellement très actif au cours de la séquence paraglaciaire est à l'origine de la construction de formes de ravinement, d'incision et d'accumulation (cônes de déjection...). Les signatures sédimentologiques sont alors différentes et les vitesses de sédimentation sont plus élevées que lors des autres séquences morphogéniques. Toutes les zones de stockage (bas de versant, lacs, plaines alluviales, fjords...) offrent des espaces propices à l'évaluation de ces temporalités et des bilans sédimentaires associés. Le sixième chapitre reprend les grandes formes du " panthéon " glaciaire (cirques, vallées en auge, fjords, moraines, drumlins, eskers, kames) et périglaciaire (glaciers rocheux, tabliers et cônes d'éboulis) pour évaluer la part des séquences paraglaciaires dans la genèse et l'évolution de ces morphologies. Le terme de parapériglaciaire est défini. Le paraglaciaire est un concept clé pour comprendre l'évolution des milieux ayant été englacés et il recouvre une réalité très large sur le plan spatial puisqu'il peut s'appliquer à tous les espaces à la surface de la terre ayant été englacées au cours des séquences froides du Pléistocène et leurs périphéries, et qui ne le sont plus aujourd'hui, soit environ 40 % de la surface terrestre, auxquelles s'ajoutent les espaces de sédimentation offshore. Par ailleurs, il reste aujourd'hui environ 10 % d'espaces englacés, dont une fraction est susceptible de connaître une séquence de déglaciation dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Né dans les années 1970 au Canada, le concept de paraglaciaire apporte incontestablement une clé de lecture pour la compréhension de l'évolution des paysages applicable à toutes les zones ayant connu directement ou indirectement des phases de glaciation-déglaciation. À l'heure d'une réflexion sur l'impact des changements climatiques sur les environnements, le concept de paraglaciaire ouvre des perspectives et renouvelle les approches géomorphologiques classiques en mettant l'accent sur les stocks sédimentaires, les flux, les bilans, les rythmes et les crises.

Les régions polaires sont particulièrement touchées par le changement climatique actuel, en raison des mécanismes d'amplification qui y opèrent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des témoins précieux des variations paléoclimatiques locales et donnent aussi accès à des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de thèse repose sur l'obtention d'informations délivrées par l'air progressivement emprisonné sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace : la composition élémentaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en méthane. Nos résultats permettent de progresser sur trois aspects différents mais intimement liés : (i) L'évolution passée de la structure des névés en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en évidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se développer dans le névé en période glaciaire. L'étude conjointe des profils isotopiques de l'azote ("15N) mesurés sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggèrent que l'évolution de la structure du névé des deux sites ne répond plus de manière simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci dépasse un seuil de 5 ±1.5 cm eq. glace an- 1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploité le premier enregistrement de "O2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piégé dans la glace de EDC. Alors qu'il semble délicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les périodes de faible excentricité, le "O2/N2 se révèle être un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane nous permet d'établir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le début de la dernière période glaciaire (75 000-123 000 ans) avec une incertitude inférieure à 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de décrire les variations climatiques rapides au début de la dernière période glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en évidence une variabilité climatique sub-millénaire superposée à la succession classique des évènements de Dansgaard Oeschger, i.e. des évènements précurseurs aux évènements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous démontrons que le mécanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est également opérationnel à l'échelle sub- millénaire. Une étude multiparamétrique sur le premier événement abrupt enregistré dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet événement caractérise la transition entre la dernière période interglaciaire et la mise en place d'une variabilité abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos résultats établit un lien étroit entre la dynamique climatique rapide à l'échelle millénaire et les composantes à évolution lente qui imposent l'état de base du système climatique (configuration orbitale, volume des glaces).

Dans les milieux froids, l'évolution des paysages a déjà été largement présentée comme le fait des processus morphogéniques glaciaires et périglaciaires. Or cette étude, menée au Spitsberg nord-occidental montre que le ruisselement, processus d'érosion azonal, occupe une place prépondérante dans le concert des processus de ce milieu polaire océanique. Alimenté par la fonte des stocks hydrologiques glaciaires et nivaux, le ruisselement enregistre des rythmes thermiques saisonniers de juin à septembre. Cependant, le ruissellement ne devient morphologiquement efficace que lorsqu'une couche active se met en place et autorise l'érosion des enveloppes paysagères. Ainsi, des versants aux littoraux, en passant par les moraines et les sandurs, chaque entité du Spitsberg enregistre les marques de ce processus d'ablation, de transport et d'accumulation. La quantification des processus montre que la vitesse de l'érosion par le ruissellement est 100 fois plus rapide sur des dépôts meubles que sur des roches en place (10 mm par an pour le recul d'une falaise morte depuis 9 000 ans, 8 mm par an pour l'érosion des moraines frontales abandonnées par les glacoers en recul depuis 1 siècle et seulement 0,09 mm par an pour la dénudation actuelle d'un bassin-versant carbonate). Ainsi, le ruisselllement doit être considéré comme un processus d'érosion des plus efficaces au Spitsberg, car c'est tout un contexte glacio-climatique qui lui est favorable. Des processus périglaciaires ont préparé des matériaux meubles que les glaciers ont convoyés. En phase de réchauffement climatique, comme celle que connaît le Spitsberg depuis la fin du petit âge glaciaire, le ruissellement prend le relais, dans l'espace et dans le temps, des processus froids et devient le principal responsable de la métamorphose rapide des paysages polaires

Alors que les tropiques couvrent une grande partie du globe, peu de données d’observations d’ozone sur le long terme existent dans cette région. En outre, les tropiques sont les régions où la majeure partie de l'ozone stratosphérique est formée. En effet, la région tropicale est le principal point d'entrée des espèces chimiques troposphériques et de la vapeur d'eau dans la stratosphère, redistribuées par la suite aux moyennes latitudes par la circulation de Brewer-Dobson. Le suivi de l'évolution de la couche d'ozone dans ces régions est basé sur des observations (satellitaires, au sol et instruments embarqués sur ballons). Ce suivi permet la quantification de la variabilité et les tendances de l'ozone stratosphérique dans le but de comprendre les changements passés et valider les modèles utilisés pour prédire l'évolution de l'ozone dans ces régions. Dans cette optique, le travail de cette thèse se divise en deux parties : tout d’abord, l’analyse et la comparaison entre les données du spectromètre UV-Visible SAOZ et celles de 10 instruments satellitaires aux tropiques au-dessus des stations de Bauru (22.18S, 49.06O) au Brésil et de La Réunion (21.11S, 55.53E) dans l’Océan Indien. Les colonnes d’ozone montrent un biais moyen négatif (-0.84%) entre les colonnes satellites et SAOZ (SAT-SAOZ) à Bauru contrairement à La Réunion (0.75%), où le biais est positif. De plus on observe une augmentation de ce biais à partir de 2004 à Bauru de -1.78%/décennie, moins importante à la Réunion (-0.8%/ décennie). L’étude de cette dérive a montré que cette dernière est corrélée à un soulèvement du profil vertical d’ozone aux latitudes équatoriales caractérisé par une dérive de latitude équivalente de la station de Bauru, non prise en compte dans le calcul de facteur de masse d’air (AMF) utilisé pour convertir les colonnes obliques mesurées par SAOZ en colonnes verticales (TOC). Par la suite, la capacité de 9 modèles de chimie-climat issus du projet CCMI à reproduire les colonnes observées, ses variations et les forçages externes sur la variabilité a été évaluée en comparant les simulations à celles de SAOZ et de la moyenne des satellites aux deux stations. Les modèles montrent une bonne restitution de la variabilité de la colonne d’ozone avec cependant une surestimation de 3% aux deux stations par rapport aux observations. L’analyse des forçages montre une contribution dominée par la QBO (~40%), suivie de l’ENSO (~20%), de l’activité solaire (~20%), de la dérive de latitude équivalente >10% à Bauru et <10% à La Réunion et plus faible pour les aérosols (<10%) en cohérence avec les observations
While the tropics cover a large part of the globe, few long-term ozone observations data exist in this region. In addition, the tropics are the regions where most of the stratospheric ozone is formed. Indeed, the tropical region is the main entry point for tropospheric chemical species and water vapor in the stratosphere, subsequently redistributed at mid-latitudes by the Brewer-Dobson circulation. Monitoring the evolution of the ozone layer in these regions is based on observations (satellite, ground-based and aircraft instruments). This monitoring allows the quantification of stratospheric ozone variability and trends to understand past changes and validate the models used to predict the ozone evolution in these regions. In this perspective, the work of this thesis is divided into two parts: firstly, the analysis and comparison between the UV-Visible SAOZ spectrometer data and those of 10 satellite instruments in the tropics above the Bauru stations (22.18S, 49.06W) in Brazil and Reunion Island (21.11S, 55.53E) in the Indian Ocean. The ozone columns show a negative average bias (-0.84%) between the satellite columns and SAOZ (SAT-SAOZ) in Bauru unlike Réunion (0.75%), where the bias is positive. Moreover, we observe an increase in this bias from 2004 in Bauru of -1.78% / decade, less important in Reunion (-0.8% / decade). The study of this drift has shown that the latter is correlated with an uplift of the vertical ozone profile at equatorial latitudes characterized by an equivalent latitude drift of the Bauru station, which is not considered in the calculation of the Air Mass Factor (AMF) used to convert the slant column measured by SAOZ into vertical column (TOC). Subsequently, the capacity of 9 CCMI-derived climate-chemistry models to reproduce the observed columns, its variations and external forcing on variability was evaluated by comparing the simulations with those of SAOZ and the monthly mean satellites at both stations. The models show a good restitution of the variability of the ozone column with however an overestimation of 3% at both stations compared to the observations. The analysis of the forcings shows a contribution dominated by QBO (~ 40%), followed by ENSO (~ 20%), solar activity (~ 20%), equivalent latitude drift > 10% at Bauru and < 10% at Reunion and lower for aerosols (<10%) consistently with observations

L'érosion mécanique des surfaces continentales, ou "détritisme", résulte du forçage climatique mais peut être amplifiée par le forçage anthropique. Cette érosion des sols, et sa compréhension, représentent aujourd'hui un questionnement sociétal majeur. Le présent travail s'est donc intéresse aux relations étroites liant climat, Homme et détritisme, dans les environnements continentaux holocènes. Associée à une démarche analytique multiparamètres, couplant quantification et modélisation de l'érosion des sols, l'étude intégrée et la comparaison de différents systèmes lacustres d'Europe occidentale, d'altitude et de piedmont, alpins et pyrénéens, a permis d'obtenir les informations suivantes. A long terme, la bipartition climatique Holocène (Optimum Climatique/Néoglaciaire) s'illustre par une augmentation de l'humidité, généralisée en Europe occidentale, et de l'ordre de 800 mm/an dans les Alpes françaises. Cette transition résulterait d'un relais entre le forçage solaire et le couplage océan/atmosphère. A court terme, l'Holocène est ponctué de périodes plus humides ou plus sèches, synchrones a l'échelle de l'Europe occidentale, et culminant avec le Petit Age Glaciaire. La présence humaine est d'abord mise en évidence dans les systèmes de piedmont et est synchrone a l'échelle des Alpes (Néolithique). Elle parait plus tardive dans les sites de haute altitude (Age du Bronze). L'implantation humaine en altitude et en piedmont est régulée par l'accessibilité aux sites, mais également par des rétroactions climatiques négatives. En piedmont, ces rétroactions négatives ne sont effectives que jusqu'à l'Age du Fer. Si le détritisme est dans un premier temps principalement controlé par le climat, il subit les conséquences de l'anthropisation des le Néolithique dans les Préalpes. Cette anthropisation est limitée aux systèmes de piedmont, ou elle explique jusqu'à 50% de l'érosion des sols, notamment pendant l'Age du Bronze, l'Age du Fer et le dernier siècle.

La dynamique d’une population résulte de la combinaison de plusieurs traits d’histoire de vie qui sont façonnés par l’histoire évolutive de cette population. L’altération d’un de ces traits par des contraintes environnementales peut donc avoir des effets sur la persistance de la population. Les ajustements individuels de certains traits phénotypiques pourraient permettre à cette population de répondre rapidement à ces contraintes sans la nécessité immédiate d’adaptations génétiques. Durant cette thèse, la variabilité de certains traits a été identifiée chez 3 espèces sentinelles des écosystèmes polaires. Ces résultats permettent de mieux comprendre les associations entre ces traits et les pressions évolutives qui en sont à l’origine, ainsi que l’importance de traits tels que la personnalité dans la part inexpliquée de la variabilité de la valeur sélective des individus. A terme, nous pourrions ainsi mieux évaluer la capacité d’adaptation des populations face aux changements globaux
Population dynamics is driven by several life history traits shaped by the evolutionary history of the population. The alteration of one of these traits by environmental constraints may thus have effects on the population persistence. Individual adjustments of some phenotypic traits could then enable this population to rapidly respond to these constraints without the immediate necessity of genetic adaptations. During this PhD project, we identified variability in some of these traits in 3 sentinel species of polar ecosystems. These results allowed us to better understand the associations between these traits and the evolutionary pressures underlying these associations, as well as the importance of traits such as personality in the amount of variability in individuals’ fitness that remains unexplained. In the long term, we should then be able to better gauge the adaptive capacity of populations to face global changes

Le confort humain devient un enjeu primordial en relation aux questions sur la chaleur urbaine liées aux changements globaux du climat qui émergent dans les climats nordiques. Les centres urbains rassemblent généralement un nombre élevé de piétons et représentent toujours le cœur dense d'une ville. Ces centres-ville présentent une densité de population élevée qui augmente graduellement la quantité de piétons se déplaçant dans les rues. Cette recherche étudie les ambiances lumineuses et thermiques pour évaluer et représenter la chaleur urbaine à l'échelle des piétons dans un centre urbain de la ville de Québec, Canada, qui se classe dans les régions à climat froid. Une étude sur les îlots de chaleur urbains est réalisée dans les quartiers de Saint-Jean-Baptiste et de Cap-Blanc pour visualiser la perception de la chaleur urbaine par les piétons en été. La recherche utilise une balade architecturale, la promenade urbaine, pour réaliser un sondage des propriétés physiques de l'environnement. La promenade urbaine désigne l'expérience sensorielle in situ d'un piéton en ville. Une stratégie innovante de représentation spatio-temporelle des données caractérise les résultats de la recherche. Les résultats sont ainsi tous présentés selon un axe spatial en ordonnée et un axe temporel en abscisse. La prise de mesures qualitatives et quantitatives selon le champ de vision de l'humain rythme la promenade urbaine. La méthodologie utilisée permet d'établir un protocole expérimental captant et représentant les données physiques environnementales (températures de surfaces et de l'air) et données photographiques. Les résultats permettent de localiser les éléments favorisant le phénomène d'îlot de chaleur urbain à travers l'étude des matériaux utilisés en surface. La spatio-temporalité des résultats présentés permet d'effectuer une comparaison des différentes typologies urbaines rencontrées durant la promenade urbaine dans la ville de Québec. L'analyse (des résultats) permet de réaliser d'une part une étude comparative de deux typologies urbaines à travers la réaction lumineuse et thermique des surfaces et d'autre part une étude sur l'expérience d'un piéton pendant une promenade urbaine complète.
Human comfort is essential in relation to urban heat issues related to global climate changes. City centers generally associate with a high concentration of pedestrians and still represent the district prone to urban heat. This research studies lighting and thermal atmospheres to evaluate and represent urban heat at the pedestrian scale in an urban center of Quebec City, Canada, which consists of a cold climate. The study on urban heat islands in the Saint-Jean-Baptiste and Cap-Blanc districts was performed at the pedestrian scale to visualize the perception of urban heat in summer. The research uses an architectural stroll, the urban walk, to carry out a survey of the environment physical properties. The urban walk designates the in situ sensory experience of a pedestrian in the city, La promenade urbaine. An innovative spatio-temporal representational strategy characterizes the results of the research. The results are thus synthesized along a spatial axis in ordinate and a temporal axis on the abscissa. Qualitative and quantitative measurements according to the human field of vision describe the urban promenade. The developed methodology enables to establish an experimental protocol linking environmental physical data (surface and air temperatures) and photographic data. The results allow locating the physical elements favoring the phenomenon of urban heat island through the study of the materials used on the surface. The spatio-temporality of the results compares the different urban types encountered during the urban walk in Quebec City. Results illustrate two different levels of environmental interpretations of the ambient evaluations in relation to urban heat island. The first level consists of a comparative study of two urban types through lighting and thermal reactions of surfaces while the second consists of a longitudinal study on the experience of a pedestrian during a complete urban walk.

L'atmosphère tropicale est un système complexe de processus dynamiques et thermodynamiques. A cela, s’ajoute un forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre anthropiques et au réchauffement climatique qui en résulte. Les projections climatiques supposent souvent que le paramètre de rétroaction est constant dans le temps, de sorte que les changements de flux radiatif sont proportionnels aux changements de température de surface. En fait, les incertitudes de projections sont associées à la réponse du cycle de l’eau atmosphérique au réchauffement de la surface et motivent ainsi la nécessité de mieux comprendre les processus liant les nuages, la circulation de l’eau atmosphérique et le climat.Ce travail vise à améliorer notre compréhension de la co-variabilité des température de surface de la mer (SST), humidité relative (HR), nuages ​​et précipitations, à différentes échelles temporelles et spatiales dans la ceinture tropicale (30°N à 30°S). Il repose sur un ensemble unique de mesures de journée (13h30) de haute résolution verticale qui regroupe le profil HR, les caractéristiques des nuages ​​et les précipitations près de la surface fournis par le radiomètre micro onde SAPHIR, le lidar CALIOP et le radar CPR. Ces données ont une résolution horizontale de 1° par 1° et couvrent la période de 2012 à 2018. Elles sont associées aux champs de SST et de vitesse verticale de l'atmosphère des réanalyses ERA5.Cet ensemble de données a été exploré selon deux axes:(i) Le premier axe était focalisé sur la co-évolution des profils de HR, de la couverture nuageuse et de la SST, sous contrainte de circulation à grande échelle en exploitant l’échelle instantanée de variation. À notre connaissance, il s’agit d’une première analyse intégrant entièrement des observations de la réponse du cycle de l’eau atmosphérique tropicale à la SST à cette échelle. Des relations physiques sont établies pour les différents régimes de circulation de grande échelle, et leurs caractéristiques se maintiennent avec la variabilité naturelle du climat (comme El Niño-Southern Oscillation). Ainsi, le régime subsident est caractérisé par une troposphère libre sèche et une décroissance, avec l’augmentation de la SST, de la fraction de nuages opaque de phase liquide, et un refroidissement prévu par ciel clair avec SST. Le régime ascendant est caractérisé par des variations non linéaires de la fraction de nuages de phase glacée et d'HR de la troposphère avec un maximum autour d’une SST de 302 K, ce qui implique des impacts non linéaires sur les flux radiatifs.(ii) Le deuxième axe qui a été considéré portait sur l'hypothèse de facteurs de rétroaction invariants dans le temps aux échelles journalière, mensuelle, saisonnière et annuelle. Les taux de changement de l'humidité relative et des caractéristiques des nuages ​​avec la SST définis à l'échelle globale (océans tropicaux) sont comparés aux taux de changement calculés localement, sur chaque point de la grille. Ainsi, à l'échelle globale, les changements en profil de HR et en température des nuages de glace sont peu significatifs , tandis que la couverture de nuages opaques diminue et que l'altitude des nuages ​​de glace augmentent. Ces résultats suggèrent un renforcement du refroidissement radiatif de ciel clair avec la SST, alors que la température d'émission des nuages est invariante, ce qui est à la base de certaines hypothèses sur le fonctionnement de l’atmosphère tropicale. Ces résultats mettent en évidence des différences significatives en fonction de l'échelle de temps considérée, et qui peuvent ainsi être utilisés comme diagnostic pertinent pour l'évaluation des modèles climatiques. Une première analyse du modèle climatique de l’IPSL a été réalisée et souligne l'intérêt de tels diagnostiques basés sur des observations
The tropical atmosphere is a complex system of dynamic and thermodynamic processes. Superimposed on these complexities is a radiative forcing due to anthropogenically emitted greenhouse gases and a resulting global warming. Climate projections often assume that the feedback parameter is constant in time, so that changes in radiative flux are proportional to changes in surface temperature. Projection uncertainties are associated with the atmospheric water cycle’s response to surface warming, and motivate the need to better understand processes linking clouds, circulation of atmospheric water and climate.This work aims to improve our understanding of the covariability of sea surface temperature (SST), relative humidity (RH), clouds and precipitation, on different temporal and spatial scales in the tropical belt (30°N-30°S). It relies on a unique synergistic dataset of high vertical resolution that measures the daytime (01:30 pm) RH profile, cloud characteristics and near-surface precipitation provided by the microwave radiometer SAPHIR, the CALIOP lidar and the CPR radar. This dataset has a 1° by 1° horizontal resolution and covers the time period 2012 to 2018. It is associated to SST and atmospheric vertical velocity fields of the ERA5 reanalysis.The synergistic dataset was explored along two scientific questions:(i) The first question concerned the instantaneous timescale and the co-evolution of RH profiles, cloud cover and SST, under large-scale circulation constraint. To our knowledge, this is the first comprehensive observational view of the tropical atmospheric water cycle’s response to SST on the instantaneous timescale. Different physical relationships are established for the different large-scale circulation regimes, and their characteristics are robust to natural variability (such as El Niño-Southern Oscillation). The descending regime is characterized by a dry free troposphere and decreasing opaque liquid cloud cover with SST, and an expected clear-sky cooling with SST. In contrast, the ascending regime is characterized by a nonlinear response in ice cloud cover and free-tropospheric RH with SST that peak around the 302 K SST, which likely induce nonlinear responses of the radiative fluxes.(ii) The second question addressed the assumption of timescale-invariant feedback factors on daily, monthly, seasonal and annual scales. Rates of changes of RH and cloud characteristics with SST defined on the global scale (tropical oceans) are compared to rates of changes computed on the grid box scale. On the global scale, negligible changes are observed in the RH profile with SST, opaque cloud cover decreases, and ice cloud altitudes rise with SST with little change in cloud temperature. These results suggest an enhanced clear-sky radiative cooling with SST, whilst cloud emission temperatures are invariant, as discussed in some assumptions on the tropical atmosphere. Overall, the results highlight significant differences according to the timescale considered for computing global scale rates of changes, which can be used as a strong diagnostic in the evaluation of climate models. Following this, a first analysis of the IPSL model was performed and shows the interest of such diagnostic based on observations