Thèses sur le sujet « Changements climatiques – Arctique »

Lorsque des espèces à différents niveaux trophiques répondent aux changements climatiques à des rythmes différents, il peut en résulter une désynchronisation entre la phénologie des consommateurs et celle de leurs ressources. Les oiseaux migrateurs qui se reproduisent dans l’Arctique pourraient être parmi les espèces les plus touchées par une telle désynchronisation. Cette étude examine l’impact du réchauffement climatique sur les interactions entre la grande oie des neiges (Chen caerulesens atlantica) et les plantes dont elle s’alimente sur l’Île Bylot, Nunavut. À l’aide de petites serres, nous avons examiné l’impact d’un réchauffement sur la biomasse et la concentration en azote (un indice de qualité nutritive) des plantes utilisées par les oies. Nos résultats montrent qu’un réchauffement annuel mène à une augmentation de la biomasse végétale, mais que cette hausse est accompagnée d’un déclin plus rapide de la qualité nutritive des plantes. En effet, la concentration en azote des plantes des parcelles réchauffées était jusqu’à 14% plus faible que celle des parcelles témoins, et ce pendant la période de croissance des jeunes oies. Nous avons également montré qu’un indice satellitaire, le Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) peut être utilisé comme proxy afin de déterminer la date du pic de concentration en azote des plantes. En utilisant le NDVI, nous avons donc pu estimer la date de pic d’azote des années pour lesquelles nous n’avions pas de données empiriques sur la végétation. Finalement, nous avons analysé des données à long-terme sur le climat, la phénologie des plantes et la reproduction des oies afin d’examiner l’impact potentiel de la désynchronisation trophique sur la croissance des jeunes. Selon nos résultats, les oies ajustent seulement partiellement leur reproduction en fonction des changements annuels dans la disponibilité de nourriture de haute qualité. En conséquence, la masse et la taille structurelle des jeunes oies à l’envol étaient réduites lorsque la reproduction des oies était moins bien synchronisée avec le pic de qualité nutritive des plantes. Nos résultats supportent l’hypothèse que la désynchronisation trophique peut avoir des effets négatifs sur l’aptitude phénotypique des herbivores arctiques, et que ces effets pourraient s’accentuer avec l’augmentation prévue des températures à l’échelle globale.
When species at different trophic levels respond to climate change at different rates, this may lead to a trophic mismatch between the phenology of consumers and that of their resources. As polar regions are warming more rapidly than the rest of the planet, migratory birds breeding in the Arctic are expected to be among the species most affected by trophic mismatch in the wake of rapid climate change. This study examines the impact of climate warming on the interactions between an arctic herbivore, the greater snow goose (Chen caerulescens atlantica), and its food plants on Bylot Island, Nunavut, Canada. Using small greenhouses, we examined the impact of increased temperatures on plant biomass and a proxy of nutritive quality, nitrogen concentration, of graminoid plants used by geese during the brood-rearing period. This experiment showed that annual warming significantly increased biomass of graminoids but also led to an acceleration of the seasonal decline in plant nutritive quality and resulted in a decrease in the nitrogen concentration of plants by up to 14% during the period of gosling growth. We also showed that satellite-derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) can be used as a proxy to determine date of peak nitrogen concentration in some tundra plants, and can thus be a reliable measure of the early changes in the timing of the availability of high quality food for herbivores. Using NDVI, we were then able to estimate the date of peak nitrogen in years when we had no empirical data on plant phenology. Finally, we analysed long-term data on climate, plant phenology and the reproduction of geese in order to examine the potential impact of mismatched reproduction on the growth of young. We found that geese are only partially able to adjust their breeding phenology to compensate for annual changes in the timing of high quality food plants, and that gosling body mass and structural size at fledging was reduced when trophic mismatch was high. Our results support the hypothesis that trophic mismatch can negatively affect the fitness of arctic herbivores, and that it is likely to be exacerbated by rising global temperatures.

Le regain d’intérêt pour la région arctique, dû aux conséquences du changement climatique, coïncide avec l’émergence du Groenland sur les scènes arctique et internationale. Carrefour des intérêts américains et européens dans la région, le Groenland, territoire autonome grand comme quatre fois la France et peuplé d’environ 57 000 habitants, s’inscrit dans une problématique spécifique à caractère évolutif, qui dépasse le cadre régional. L’autonomie renforcée du Groenland au sein du Royaume de Danemark rapproche le territoire d’une éventuelle indépendance, suscitant un intérêt grandissant de la communauté internationale. Le Groenland, de par son immense calotte glaciaire, ses ressources naturelles, en particulier un potentiel considérable en terres rares, et sa localisation au coeur de l’Arctique, nouvelle frontière des relations internationales, revêt un caractère stratégique. Le territoire s’inscrit en tant qu’enjeu clé des développements dans la région arctique et des défis globaux de l’adaptation au changement climatique et de la sécurité énergétique dans le cadre d’une économie amenée à devenir bas carbone. La construction étatique du Groenland, entre désir d’indépendance rapide et approche pragmatique, apparaît comme un enjeu central dans la définition du rôle du Groenland dans les enjeux de l’Arctique. Le processus de construction étatique du Groenland devient un enjeu de sécurité majeur, particulièrement au vu des ressources stratégiques du territoire, dès lors qu’une aide provenant d’un État désireux de se positionner ou de renforcer sa présence dans la région est envisageable en cas de défaillance de l’économie d’un État groenlandais
The strengthened interest for the Arctic region, due to the consequences of climate change, coincides with the emergence of Greenland on the Arctic and international scenes. At the intersection of American and European interests in the region, Greenland, a self-ruled territory four times the size of France and inhabited by about 57,000 persons, forms part of a specific debate which is of an evolutionary nature and goes beyond the regional context. Stronger autonomy within the Kingdom of Denmark is bringing Greenland closer to possible independence, generating growing interest amongst the international community. Greenland, due to its huge icecap, its natural resources, particularly an enormous potential in Rare Earth Elements, and a location at the centre of the Arctic, new frontier of international relations, assumes a strategic dimension. The territory appears as a key issue for developments in the Arctic region and for global challenges such as adaptation to climate change and energy security in the context of an economy expected to become lowcarbon. Greenland’s state-building, between the desire for independence soon and a pragmatic approach, appears as a central issue to define the role of Greenland in the Arctic. Particularly given the territory’s strategic resources, Greenland’s state-building process may become a major security issue if it goes too fast. In case of economic difficulties, assistance to a Greenlandic state from a state willing to position or strengthen its presence in the region may have consequences for developments in the Arctic and global energy security

L'augmentation des températures et des précipitations résultant du changement climatique impacte profondément le fonctionnement des écosystèmes Arctiques. En particulier, l'augmentation de la productivité primaire liée à la levée des contraintes thermiques et hydriques pour la croissance végétale, couplée aux changements de nature du couvert végétal et au dégel du pergélisol, sont susceptibles d'engendrer de profondes modifications des cycles biogéochimiques des éléments qui constituent la matière organique, et notamment le carbone (C) et l'azote (N). Un levier majeur à la limitation par l'azote de la croissance végétale pourrait résider dans l'augmentation des flux de fixation biologique de l'azote (BNF), un processus microbien qui nécessite, entre autres, du molybdène (Mo) ou du vanadium (V). L'abondance de ces deux éléments traces pourraient ainsi elle-même limiter la disponibilité de l'azote et donc la croissance végétale dans ces écosystèmes. Ces travaux de recherche visent à améliorer notre compréhension des interactions entre les cycles biogéochimiques des éléments majeurs (C, N) et traces (Mo, V) dans ces environnements au travers des processus mentionnés précédemment. Ce travail s'est principalement focalisé sur l'apport des données stœchiométriques de différents compartiments d'habitats subarctiques situés dans la région d'Abisko, au nord de la Suède, et présentant des caractéristiques végétales et pédologiques contrastées. La caractérisation des stocks élémentaires dans la biomasse aérienne et les sols de ces habitats a permis de mettre en évidence l'importance majeure des variations de composition végétale sur la répartition de ces stocks entre des compartiments de biomasse présentant des dynamiques différentes, ainsi que les liens assez faibles entre stocks élémentaires dans la biomasse aérienne et dans les sols. La contribution de plusieurs processus pouvant expliquer les enrichissements variables du Mo et du V en surface de ces habitats a été explorée et a mis en évidence une opposition majeure entre les influences lithogénique et biologique sur l'abondance de ces deux éléments traces et l'importance de la physicochimie de la solution du sol sur leur mobilité. Enfin, une approche de modélisation de ces données a mis en évidence les liens forts entre C, N, Mo et V dans la stœchiométrie des sols et suggère que les sols organiques abritent une activité de fixation de l'azote particulièrement marquée. Les résultats de cette thèse soulignent les contraintes marquées sur l'ensemble des éléments majeurs et traces induites par des variations de couvertures végétales dans les environnements Arctiques et la potentielle limitation de la BNF par la disponibilité de Mo et V. Ces résultats appellent à une caractérisation plus fine de la biodisponibilité de ces éléments traces en lien avec des mesures centrées sur le processus de fixation pour poursuivre l'exploration de ces limitations, ainsi qu'à considérer l'interaction des cycles biogéochimiques des éléments traces et majeurs pour le devenir des écosystèmes Arctiques
Climate change is deeply affecting the functioning of Arctic ecosystems through increases in temperature and precipitation in these environments. In particular, the increase in primary productivity resulting from the lifting of thermal and hydric constraints on plant growth, coupled with changes in the nature of the plant cover and the thawing of permafrost, is likely to induce significant constraints on the biogeochemical cycles of elements composing organic matter, especially carbon (C) and nitrogen (N). An important lever to reduce nitrogen limitation of plant growth could be to increase the flux of biological nitrogen fixation (BNF), a microbial process that requires, among other elements, molybdenum (Mo) or vanadium (V). The abundance of these two trace elements may thus limit the availability of nitrogen and, therefore, the plant growth in those ecosystems. The aim of this research work is to improve our understanding of the interactions between the biogeochemical cycles of major (C, N) and trace (Mo, V) elements in these environments. It explores the potential of using stoichiometric data collected in subarctic habitats with contrasting plant and soil characteristics of the Abisko region (northern Sweden). The quantification of elemental stocks in aboveground biomass and soils highlighted the importance of variations in plant community composition for the distribution of these stocks in biomass compartments with different dynamics, as well as the relatively weak links in elemental stocks between aboveground biomass and soils. Considering several processes potentially involved in soil surface enrichment of Mo and V, both elements have distinct behaviours in light of the respective contribution of lithogenic and biological influences and the role of physicochemical conditions for their mobility. A modelling approach highlighted the strong links between N, Mo and V in soil stoichiometry and suggested that organic soils have a relatively important nitrogen-fixing activity. The results of this thesis highlight the strong interaction between major and trace elements, their expected modifications as induced by changes in vegetation in the Arctic, and the potential limitation of BNF by the availability of Mo and V. These results call for a more detailed characterisation of the bioavailability of these trace elements to microbial communities combined with measurements focusing on the BNF process in order to further explore these limitations. Finally, this work points out the need to continue exploring the interaction of biogeochemical cycles of major and trace elements for the future of Arctic ecosystems

L’augmentation du couvert arbustif est observée de façon généralisée à l’échelle circumpolaire en réponse aux effets directs et indirects des changements climatiques. Celle-ci causerait d’importantes transformations des environnements biotique et abiotique, principalement en réponse à l’augmentation en hauteur des arbustes au port érigé. Nous avons caractérisé la dynamique des espèces arbustives de la toundra arctique en réponse aux changements climatiques et au broutement du caribou migrateur. Pour ce faire, nous avons établi la dynamique des espèces arbustives dominantes et évalué expérimentalement les mécanismes de réponse des arbustes en utilisant Betula glandulosa comme modèle d’étude. Nos résultats montrent que le couvert arbustif à Baie Déception est principalement dominé par B. glandulosa dont le recrutement semble augmenter depuis les années 2000. Toutefois, cette espèce reste pour l’instant relativement prostré, ne provoquant pas nécessairement les conséquences attendues sur l’environnement abiotique. Nous avons également montré expérimentalement que l’augmentation de la croissance arbustive se produirait en réponse à l’augmentation de la disponibilité en azote, un traitement appliqué pour simuler l’augmentation de l’activité des micro-organismes dans le sol en réponse au réchauffement. Nous avons aussi démontré que le broutement du caribou migrateur a un effet négatif cumulatif sur la croissance de B. glandulosa. Cette étude nous a donc permis de montrer d’une part que l’augmentation du couvert arbustif semble plutôt limitée à Baie Déception où elle pourrait être freinée par les effets combinés de conditions climatiques rigoureuses et de l’herbivorisme. D’autre part, nous avons montré que les herbivores ont un rôle non négligeable pour expliquer les changements de végétation dans les régions arctiques et subarctiques.
Generalized shrub expansion has been observed over the circumpolar Arctic in response to climate change. This phenomenon is causing major alterations to the biotic and abiotic environments, a consequence of the increased shrub growth in height. We characterised tundra shrub species dynamics in response to climate change and migratory caribou browsing. To do so, we evaluated dominant erect shrub species dynamics and tested experimentally how shrub responds to these disturbances, using Betula glandulosa as model species. Our results show that shrub cover in Deception Bay is mainly driven by B. glandulosa, a species with increasing recruitment since early 2000s. However, it seems that this species’ vertical structure remains low which might not modify the biotic and abiotic environment normally associated with shrub expansion. We also showed experimentally that increase in shrub growth is a result of enhanced soil nitrogen fertility, a proxy of increase microbiological activity in response to global warming. Moreover, we demonstrated that caribou browsing has a negative cumulative effect on B. glandulosa growth. Thus, we showed in this study that shrub expansion is rather limited in Deception Bay and might be slowed down by the combined effects of harsh climatic conditions and herbivores. Moreover, our study stressed that herbivores must be taken into account when predicting vegetation change in the tundra.

Les foraminifères benthiques sont largement utilisés en océanographie comme bio-indicateurs paléoclimatiques et paléoenvironnementaux du fait de leur présence dans tous les milieux marins, leur sensibilité aux changements environnementaux et leur grande capacité de fossilisation. Néanmoins, leur utilisation nécessite une connaissance approfondie de leur écologie et des paramètres contrôlant leur distribution. Si les connaissances sur l’écologie des foraminifères benthiques sont de plus en plus complètes, elles demeurent très sporadiques dans la zone arctique, système complexe caractérisé par des interactions multiples entre l'atmosphère, l'océan et la cryosphère, pourtant au coeur du changement climatique global. L'amplification polaire du changement climatique conduit les régions des hautes latitudes à se réchauffer près de deux fois plus vite que les régions tempérées. Dans ce contexte, cette thèse s'attache à mieux comprendre l'écologie des foraminifères benthiques vivants dans plusieurs régions arctiques et définir l'importance du contrôle des paramètres environnementaux sur les faunes tels que les propriétés des masses d'eau, la productivité primaire et le flux de matière organique ainsi que la dynamique de la glace de mer. Les foraminifères benthiques vivants ont été analysés dans les premiers centimètres de sédiment de 21 carottes d’interfaces prélevées dans trois régions arctiques durant les étés 2014 et 2015 : la mer de Barents, la baie de Baffin et la mer de Chukchi. Ces trois régions présentent des particularités en termes de couvert de banquise, de circulation des masses d’eau ou de dynamique de la production primaire. Nos résultats montrent que ces facteurs influencent la distribution des foraminifères benthiques. Le flux de matière organique qui résulte de la forte productivité primaire printanière aux abords des fronts polaires hydrographiques, des bordures de glace de mer (zones marginales de glace) et dans la polynie des eaux du nord (baie de Baffin) impacte la densité et la diversité des faunes et favorise le développement de certaines espèces. Nonionellina labradorica dans les eaux arctiques froides et Cassidulina neoteretis associée aux eaux atlantiques répondent aux apports de matière organique fraîche tandis que Melonis barleeanus s’accommode des milieux riches en matière organique plus dégradée. Dans les environnements oligotrophes plus profonds, Oridorsalis tenerus est une espèce ubiquiste. Cette espèce est associée à Cibicidoides wuellerstorfi sur la marge ouest de la mer de Barents et Ioanella tumidula dans le bassin plus profond au nord de la mer de Chukchi. Les propriétés physiques et chimiques des masses d’eau contraignent également la distribution faunistique. En baie de Baffin et sur le plateau de la mer de Chukchi, les eaux corrosives engendrent la dissolution des carbonates, favorisant la dominance des espèces agglutinées. Les études menées dans le cadre de cette thèse permettent de calibrer l'outil foraminifère benthique dans l'actuel et d'affiner leur utilisation en tant que proxy paléoclimatique et paléoenvironnemental en Arctique. Enfin, une étude préliminaire sur les foraminifères benthiques fossiles de trois carottes de la mer de Barents a permis de montrer les variations des conditions paléoenvironnementales au cours des deux derniers siècles
Benthic foraminifera are widely used in oceanography as paleoclimate and paleoenvironmental bio-indicators due to their presence in all marine environments, their sensitivity to environmental changes and their great capacity to fossilize. However, the use of benthic foraminifera as paleoenvironmental proxies requires a good knowledge of the ecological conditions and the parameters controlling species distribution. Although knowledges about the ecology of benthic foraminifera are improving, they remain sporadic in Arctic area, a complex ecosystem characterized by multiple interactions between the atmosphere, the ocean and the cryosphere and particularly sensitive to change and vulnerable to global warming. Temperatures in the Arctic have risen twice as fast as the global average over the past decades, a phenomenon that has been dubbed the “polar amplification of global warming”. In this context, this thesis aims at better understanding the ecology of living benthic foraminifera in Arctic regions and at defining the importance of environmental controls on fauna such as water mass properties, primary productivity, organic matter flux as well as sea-ice dynamics. Living benthic foraminifera were identified in the first centimetres of 21 surface sediment cores collected in three Arctic areas during summer in 2014 and 2015: Baffin Bay and the Barents and Chukchi Seas. These three regions present specific characteristics in terms of sea-ice cover, water mass circulation or primary productivity. Our results suggest that these factors influence the distribution of benthic foraminifera. The flux of organic matter resulting from primary productivity intensified during spring and summer periods near hydrographic polar fronts, sea-ice edges (marginal ice zones) and in the north water polynya (Baffin Bay) increases the fauna’s densities and diversity and favours the development of specific species. Nonionellina labradorica in cold Arctic waters and Cassidulina neoteretis associated with Atlantic waters respond to fresh supply of organic matter while Melonis barleeanus is found in environment rich in degraded organic matter. In deeper oligotrophic environments, Oridorsalis tenerus is a ubiquitous species associated with Cibicidoides wuellerstorfi on the west continental margin of Barents Sea and Ioanella tumidula in the deeper basin in the north of the Chukchi Sea. Physical and chemical water mass properties also affect the distribution of living benthic foraminifera. In the Baffin Bay and the continental shelf of the Chukchi Sea, corrosive waters lead to carbonate dissolution, favouring the dominance of agglutinated species. This thesis hence contributes to calibrate the benthic foraminifera to their environment and to improve their application as paleoclimate and paleoenvironmental proxies in the Arctic. Finally, a preliminary study about fossil benthic foraminifera in three cores of Barents Sea allowed to show variations of environmental conditions during the last two centuries

Le caribou de Peary est l’unité désignable du caribou la plus septentrionale ; sa population a chuté d’environ 70% au cours des trois dernières générations. Le Comité sur la situation des espèces en péril au Canada (COSEPAC) identifie les conditions difficiles d’accès à la nourriture à travers le couvert nival comme le facteur le plus influant contribuant à ce déclin. Cette étude se concentre sur l’établissement d’un outil spatial de caractérisation des conditions nivales pour l’accès à la nourriture du caribou de Peary dans le Nord canadien, utilisant des simulations du couvert nival générées avec le logiciel suisse SNOWPACK à partir des données du Modèle Régional Climatique Canadien. Le cycle de vie du caribou de Peary a été divisé en trois périodes critiques : la période de mise bas et de migration printanière (avril – juin), celle d’abondance de nourriture et de rut (juillet – octobre) et celle de migration automnale et de survie des jeunes caribous (novembre – mars). Les conditions nivales sont analysées et les simulations du couvert nival comparées aux comptes insulaires de caribous de Peary pour identifier un paramètre nival qui agirait comme prédicateur des conditions d’accès à la nourriture et expliquerait les fluctuations des comptes de caribous. Cette analyse conclue que ces comptes sont affectés par des densités de neige au-dessus de 300 kg/m³. Un outil logiciel cartographiant à une échelle régionale (dans l’archipel arctique canadien) les conditions d’accès à la nourriture possiblement favorables et non favorables basées sur la neige est proposé. Des exemples spécifiques de sorties sont données pour montrer l’utilité de l’outil, en cartographiant les pixels selon l’épaisseur cumulée de neige au-dessus de densités de 300 kg/m³, où des épaisseurs cumulées au-dessus de 7000 cm par hiver sont considérées comme non favorables pour le caribou de Peary.

L’augmentation globale des températures au cours de la période 1850-2012 n’est pas uniforme à l’échelle du globe et l’Arctique se réchauffe deux fois plus que la moyenne. Cependant, la couverture temporelle trop courte des données instrumentales rend difficile la distinction entre la variabilité climatique naturelle et celle liée au forçage anthropique. L’étude de la variabilité climatique « exempte » de l’influence humaine est alors réalisée à partir de données proxies indirectes provenant d’archives paléoclimatiques continentales et marines. Dans la région Arctique-subarctique, les enregistrements disponibles à haute résolution sur les derniers 2000 ans ont été centralisé dans la base de données PAGES Arctic 2k. Les objectifs de ces travaux sont l’amélioration de la caractérisation et de l’interprétation de la variabilité climatique sur les derniers 2000 ans, en allant plus loin que la tendance millénaire et les périodes climatiques majeures mais aussi en s'intéressant au rôle et l’expression spatiale de la variabilité interne du système climatique. Cette thèse s'appuie sur la base de données PAGES Arctic 2k permettant l'étude des variations de températures dans la région Arctique-subarctique mais aussi d'une nouvelle base de données permettant de reconstruire les variations hydroclimatiques (précipitations et humidité) dans la région et créée lors de cette étude. L'utilisation de méthodes d'analyse du signal climatique sur des enregistrements régionaux calculés à partir de ces deux bases de données a permis de mettre en évidence une variabilité climatique dans la région Arctique-subarctique s’exprimant depuis les échelles multi-décennales à millénaire. En particulier, les variabilités multi-décennales sont en lien avec la variabilité interne du système climatique. Les variations hydroclimatiques et de températures s'exprimant aux échelles multi-décennales dans la région sont en effet caractérisées par des fréquences spécifiques aux oscillations climatiques régionales (oscillation Atlantique Nord et oscillation Pacifique décennale), en particulier sur les derniers 200 ans. Les travaux réalisés sur la base de données de températures et la réflexion autour de la création et l’exploitation de la base de données hydroclimatiques ont également conduit à la définition d’une méthodologie de travail avec une base de données paléoclimatiques, depuis sa construction jusque la définition de ses limites, notamment en termes de représentativité spatiale des séries contenues dans la base de données et de l'assimilation de données avec des saisonnalités différentes
The temperature increase during the 1850-2012 period is not uniform globally and the Arctic is warming twice as much as the average. However, the short time coverage of instrumental data makes it difficult to distinguish natural climate variability and anthropogenic forcing. The study of climatic variability "free" of human influence requires the use of proxies data measured in continental and marine palaeoclimatic archives. In the Arctic-subarctic region, high resolution records have been centralized in the Arctic 2k PAGES database. The objectives of this work are to improve the characterization and interpretation of climatic variability over the last 2000 years, going beyond the millennial trend and the major climatic periods, but also by focusing on the role and spatial expression of the internal variability of the climate system. This thesis is based on the Arctic 2k PAGES database, which allows the study of temperature variations in the Arctic-subarctic region, as well as a new database to reconstruct hydroclimatic variations (precipitation and humidity) in the region and created during this study. The use of climate signal analysis methods on regional records calculated from these two databases has highlighted climate variability in the Arctic-subarctic region from the multi-decadal to millennial scales.In particular, multi-decadal variability is related to the internal variability of the climate system. The hydroclimatic and temperature variations expressed at multi-decadal scales in the region are characterized by frequencies specific to regional climate oscillations (North Atlantic oscillation and decadal Pacific oscillation), particularly over the last 200 years. The work done on the temperature database and the reflection on the creation and exploitation of the hydroclimatic database have also led to the definition of a working methodology with a palaeoclimatic database, from its construction to the definition of its limits, in particular in terms of the spatial representability of the series contained in the database and the assimilation of data with different seasonings

L’oxydation photochimique de la matière organique dissoute colorée (CDOM), et la production de CO2 qui en résulte, est maintenant reconnue comme étant un processus majeur dans le cycle du carbone dans le système ocean-atmosphère. L’Océan Arctique fait parti des environnements où ce processus risque de jouer un rôle de plus en plus important dans le contexte des changements climatiques à cause de : 1) l’augmentation du CDOM d’origine terrigène transporté à l’Océan côtier en réponse à la fonte du pergélisol et à l’augmentation du débit des rivières; 2) la diminution du couvert de glace estivale permettant au rayonnement solaire de pénétrer dans la colonne d’eau; et 3) l’augmentation du rayonnement ultraviolet (UV) dans cette région. Un modèle couplé « optique-photochimique » a été utilisé pour examiner le rôle de la photooxydation dans le cycle du carbone organique de l’Océan Arctique. Pour calculer la photoproduction de CO2 (PDIC), l’éclairement spectral incident, incluant les UV, a été modélisé avec un modèle de transfert radiatif nécessitant les concentrations de glace de mer, d’ozone, d’aérosols atmosphériques et le couvert nuageux observés par satellite entre 1979 et 2004. Les rendements quantiques apparents pour calculer la PDIC ont été déterminés en laboratoire sur des échantillons provenant de la Mer de Beaufort et du Fleuve Mackenzie. La contribution du CDOM au coefficient d’absorption totale ([aCDOM/at]), un paramètre clé du modèle, a été déterminée soit à partir des mesures in situ, soit dérivée des données de la couleur de l’océan à l’aide d’un nouvel algorithme empirique. Contrairement aux méthodes semi-analytiques trouvées dans la littérature, l’algorithme empirique proposé permet de séparer, à l’échelle régionale, les coefficients d’absorption du CDOM et des particules non-algales. Cependant, l’utilisation des données de la couleur de l’océan dans les hautes latitudes est souvent compromise par la présence de glace de mer qui contamine les données. Ce problème a été abordé dans le cadre de la présente étude, et une méthode a été proposée afin de détecter et éliminer les données contaminées par la glace de mer. Enfin, il a été démontré que les valeurs de PDIC sont similaires aux taux de carbone organique provenant de la production primaire marine qui est séquestré dans les sédiments océaniques; et que l’augmentation des UV et la diminution de la glace de mer estivale au cours des 26 dernières années a conduit à une augmentation de PDIC d’environ 15%. Ces résultats indiquent que la photooxydation joue un rôle significatif dans le cycle du carbone actuel, et que la diminution de l'étendue de la glace de mer, prévue par les modèles climatiques, risque d'amplifier significativement la reminéralisation photochimique du carbone organique dissous d'origine terrigène dans l'Océan Arctique
Photochemical oxidation of colored dissolved organic matter (CDOM), and the resulting production of CO2, is now known to be a significant process in the cycling of carbon in the ocean-atmosphere system. One environment where that process may play a major role in the context of climate change is the Arctic ocean because of: 1) the increasing amount of terrestrial CDOM released by the melting permafrost and brought to coastal ocean by rivers, 2) the decreasing summer ice cover that allows more solar radiation to penetrate the water column, and 3) the continuing increase in UV radiation over that region. A coupled optical-photochemical model was used to assess the role of photooxidation in the carbon cycle of the Arctic Ocean. To calculate the photoproduction of CO2 (PDIC), the incoming spectral irradiance, including UV, was modeled with a radiative transfer model that uses satellite observations of sea ice, ozone, aerosols and cloud cover covering the 1979 to 2004 period. In situ determinations of the apparent quantum yield for the photoproduction of CO2 made in the Beaufort Sea were used for the calculations. A key parameter in the model was the contribution of CDOM to the total absorption coefficient. It was either obtained from in situ measurements or derived from Ocean Color imagery using a new empirical algorithm. Unlike most semi-analytical approaches found in the literature, the proposed empirical algorithm provides a mean to separate CDOM absorption coefficient from nonalgal particles absorption coefficient at the regional scale. The use of Ocean Color remote sensing at high latitude is, however, compromised by the presence of sea ice that contaminates the data. This problem was addressed in the present study, and a method was proposed to detect and eliminate contaminated pixels. Finally, it was shown that the level of PDIC is similar to the level of sequestered rates of organic carbon in the ocean sediments, which was produced through marine photosynthesis; and that the increase in UV and decrease in summer sea ice over the last 26 years have led to an increased in PDIC by about 15%. These results indicate that the predicted trend of ongoing contraction of sea ice cover will greatly accelerate the photomineralization of CDOM in Arctic surface waters

Afin de déterminer l'impact direct des changements climatiques sur la dynamique des coins de glace et le régime thermique du pergélisol, 16 sites d'échantillonnage dans la vallée de la rivière Narsajuaq (Nunavik, Canada) qui ont fait l'objet d'études substantielles sur les coins de glace en 1989 et 1990 ont été revisités entre 2016 et 2018. Les observations et les mesures démontrent qu'au cours des 25 dernières années, les coins de glace de la vallée de la rivière Narsajuaq ont subi une dégradation sans précédent de leurs excroissances, engendrant un approfondissement généralisé des étages principaux en raison de l'approfondissement de la couche active qui a atteint des profondeurs de 1,2 à 3,4 fois supérieures à celles de 1991. Le régime thermique des quatre principaux types de sols identifiés (organique sableux mince, organique sableux épais, organique épais et sables fluviatiles) dans la vallée a fait l'objet de simulations numériques afin de reproduire les changements de température du pergélisol depuis 1990 et de prévoir les variations de l'épaisseur de la couche active jusqu'en 2100. Au cours des dernières décennies, les coins de glace de tous les types de sol ont été actifs, se fissurant presque tous les ans, excepté en 2010, l'année la plus chaude jamais enregistrée. Pour le reste du 21ième siècle, les simulations prédisent l'arrêt complet de la fissuration du sol entre 2020 et 2095 en fonction du type de sol, des seuils de craquement et des scénarios climatiques choisis. Cependant, en prenant en compte la variabilité interannuelle du climat, il est très probable que plusieurs coins de glace cesseront de fissurer au cours des 20-30 prochaines années. La couche active a atteint une profondeur record en 2010, puis s'est amincie avec le refroidissement récent. Il est attendu qu'elle s'approfondisse suffisamment au cours des prochaines décennies pour causer une dégradation généralisée des coins de glace, ne laissant que des coins de glace fossiles en profondeurs dans le pergélisol d'ici la fin du siècle. Cette thèse propose également une nouvelle approche permettant d'améliorer les estimations des réserves de carbone dans le pergélisol arctique en se basant sur la photo-interprétation de la géologie de surface et des formes de relief ainsi que sur la reconstitution de l'histoire géologique du paysage. Une forte correspondance existe en effet, entre les formes du relief et les formations meubles d'une part et les stocks de carbone sous forme de matière organique dans les sols, d'autre part.
To determine the direct impact of climate change on ice-wedge dynamics and the permafrost thermal regime, 16 study sites in the Narsajuaq river valley (Nunavik, Canada) that were extensively studied for ice wedge between 1989 and 1991 were revisited between 2016 and 2018. Observations and measurements show that over the last 25 years, the ice wedges of the Narsajuaq river valley have experienced an unprecedented degradation of their upgrowth forms, resulting in a generalized deepening of their main stages due to the active layer reaching depths 1.2 to 3.4 times greater than in 1991. The thermal regime of the four main soil types identified (thin sandy peat, thick sandy peat, thick peat, fluvial sands) in the valley was modelled to reproduce permafrost temperature changes since 1990 and predict active layer thickness until 2100. In recent decades, ice wedges of all soil types have been active, cracking almost every year except in 2010, the warmest year on record. For the rest of the 21st century, simulations predict a complete cessation of soil cracking between 2020 and 2095 depending on the soil type, soil cracking threshold and the selected climate scenarios. However, based on the interannual variability of the climate in the region, it is very likely that ice wedges will stop cracking over the next 20-30 years. The active layer reached a record depth in 2010, then moved up with recent cooling. It is expected that the active layer will deepen sufficiently in the next few decades to cause widespread ice-wedge degradation, leaving only fossil ice-wedge roots deep in permafrost by the end of the century. This thesis also suggests a new approach to improve estimates of carbon stocks in Arctic permafrost based on image analysis of surface geology and landforms, as well as on the reconstitution of the geological history of Arctic permafrost landscapes. There is a strong connection between landscape features and surficial geology on the one hand, and carbon stocks as organic matter in soils on the other.

Résumé : Au-delà de tous débats scientifiques actuels, un constat unanime est certainement la réduction du couvert de glace dans l’océan Arctique, associé au réchauffement planétaire. La réduction du couvert de glace aura sans doute des impacts encore imprévisibles sur le milieu marin. Nous avons, dans ce contexte, traité des données satellitaires et des données de mesures de réalité de terrain de campagnes océanographiques dans la portion sud-est de la mer de Beaufort afin d’étudier les variabilités spatiale et temporelle de la biomasse phytoplanctonique et tenter de les relier aux processus physiques existants dans ce milieu. La mer de Beaufort étant fortement influencée par les eaux douces du fleuve Mackenzie, il était probable que les algorithmes de couleur de l’eau opérationnels actuels ne permettaient pas une estimation juste de la concentration de la chlorophylle-a (chl-a) et, par conséquent, de la production primaire qui est à la base de la chaîne alimentaire marine. L’analyse des données bio-optiques a confirmé cette hypothèse montrant une surestimation de la chl-a in situ par un facteur variant entre 3 et 5. La forte contribution de la matière organique colorée dissoute et des particules non-algales à l’absorption de la lumière apparaît comme la source principale de cette surestimation. Nous avons donc proposé des algorithmes adaptés ainsi que de nouveaux algorithmes utilisant deux rapports de bandes spectrales permettant une estimation plus précise de la chl-a dans le sud-est de la mer de Beaufort. Une comparaison entre des données de réalité de terrain et des images satellitaires a aussi montré que la réflectance normalisée à la surface de l’eau, de même que le rapport bleu-vert, étaient plus précis à l’aide des données du capteur SeaWiFS que de celles des capteurs MODIS et MERIS. Nous avons procédé à une analyse des patrons de chl-a et de température de surface pour cinq sous-régions géographiques dans la mer de Beaufort à l’aide de sept années de données satellitaires SeaWiFS et AVHRR (1998-2004). Les résultats ont montré que les variabilités spatiale, temporelle et interannuelle de la biomasse phytoplanctonique sont régies par plusieurs facteurs environnementaux affectant la stratification de la colonne d’eau, soit le forçage du vent, la dynamique de la glace, la température de l’air, l’ensoleillement et les courants marins. Une approche statistique basée sur le concept de provinces non statiques a permis de partitionner la mer de Beaufort en quatre provinces biophysiques distinctes, apportant un nouvel éclairage sur les propriétés biophysiques de cette mer. L'analyse des données a aussi permis de détecter une tendance à l'augmentation de la chl-a dans deux secteurs de la mer de Beaufort : le plateau du Mackenzie et la partie sud du golfe d'Amundsen. Finalement, une analyse de gradients spatiaux, effectuée à partir d’images de température de surface de l’eau a permis de détecter des fronts thermiques récurrents. Ces structures spatiales jouent un rôle majeur dans l’écosystème marin, en particulier en raison de leur impact sur le développement de la biomasse phytoplanctonique. Nous avons mis en évidence des nouvelles structures frontales sur le plateau du Mackenzie et dans la région de la polynie du cap Bathurst. Les nouveaux fronts détectés sont principalement reliés à des particularités bathymétriques de la région, à la présence du panache du fleuve Mackenzie ainsi qu’à la gyre de Beaufort. En conclusion, la réalisation de cette étude a permis de générer de nouvelles informations sur les interactions entre les processus physiques et biologiques, permettant ainsi de mieux appréhender les conséquences biogéochimiques et écologiques résultant des modifications climatiques dans la mer de Beaufort. // Abstract : The Arctic Ocean ecosystem is experiencing significant changes such as a drastic reduction in seasonal sea-ice cover linked to global warming. These changes are likely to modify the physics, biogeochemistry and ecology of this unique environment in ways that are yet to be understood. In this context, we processed satellite data and in situ measurements in the southeastern Beaufort Sea to explore the spatial and temporal variability of phytoplankton biomass and link it to existing physical processes in this region. The optical properties of the Beaufort Sea being under the influence of the Mackenzie River plume, it was likely that operational ocean color algorithms did not allow an accurate estimate of chlorophyll-a concentration (Chl-a) that is a key indicator of phytoplankton biomass and marine productivity. Analysis of bio-optical data confirmed this hypothesis showing an overestimation of Chl-a in situ by a factor of three to five. High contribution of colored dissolved organic matter and non algal particles to the blue light absorption appears as the source of that poor performance. We propose regionally adapted and new algorithms using ratio of two spectral bands allowing better accuracy estimation of Chl-a in the southeastern Beaufort Sea. A match-up analysis of coincident in situ data and satellite overpass showed that the normalized water-leaving reflectance and the blue-to-green ratio retrieval were more accurate for SeaWiFS data than for MODIS and MERIS data. We investigated temporal and spatial linkages between physical and biological parameters to infer the boundaries of biophysical areas in the Canadian Beaufort Sea. Monthly sea surface temperature (AVHRR) data and chlorophyll a data from SeaWiFS were collected over seven years in five geographical sub-regions in the Beaufort Sea (1998-2004). Results showed that the spatial, temporal and inter-annual variability of phytoplankton biomass are driven by several environmental factors affecting the stratification of the water column : wind forcing, ice dynamics, air temperature, irradiance and currents. A cluster analysis based on the concept of non-static provinces was used to define four biophysical provinces in this sea. Positive temporal trends were detected for Chl-a over two regions of the Beaufort Sea : the Mackenzie Shelf and the southern portion of Amundsen Gulf. Finally, an analysis of spatial gradients, using 11 years of sea surface temperature images, allowed the detection of recurrent thermal fronts. These spatial structures play a major role in the marine ecosystem, particularly because of their impact on the development of phytoplankton biomass. We highlighted new frontal structures on the Mackenzie Shelf and in the Cape Bathurst polynya area. These identified new fronts are mainly related to bathymetric features of the region, the presence of the Mackenzie River plume and the Beaufort Gyre. In conclusion, this study has generated new information on the interactions between physical and biological processes to better understand the biogeochemical and ecological consequences of climate change in the Beaufort Sea.

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

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.

Depuis le début du 20e siècle, la température moyenne de l'air à la surface de l'Arctique a augmenté d'environ 2 à 3 °C. Cette augmentation rapide de la température entraine une diminution de l’étendue de la cryosphère arctique d'année en année. La fonte des glaces induit une augmentation de la turbidité et une diminution de la salinité des eaux côtières entraînant la modification des habitats naturels. De plus, avec le réchauffement en cours, l'Arctique côtier peu profond connaît une augmentation de la fréquence, de l'intensité et de la durée des vagues de chaleur marine. Tous ces changements peuvent avoir de profondes répercussions sur l’écosystème marin arctique, en affectant la distribution et le comportement des organismes qui y vivent. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser les effets du changement climatique sur les communautés benthiques de l'Arctique peu profond, en particulier les forêts de laminaires qui abritent une grande biodiversité. En modifiant la lumière, la sédimentation, l'abrasion physique et les courants de fond, les forêts de laminaires constituent un habitat, une source de nourriture et une zone de reproduction pour les poissons et les invertébrés. À court terme, l'augmentation de la turbidité de l'eau induite par la fonte des neiges et de la glace terrestre déclenchera un remodelage local des communautés en limitant l'expansion de certaines espèces mais en donnant à d'autres, un avantage concurrentiel, comme à Alaria esculenta dans les zones à faible lumière. À plus long terme, la fonte des glaciers et de la glace de mer élargira l'aire d'habitat potentielle des laminaires qui, comme le suggère ce travail de thèse, devraient être capables de résister à l'augmentation des températures, aux vagues de chaleurs marines, et à la diminution de la salinité et de la lumière sous-marine. Cependant, la disparition de la glace, en particulier des glaciers, qui servent d'habitats aux prédateurs au sommet de la chaîne trophique, pourrait entraîner le déclin de ces espèces cruciales régulant la diversité de l'écosystème et induire, comme à Tromsø mais aussi dans d'autres fjords norvégiens ou dans le sud-ouest de l'Alaska, une réduction significative des populations de laminaires en raison de surabondance d'herbivores, en particulier des oursins. Il est nécessaire d'approfondir les recherches sur les réponses des communautés côtières de l'Arctique afin d'affiner nos prédictions et de fournir des recommandations scientifiques solides pour la gestion des écosystèmes. Pour étudier les effets à long terme du changement climatique, des expériences ex situ s'étendant sur plusieurs mois et des programmes de surveillance in situ dans plusieurs endroits de l'Arctique apparaissent essentiels
Since the beginning of the 20th century, the average surface air temperature in the Arctic has risen by around 2 to 3°C. This rapid rise in temperature is leading to a year-on-year reduction in the extent of the Arctic cryosphere. Melting ice leads to increased turbidity and reduced salinity in coastal waters, resulting in changes of natural habitats. In addition, with ongoing warming, the shallow coastal Arctic is experiencing an increase in the frequency, intensity and duration of marine heat waves. All these changes can have profound repercussions on the Arctic marine ecosystem, affecting the distribution and behavior of the organisms that live there. The main aim of this thesis is to analyze the effects of climate change on benthic communities in the shallow Arctic, in particular kelp forests, which are home to a high level of biodiversity. By modifying light, sedimentation, physical abrasion and bottom currents, kelp forests provide a habitat, food source and breeding ground for fish and invertebrates. In the short term, the increase in water turbidity induced by melting snow and land ice will trigger a local remodeling of communities, limiting the expansion of some species but giving others a competitive advantage, such as Alaria esculenta in low-light areas. In the longer term, the melting of glaciers and sea ice will expand the potential habitat range of kelp which, as this thesis suggests, should be able to withstand rising temperatures, marine heat waves, and decreasing salinity and underwater light. However, the disappearance of ice, particularly glaciers, which serve as habitats for top predators, could lead to the decline of these crucial species regulating ecosystem diversity and induce, as in Tromsø but also in other Norwegian fjords or in south-west Alaska, a significant reduction in kelp populations due to an overabundance of herbivores, particularly sea urchins. Further research into the responses of Arctic coastal communities is needed to refine our predictions and provide sound scientific recommendations for ecosystem management. To study the long-term effects of climate change, ex situ experiments spanning several months and in situ monitoring programs in several Arctic locations appear essential

Les régions de hautes latitudes nord se réchauffent de façon plus intense que sur le reste du globe. Ce phénomène, appelé amplification arctique, est dû en partie à la diminution de l'étendue de glace de mer et de la couverture de neige. Par ses changements de pouvoirs réfléchissant et isolant, la neige, présente 9 mois de l'année, pourrait avoir un effet important sur l'augmentation des températures du sol. Le dégel du pergélisol à travers le carbone ainsi libéré serait susceptible d'avoir un impact important sur le climat futur de l'Arctique. Ce projet de recherche a pour objectif d'améliorer le suivi du couvert nival arctique et des températures du sol. À l'heure actuelle, les modèles détaillés d'évolution du manteau neigeux tels que le modèle Crocus ne parviennent pas à reproduire la physique particulière de la neige arctique ce qui conduit à des incertitudes importantes dans la modélisation des températures du sol. De nouvelles paramétrisations physiques ont été implémentées au sein du modèle Crocus pour améliorer la stratification verticale du manteau neigeux en introduisant les effets de la végétation (neige moins dense en profondeur) et les effets du vent (neige plus dense en surface), ainsi que pour modifier la conductivité thermique de la neige. Ces nouvelles paramétrisations permettent une meilleure représentation des températures du sol sous la neige, validée avec un large jeu de données en Alaska, dans l'Arctique canadien et en Sibérie. Les simulations ainsi réalisées à l'aide du modèle Crocus modifié, piloté par la réanalyse météorologique ERA-Interim sur les 39 dernières années (1979-2018), à l'échelle panarctique, montrent une augmentation significative de la densité de la neige au printemps ainsi que de l'humidité de la neige principalement au printemps et en automne, accompagnée d'une diminution significative de la durée d'enneigement. Ces effets cumulés à l'augmentation des températures de l'air entraînent une augmentation des températures du sol allant jusqu'à +0.89 K par décade pour le mois de juin. De façon à pouvoir améliorer le suivi de l'évolution spatiale et temporelle du couvert nival, l'utilisation de données d'observations satellitaires micro-onde est proposée. À partir de l'analyse d'un jeu de données unique de mesures radiométriques en surface associées à la caractérisation in-situ du manteau neigeux (119 snowpits avec des observations simultanées) en zone arctique et subarctique, une paramétrisation optimale du modèle de transfert radiatif SMRT a été définie. En utilisant une longueur de corrélation exponentielle ajustée comme paramètre de microstructure de la neige dans le modèle électromagnétique Improved Born Approximation (IBA), l'étude montre, par rapport aux autres configurations de modèles testées, de meilleurs résultats avec une erreur moyenne (RMSE) inférieure à 30% des observations pour la neige subarctique et 24% pour la neige arctique. Couplées à Crocus, les températures de brillance simulées sur l'ensemble de l'Arctique sont significativement meilleures avec Crocus modifié qu'avec Crocus standard (38 K d'amélioration de l'erreur en moyenne). Ces résultats ouvrent la voie à l'utilisation de l'assimilation des observations micro-onde satellitaires dans le modèle Crocus à grande échelle afin d'améliorer les simulations de densité de la neige arctique, paramètre clef du manteau neigeux influant sur l'évolution des températures du sol sous la neige
Northern high-latitude regions are warming more intensely than the rest of the world. This phenomenon, called Arctic amplification, is due in part to the decrease in sea ice extent and snow cover. Snow, which is present 9 months of the year, could have a significant effect on the increase in land surface temperatures by changing its reflective and insulating properties. Thawing of permafrost which could release important amount of soil carbone into the atmosphere could have a significant positive feedback on the future climate of the Arctic. The objective of this research project is to improve the monitoring of Arctic snow cover and ground temperatures. Detailed models of snow cover evolution such as the Crocus multi-layered model are unable to reproduce the particular physics of Arctic snow, which leads to significant uncertainties in the modeling of ground temperatures. New physical parameterizations have been implemented within the Crocus model to improve the vertical stratification of the snowpack by introducing vegetation effects (less dense snow at the bottom) and wind effects (denser snow at the surface), as well as to modify the thermal conductivity of snow. These new parameterizations allow a better representation of ground temperatures under the snowpack, validated with a large dataset in Alaska, Canadian Arctic and Siberia. The simulations thus carried out using the modified Crocus model, driven by the ERA-Interim meteorological reanalysis over the last 39 years (1979-2018), at the pan-Arctic scale, show a significant increase in snow density in spring as well as in snow moisture, mainly in spring and fall, accompanied by a significant decrease in the duration of the snow cover. These effects, combined with the increase in air temperature, lead to an increase in ground temperature of up to +0.89 K per decade for the month of June. In order to improve monitoring the spatial and temporal evolution of the snow cover, the use of microwave satellite observation data is proposed. Based on the analysis of a unique dataset of surface radiometric measurements, associated with the in-situ characterization of the snowpit (119 snowpits with simultaneous observations) in the Arctic and sub-Arctic zones, an optimal parameterization of the SMRT model has been defined. The results show that using a fitted exponential correlation length as a snow microstructure parameter in the Improved Born Approximation (IBA) electromagnetic model gives the best results compared to the other model configurations tested, with a mean error (RMSE) of less than 30% of the observations for subarctic snow and 24% for Arctic snow. Coupled with Crocus, the simulated brightness temperatures over the entire Arctic are significantly better with modified Crocus than with standard Crocus (38 K improvement in mean bias). These results pave the way for using the assimilation of satellite microwave observations into the Crocus model to improve simulations of Arctic snow density, a key snowpack parameter influencing the evolution of ground temperatures under the snow

La circulation méridienne de retournement de l'Atlantique (AMOC) se compose d'un courant chaud vers le nord en surface et d'une branche froide vers le sud en profondeur. Elle apporte énormément de chaleur aux latitudes moyennes de l'hémisphère Nord et joue donc un rôle important dans la régulation du climat de la région de l'Atlantique Nord et au-delà. Cette thèse étudie le mécanisme moteur et les impacts climatiques de la variabilité centennale à multi-centennale de l'AMOC dans un modèle de la circulation générale de l’océan et de l’atmosphère. La variabilité de l'AMOC est amplifiée par les flux d’eau douce en Arctique, et est modulée par une rétroaction négative liée au transport d'eau douce à travers le détroit de Fram entre l'océan Arctique et l'Atlantique Nord, avec un changement avec un retard de plusieurs décades. La thèse étudie également les impacts climatiques de cette variabilité basse fréquence de l'AMOC et les changements du transport d'énergie associés. Dans le modèle, une forte AMOC induit un large réchauffement dans l'hémisphère nord et un déplacement vers le nord de la zone de convergence intertropicale dans l’Atlantique Nord. Les impacts climatiques de l’AMOC sont expliqués par l'augmentation du transport d'énergie océanique vers le nord induite par l'intensification de l'AMOC, causant un transport anormal d'énergie vers le sud dans l'atmosphère. Cette réponse dans l'atmosphère est amortie par les changements de la circulation océanique induite par le vent dans l’Indo-Pacifique
The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) consists of a warm northward current on the surface and a cold southward branch in the deep. It brings tremendous heat into the mid-latitudes in the Northern Hemisphere and thus plays an important role in governing the climate of the North Atlantic region and beyond. This thesis investigates the driving mechanism and climate impacts of a centennial to multi-centennial variability of the AMOC. The AMOC intensity is modulated by the delayed freshwater exchanges through the Fram Strait between the Arctic Ocean and the North Atlantic. The thesis also investigates the climate impacts of this low-frequency AMOC variability and associated energy transport changes. The impacts of a strong AMOC mainly include a wide warming in the Northern Hemisphere, a northward displacement of the intertropical convergence zone and more precipitations in the Northern mid-latitudes. The enhanced northward oceanic energy transport induced by intensified AMOC is compensated by the anomalous southward energy transport in the atmosphere, which leads to climate variations. This response in the atmosphere is damped by the Indo-Pacific Ocean

La vapeur d'eau atmosphérique joue un rôle clé dans le budget radiatif en Arctique, le cycle hydrologique et donc le climat. Mais sa mesure avec une précision reste un défi. La vapeur d'eau en Arctique se caractérise par une variabilité spatiale et temporelle qui n'est pas complètement comprise. Sa colonne atmosphérique total intégrée (TCWV) est étudiée dans cette thèse. Trois méthodes de mesures de la TCWV à distance sont testées et validées pour la région polaire. Cela inclut les mesures de TCWV aux bandes NIR/VIS/IR par les capteurs MODIS, SCIAMACHY, et AIRS embarqués sur satellites. Le cycle saisonnier de la TCWV à 19 stations polaires de référence est examiné suite à l'effet de la latitude, de la longitude en plus de l'effet continental/océanique. Les mesures utilisées ont été validées aux trois stations polaires via la comparaison à une base de données référentielle de TCWV convertis de retards de signaux GPS basés au sol. Les incertitudes et limites de mesures satellitaires sont évaluées par saison et par mois. Particulièrement, nous avons étudié l’effet de la présence de nuages sur les mesures des TCWV par satellites. Dans le NIR et dans le VIS, les mesures subissent une sensibilité accrues à la présence de nuages aux latitudes hautes en été. En plus, l’estimation de l’albédo est toujours un défi aux modèles d’inversion de la TCWV, surtout en présence de neige en régions cultivées. Suite aux résultats de la validation, la distribution et les tendances saisonnières de la TCWV au-dessus de toute l'Arctique ont été évalués via MODIS. Les tendances et anomalies accrues sont discutées principalement en réponse aux changements observés en Arctique au cours des 2001-2015 années, celles qui concernent la végétation, la couverture de neige, et la glace de mer. Les tendances accrues de la TCWV peuvent être liées à l’augmentation locale de surfaces vertes relative à la neige pendant les saisons transitoires. Des tendances augmentées de la TCWV étaient observables par MODIS, forcé par le réchauffement estival local pendant les vagues de chaleurs au temps de ciels clairs. Un déclin dramatique de la glace de mer près des côtes Sibériennes et de la cote du Beaufort a entraîné une augmentation locale observée de la TCWV en début d’automne. Une phase de réchauffement au niveau de l’archipel du Svalbard, persistant en toutes saisons sauf l’été, a entrainé également des quantités supplémentaires de la TCWV. La détection et justification de tendances est une tache toujours loin d’être accomplie. Les mesures en Arctique sont toujours en question, les mesures de la TCWV au-dessus de surfaces vertes en hiver, ou à travers du ciel nuageux en été sont des défis majeurs
Atmospheric water vapour plays a key role in the Arctic radiation budget, hydrological cycle and hence climate, but its measurement with high accuracy remains an important challenge. Arctic water vapor is characterized by a spatial and temporal variability which is not completely understood yet. Its mass integrated in the atmospheric column (TCWV) is studied in this thesis. TCWV seasonal cycle at 18 polar stations is examined following the effect of latitude, longitude in addition to the continental effect. The measurements used in this thesis were validated at three polar stations, the satellites measurements of TCWV in the NIR/VIS/IR bands by MODIS/ SCIAMACHY/ AIRS sensors are compared to those obtained from ground based GPS signals delay. Their uncertainties and limitations are evaluated in season and month scales especially their sensitivities to the clouds presence. In NIR and VIS, the measurements undergo increased sensitivity to the presence of clouds at high latitudes in summer. In addition, albedo estimation is still a challenge to their TCWV inversion models, especially where canopies are snow-covered. Following the validation results, the distribution and seasonal trends of the TCWV over the entire Arctic was assessed via MODIS. Trends and anomalies are discussed mainly in response to changes in the Arctic vegetation, snow cover, and sea ice during 2001-2015. Increased trends in TCWV may be related to local increase of vegetated areas coincidently to snow cover decrease during transient seasons. Increased trends in TCWV were observed by MODIS, forced by local summer warming from many warm waves. A dramatic decline in sea ice near the Siberian and Beaufort coasts led to an observed local increase in TCWV in early fall. A warm-up phase in the Svalbard archipelago, persisting in all seasons except summer, also resulted in additional quantities of TCWV. The detection and justification of trends is a task still far from being accomplished. Arctic TCWV measurements are in question, TCWV measurements over green areas in winter, or through cloudy skies in summer are the major challenges

Dans le contexte des changements climatiques, les écosystèmes marins arctiques sont confrontés à des modifications environnementales accélérés, dont les conséquences sur les communautés biotiques sont encore débattues. La diminution du couvert de glace, l’augmentation de la turbidité et des apports d’eau douce vont affecter les producteurs primaires arctiques, avec des effets en cascade sur un processus-clé de ces écosystèmes : la relation trophique entre producteurs primaires et consommateurs benthiques (à laquelle se réfère généralement l’expression « couplage pélagos-benthos »). L’étude directe de ces interactions complexes n’est pas aisée dans ces milieux. Le modèle biologique des bivalves filtreurs peut permettre de contourner ces problèmes en remplissant une fonction d’ « intermédiaire » pour la compréhension de ces processus écologiques. Parmi les avantages de ce modèle d’étude, il y a tout d’abord le fait que ces organismes enregistrent au sein de leur coquille, dans les couches de biocarbonates, certaines dynamiques de leurs environnements. Les informations contenues dans ces « bioarchives » sont interprétées grâce aux méthodes de la sclérochronologie et de la sclérochimie et concernent une fenêtre temporelle correspondante à la vie des individus (de quelques années à plus que 500 ans). Un autre avantage de ce modèle biologique est que, s’agissant d’organismes qui sont des consommateurs primaires, l’étude de leur régime alimentaire peut apporter des éléments sur la relation trophique avec les producteurs primaires. Avec les méthodes de l’écologie trophique, en particulier les acides gras et les isotopes stables, l’étude des tissus permet d’obtenir des informations sur les sources assimilées à l’échelle de quelques semaines/mois. L’objectif de cette thèse est de tester le potentiel des bivalves Astarte moerchi (complexe borealis) comme modèle biologique pour l’étude des écosystèmes marins arctiques. Pour ce faire, une approche couplée est utilisée combinant l’analyse de la coquille par les méthodes de la sclérochronologie et de la sclérochimie (ratios élémentaires) et l’analyse des tissus par les méthodes de l’écologie trophique (acides gras, isotopes stable du carbone et de l’azote, isotopes du carbone sur acides gras individuels). Deux populations actuelles d’Astarte moerchi ont été étudiées dans deux fjords présentant des caractéristiques environnementales contrastées : le Young Sound au Nord-Est du Groenland (considéré comme fjord « arctique ») et le Kongsfjorden à l’Ouest de l’Archipel du Svalbard (considéré comme site « sub-arctique »). L’étude des tissus d’A. moerchi a permis de mettre en évidence la plasticité trophique de cette espèce, avec des différences dans les sources d’alimentation de deux populations liées aux dynamiques locales de production primaire. L’étude de la coquille d’A. moerchi a permis de : a) corroborer l’hypothèse de la formation annuelle des stries de croissance, confirmant la longévité de cette espèce pouvant atteindre 150 ans ; b) montrer l’intérêt potentiel de l’étude des ratios élémentaires dans les biocarbonates et en particulier du ratio Barium sur Calcium (Ba/Ca), qui pourrait être relié aux efflorescences phytoplanctoniques et c) montrer que les conditions environnementales contrastées du site arctique et sub-arctique se traduisent dans des patrons de croissance coquillère différents. Des perspectives pour l’utilisation ultérieure de ce modèle en écologie sont discutées. Pour conclure, une réflexion épistémologique est amorcée sur la spécificité du modèle biologique d’étude des bivalves filtreurs. En opposition à une notion plus classique d’ « organisme modèle » utilisée en biologie expérimentale, nous proposons que les bivalves filtreurs (à l’instar d’autres « bioarchives » comme les arbres, des coraux et des algues corallines) appartiennent à une catégorie de modèles biologiques qu’on pourrait qualifier « in situ » et qui semble être spécifique à la discipline écologique
In the context of climate change, Arctic marine ecosystems are affected by rapid environmental modifications, whose effects on biotic communities are still debated. The sea-ice decline and the increase in freshwater inputs and turbidity are likely to impact Arctic primary producers, with cascade effects on a key-process in those ecosystems: the trophic relationship between primary producers and benthic consumers (generally referred as “pelagic-benthic coupling”). The direct study of such complex interaction is not straightforward in the Arctic. The biological model of filter-feeding bivalves offers the possibility to get around these problems, allowing to study those ecological processes indirectly. Among the advantages of this model, there is first of all the fact that these organisms record in their shell, in the carbonate layers, some dynamics of their environments. The information recorded in such “bioarchives” are interpreted through the methods of sclerochronology and sclerochemistry and relate to a time window corresponding to the organism lifespan (from some years to more than 500 years). Given that these organisms are primary consumers, another advantage of this biological model is that the study of their diet can provide information about the trophic relationship with primary producers. With the methods of trophic ecology, especially fatty acids and stable isotopes, the study of the tissues allows the investigation of sources assimilated at a timescale of weeks/months.The main objective of this thesis is to test the potential of bivalves Astarte moerchi (borealis complex) as a biological model for the study of marine Arctic ecosystems. A coupled approach is used to combine shell analysis by the methods of sclerochronology and sclerochemistry (elemental ratios) and tissue analysis by the methods of trophic ecology (fatty acids, carbon and nitrogen stable isotopes, compound-specific carbon stable isotopes on individual fatty acids). Two living A. moerchi populations have been studied in two fjords presenting contrasted environmental conditions: Young Sound in North-East Greenland (considered as “Arctic” site) and Kongsfjorden in the West coast of the Svalbard Archipelago (considered as a “sub-Arctic” site). The study of the tissues of A. moerchi allowed to show the trophic plasticity of this species, with differences in food sources of the two populations linked to local primary production dynamics. The analysis of the shell of A. moerchi allowed to: a) corroborate the hypothesis of annual growth lines formation, thus confirming the longevity of this species that can attain 150 years; b) show the potential interest of the analysis of elemental ratios and particularly the ratio between Barium and Calcium (Ba/Ca), which could be relied to phytoplanktonic blooms and c) show that contrasted environmental conditions in the Arctic and sub-Arctic sites result in different shell growth patterns. Some perspectives for the further use of this model study in ecology are discussed. To conclude, an epistemological reflection is sketched about the specificity of the biological model study of filter-feeding bivalves. In contrast to the classical notion of “model organism” used in experimental biology, we suggest that filter-feeding bivalves (as well as other “bioarchives” like trees, corals and coralline algae) belong to a category of biological models that could be named “in situ” and seems specific to the ecological discipline

S'appuyant sur de longues missions de terrain, ce travail offre le regard quantitatif et qualitatif d'un géographe sur la dynamique nivo-glaciaire en région polaire dans un contexte de changement climatique actuel. Il s'inscrit dans le cadre du programme ANR Hydro-Sensor-FLOWS mis en oeuvre dans la mouvance de l'Année Polaire Internationale. En amont de ce programme pluridisciplinaire visant à comprendre le fonctionnement hydrologique d'un petit hydrosystème polaire il fallait adjoindre une étude plus spécifique concernant le rôle de la neige et de la glace dans l'équation hydrologique : c'est l'objet de cette thèse. Le bassin glaciaire de l'Austre Lovénbreen (10 km2, Spitsberg - 79°N) a servi de terrain d'étude dans une approche géographique à échelle locale. De nombreuses méthodes ont été testées tant sur le terrain (stations photo automatiques, carottages de la neige, DGPS et GPR) que pour l'exploitation des données acquises. Au total, ce travail suit la dynamique nivo-glaciaire pendant trois années (2008, 2009 et 2010) à partir de 15 séries de carottages en 40 points du bassin, de mesures de densité, de profils nivologiques, de bilan de masse et de suivi continu, en 20 points, de la température de l'air. Outre l'image satellite, ce travail s'appuie également sur une collection de 3 clichés journaliers acquis en 10 points du bassin. Des méthodes ont été développées pour corriger géométriquement les photos afin d'en faire des documents en projection verticale dont il est possible de tirer de l'information quantitative. Les outils de la géomatique ont permis de spatialiser l'information ponctuelle et d'établir à des pas de temps variables, par croisement des données acquises in situ, les diverses lames entrant dans l'équation hydrologique (précipitations, fonte potentielle de la neige et de la glace en relation avec les lames écoulées). Les trois années consécutives de suivi offrent des conditions très différentes qui révèlent le rôle constant et modérateur des températures et celui beaucoup plus impulsif des précipitations. Ce travail pose également le problème des mesures et de leur fiabilité dans un milieu aussi sévère et aussi impétueux que l'Arctique

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

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

L’Arctique est l’une des régions les plus touchées par le changement climatique. L’impact subi par cet espace se révèle au travers de mutations de nature environnementale, mais également socioéconomique. L’Arctique est aujourd’hui perçu à la fois comme un espace à protéger et comme un espace plein de promesses. Ces défis et opportunités ont un effet attractif sur l’extérieur. A cet égard, l’Union européenne et ses Etats membres ne font pas figures d’exceptions. Mue par le désir de jouer un rôle central dans la région, l’Union européenne a entrepris de développer une politique arctique. Cette politique doit servir de cadre à l’ensemble de son action ayant un impact dans la région. Cette action est de type multidimensionnel, c’est-à-dire qu’elle vise des domaines différents, des acteurs différents, et des niveaux différents. L’une des conséquences de cette diversité est qu’elle rend plus complexe l’identification et la mise en relation des différentes implications juridiques et politiques. Cette thèse se propose donc de déterminer le rôle de l’Union en Arctique, et la valeur ajoutée qu’elle est susceptible de lui apporter. A cette fin, l’étude réalisée explore la manière dont l’Union européenne procède pour concilier les différentes dimensions de son action en Arctique, et définit les moyens juridiques qui sont les siens pour y parvenir
The Arctic is one of the regions most affected by climate change. These impacts include socio-economic changes in addition to the obvious environmental changes. Because of these multifaceted changes, the Arctic has simultaneously become an area in need of protection and an area full of promise. These challenges and opportunities have attracted outside intervention and the European Union and its Member States are no exception.Driven by the desire to play a central role in the region, the European Union has undertaken the task of developing policy specifically tailored for the unique situation in Arctic.This policy must serve as a framework for any of the European Union’s actions that impact the region.This dissertation seeks to both determine the role of the Union in the Arctic and determine the benefits that that this role is likely to bring. To this end, this study explores the way in which the Union attempts to reconcile the various dimensions of its action in the Arctic and defines the legal means through which the Union can achieve this goal

L'étude de la variabilité des cyclones extra-tropicaux (ETC) est non seulement un sujet d'intérêt pour la communauté scientifique mais aussi d'une grande importance en raison de ses impacts socio-économiques. Toutefois, l'étude continué de la variabilité des ETC et de leurs impacts est encore rare, en particulier a l'échelle de temps du Xeme siècle. Cette thèse vise a étudier la variabilité des trajectoires de tempêtes et de leurs dégâts associés du début du Xxeme siècle a 2010. Pour ce faire, le travail est divisé en deux sections principales, l'une dédiée a la climatologie des ETCs au cours du siècle dernier a partir de données de réanalyse, et la seconde centrée sur le calcul d'indices de pertes et l'évaluation des risques induits par les tempêtes. On s'intéresse en premier lieu a l'étude de la variabilité des ETCs par l'application d'un algorithme de suivi de cyclone, sur la réanalyse de long terme du Centre Européen (ECMWF) ERA-20C. Le nombre annuel d'ETC modérées a intenses fait ressortir trois périodes historiques distinctes. Deux périodes, l'une au début et la seconde à la fin du Xeme siècle (1900-1935 et 1980-2010) ne présentent aucune tendance tandis qu'au milieu du siècle (1930-1980) une tendance significative à l'augmentation apparait. Cette dernière peut toutefois être interrogée en raison de l'inhomogénéité temporelle des réanalyses de long terme. Pour cette raison, un ensemble de paramètres physiques sont analysés en vue d'interpréter physiquement les trois périodes. Durant la période 1930-1980, un refroidissement général de l'atmosphère est observé, en particulier aux hautes latitudes, qui augmente le gradient méridien de température et en conséquence la baroclinicité et la conversion barocline. Par ailleurs, cette augmentation de la fréquence d'ETC est observée spécifiquement sur le Pacifique (Atlantique) au cours de la première (seconde) moitié de la période en lien avec une inversion de l'indice Oscillation Décennale du Pacifique (Oscillation Multidecennale Atlantique). La seconde partie de la thèse s'intéresse à l'analyse des tempête scausant les plus forts dégâts du Xeme siècle. Tout d'abord, on calcule un champ d'indices de dégâts de vents forts pour plus de vingt pays. On développe ensuite une Méthode de Suivi de Tempêtes de Forts Dégâts et les résultats de l'algorithme de suivi sont combinés avec les indices de dégâts de vents forts pour chaque pays. [...]
Extratropical cyclones (ETCs) variability is not only a subject that raises interest among the scientific community, but also extremely important in terms of social-economical impacts. Nevertheless, the study of both the extratropical cyclones variability and windstorms impacts is still scarce, particularly at time-scales that cover the twentieth century. This thesis aims to study, both storms track variability and associated losses from the beginning of the 20th century until 2010. In order to do so, the work was separated in two main parts, one witch focus on ETCs climatology during the last century using reanalysis data and another focused on loss indexes calculations and risk assessment of windstorms. The first part of this PhD concerns the study of ETCs variability after applying a tracking algorithm on the long-term ECMWF reanalysis ERA-20C. The number of ETCs per year shows three distinct periods for the moderate and deep cyclones. Two periods, one at the beginning and another at end of the century (1900-1935 and 1980-2010) for which no significant e trends are observed and a middle-century period between 1935-1980 which presents a significant positive trend. This last trend, however, a deeper analysis on this period should be done due to time-inhomogeneity of long-term reanalysis datasets. For this reason, a set of physical parameters are analysed and a physical interpretation made for each one of the periods. During the middle period, a general cooling of the atmosphere is observed, particularly at high-latitudes, which increases the meridional gradients of temperature and consequently baroclinicity and baroclinic conversion. Besides that, this increase is also observed more specifically in the Pacific (Atlantic) in the first (second) half of this period and linked with a Pacific Decadal Oscillation (Atlantic Multidecadal Oscillation) change in signs. On the opposite, the first and third periods are related with warmer polar temperatures that are more intense in the third period but never reach the upper levels of the troposphere. This creates differential changes in baroclinicity. On the one hand, baroclinicity decreases at lower levels and, on the other hand increases at upper levels. The second part of this thesis is focused on the analysis of the most damaging windstorms of the century. First, Loss and Meteorological indexes Pinto et al 2012 are computed for more than twenty countries. Then, a High-Loss Tracking Method is developed and the tracking algorithm trajectories are matched with the LI and MI information for each country. [...]

À l’heure actuelle, l’Arctique fait face à d’importantes menaces environnementales, qui risquent, en raison de sa précarité singulière, d’affecter son écosystème ainsi que ses communautés locales. Alors que ces problèmes posent des défis uniques de gestion, des solutions existent, mais sont peu efficaces. Aux échelles internationale, régionale, subrégionale, bilatérale ou nationale, le milieu marin arctique fait l’objet de plusieurs instruments de droit dur et de droit mou, qui présentent des lacunes. Face à ces enjeux, la question de la gouvernance du milieu marin arctique est devenue incontournable. Équilibrer le besoin de protéger le milieu marin arctique, son écosystème et ses habitants d’une part, et les impératifs économiques d’exploitation des ressources et d’augmentation du niveau de vie de l’autre, est nécessaire. Pour ce faire, la protection du milieu marin arctique doit (1) proposer un instrument qui inclut mécanismes de mise en œuvre et de conformité, flexibilité, précision et profondeur, et transparence et responsabilité ; (2) être pensée en terme de continuum et de complémentarité des différents niveaux de gouvernance plutôt qu’en isolant les différents paliers de gouvernance ; (3) privilégier un complexe de régimes internationaux ; (4) inclure une pléthore d’acteurs dans la gouvernance et (5) établir des aires marines protégées reconnaissant les concepts d’une gestion axée sur les écosystèmes en respectant des principes propres à la science environnementale. De cette façon, un équilibre entre les besoins environnementaux, sociaux et économiques et une gouvernance efficace pourront être atteints.
The Arctic is currently facing significant environmental threats. Yet, because of its particular precariousness, those threats will possibly impact its ecosystem and local communities. As those problems are posing unique management challenges, some solutions have been put in place, but are not really effective. In order to protect the arctic marine environment, several hard law and soft law instruments have been set at the international, regional, subregional, bilateral and national scales, but they are all facing serious shortcomings. The question of arctic marine environmental governance has therefore become inevitable in addressing those issues. The needs to protect the arctic marine environment, its ecosystem and inhabitants and the economic imperatives of resources exploitation and economic growth have to be balanced. Thus, arctic marine environmental protection has to (1) put forth an instrument with more implementation and conformity mechanisms, with more flexibility, more precision and depth, and more transparence and accountability; (2) be thought in terms of continuum and synergies of the different levels of governance instead of approaching them separately; (3) put forward an international regimes complex; (4) include a plethora of actors in the governance system and (5) establish marine protected areas that recognize the concepts of ecosystem-based management and respect some environmental principles. In this way, equilibrium between environmental, social and economical needs and effectiveness in governance will be reached.

La méthode de reconstitution de l'histoire de la température à la surface du sol (HTSS) à partir de profils de température mesurés dans des forages est présentée et mise en application afin d'apporter quelques éléments de réponse à des questions portant sur les changements climatiques passés. La thèse est divisée en trois chapitres dont le premier porte principalement sur des aspects méthodologiques et les deux autres sur des problèmes de détermination des changements de températures de surface auxquels la méthode fournit des solutions. Le premier chapitre porte sur la sélection de profils de température lors de reconstitutions régionales de l'HTSS. Différents procédés de reconstitutions d'HTSS régionales à partir d'ensembles de profils de température sont comparés afin de déterminer quels avantages peut présenter une sélection de profils de température non contaminés par des perturbations non climatiques par rapport à une analyse globale de tous les profils mesurés. Les résultats montrent que la résolution ainsi que la stabilité des résultats sont grandement améliorées par une sélection minutieuse des profils de température. Non seulement l'inversion simultanée de profils très bruités n'améliore pas la résolution de la solution, mais l'inclusion de ces profils cause de fortes instabilités et peut fausser les résultats. Même si le nombre de profils non contaminés est généralement faible (par exemple, seuls 13 des 73 forages mesurés au Manitoba et en Saskatchewan sont considérés non contaminés), il est toujours préférable de sélectionner les profils afin d'obtenir une HTSS stable, fiable et ayant une bonne résolution. Si les profils contaminés par des perturbations non climatiques ne peuvent être éliminés, le meilleur moyen d'obtenir une HTSS stable est de faire la moyenne des inversions individuelles de chacun des profils, cependant la résolution de la solution sera très faible. Le deuxième chapitre présente une HTSS des 400 dernières années au site minier Raglan, situé dans le nord de la péninsule d'Ungava, déterminée à l'aide de profils de température mesurés dans des forages creusés dans le pergélisol. Des écarts très prononcées par rapport à l'état stationnaire sont observés dans les 200 premiers mètres des profils de température mesurés et sont interprétés comme ayant été causés par les variations récentes de la température à la surface du sol. Seul un des profils de température n'est pas affecté par des perturbations non climatiques et est donc analysé en détail à l'aide de trois méthodes indépendantes, soit deux méthodes d'inversion et une méthode directe. Les résultats montrent un réchauffement de 1.4 K entre le milieu du 18e siècle et 1940. Ce réchauffement est suivi d'une période de refroidissement caractérisée par une chute des températures de surface d'environ 0.4 K dura entre 40 et 50 ans. Depuis les 15 dernières années, les températures de surface ont bondi de plus de 1.7 K dans la région. Le troisième chapitre présente des HTSS de plus de 30000 ans déterminés par l'inversion de profils de température très profonds (2000 mètres) situés à divers endroits au Canada. Ces HTSS permettent entre autre de déterminer les températures à la base du glacier Laurentidien (températures basales) au dernier maximum glaciaire. Pour ce faire, quatre nouveaux profils très profonds mesurés à Sudbury et Manitouwadge sont analysés et interprétés conjointement avec quatre profils profonds déjà publiés (Flin Flon, Thompson, Balmertown et Sept-Îles). Une ré-analyse complète de tous les profils déjà publiés est effectuée afin de permettre une comparaison objective de tous les résultats. Les résultats montrent que sous la portion sud du glacier Laurentidien, les températures basales avaient des valeurs entre 0 et -2 °C au dernier maximum glaciaire. Ces résultats sont en accord avec les prédictions des modèles isostatiques et des observations de surface qui suggèrent que les températures basales devaient être près du point de fusion de la glace afin de permettre un écoulement rapide de la glace basale. Les reconstitutions de l'HTSS permettent également d'étudier l'amplitude et la chronologie de l'optimum climatique de l'Holocène pour chacun des sites étudiés. Les valeurs obtenues sont en accord avec les résultats de multiples études utilisant différents proxies. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Paléoclimatologie, Géophysique, Inversions, Reconstitutions climatiques, Températures de surface, Forages, Anomalies de température, Flux de chaleur.

Les écosystèmes arctiques sont caractérisés par une productivité végétale réduite, une structure trophique relativement simple et des variations cycliques d'abondance de certaines proies et de leurs prédateurs. Le renard polaire, de par sa position au sommet de la chaîne alimentaire, a un impact sur plusieurs espèces de proies, mais est aussi, en retour, influencé par leurs fluctuations d'abondance. Ce prédateur utilise aussi des ressources en provenance d'écosystèmes des régions tempérées, en consommant les oies des neiges qui s'y nourrissent et accumulent de l'énergie avant de venir se reproduire dans l'Arctique. L'utilisation de ressources d'origine marine (phoques) a été aussi rapportée. Ces apports de ressources extérieures (ressources allochtones) pourraient expliquer en partie la permanence de plusieurs espèces de prédateurs dans l'écosystème de toundra arctique, en dépit d'une faible productivité primaire. Face aux changements climatiques, dont les premiers effets se font déjà sentir dans les régions polaires, il a été récemment suggéré d'accroître les efforts de recherche sur la dynamique trophique des écosystèmes arctiques. Ce projet de thèse s'inscrit dans cette démarche en se concentrant sur l'étude d'un des carnivores terrestres arctiques les plus répandus à l'échelle circumpolaire. En utilisant ces différentes ressources, dont l'abondance varie fortement dans le temps et dans l'espace, le renard polaire serait un facteur important de structuration des réseaux trophiques terrestres en Arctique. L'objectif général était de mieux comprendre, à travers l'étude des patrons d'utilisation de l'espace et des ressources chez le renard polaire, comment ce prédateur parvient à connecter les réseaux trophiques d'écosystèmes distincts. Cette étude concerne une population suivie intensivement depuis 2003 sur l'île Bylot (73°N, 80°O) dans le parc national du Canada de Sirmilik, Nunavut. Les trois objectifs spécifiques étaient de : 1) déterminer la capacité de mouvement et d'utilisation de la banquise par le renard polaire au cours d'un cycle annuel complet, afin d'évaluer son potentiel d'utilisation des ressources marines qui s'y trouvent; 2) quantifier et comparer les domaines vitaux individuels en été (lorsque la banquise est absente) et en hiver (lorsque la banquise est présente) afin de tester des hypothèses sur les patrons de mouvements en fonction de l'accessibilité aux ressources marines; 3) mesurer la diversité du régime alimentaire (niche trophique) à deux échelles, populationnelle et individuelle, afin d'identifier les mécanismes expliquant les variations interindividuelles d'utilisation des ressources d'origine terrestre ou marine. L'étude de l'utilisation de l'espace (objectifs 1 et 2) est basée sur les données de mouvements à grande échelle spatiotemporelle, récoltées par suivi satellite Argos. L'étude de l'utilisation des ressources (objectif 3) est basée sur l'analyse des signatures isotopiques du carbone et de l'azote. Ceci a permis de déterminer l'assimilation des ressources en lien avec l'utilisation de l'espace par le renard polaire. Le premier chapitre répond à l'objectif 1 en démontrant et en quantifiant, pour la première fois, l'exceptionnelle capacité de déplacement dont peut faire preuve cette espèce, à la fois en terme de vitesse (jusqu'à 90 km par jour) mais aussi de la distance parcourue (4,500 km en 5 mois). Ces résultats montrent que cette espèce extrêmement mobile peut facilement utiliser la banquise pour y trouver des ressources marines. Le deuxième chapitre répond à l'objectif 2 en montrant que les domaines vitaux individuels ne varient pas tous au cours d'une même année : certains individus agrandissent leur domaine vital en hiver pour y inclure une grande proportion de banquise, alors que d'autres le maintiennent à peu près constant et centré sur la terre ferme. Mais tous semblent utiliser la banquise à un moment ou un autre de l'hiver. Afin de mieux répondre à l'objectif 3, nous avons ajouté un chapitre portant sur une question technique cruciale et reliée à la méthode d'analyse des isotopes stables. En se basant sur cette méthode, qui est de plus en plus utilisée en écologie, le troisième chapitre propose une méthode d'analyse de la sensibilité d'un modèle de mélange bayésien aux variations des rapports isotopiques. Cette approche permet de mieux anticiper, dans un système donné, les effets de ces variations sur l'interprétation biologique des relations trophiques. Le quatrième chapitre répond à l'objectif 3, en montrant que les variations temporelles de la niche trophique à l'échelle de la population peuvent être expliquées par des caractéristiques individuelles et les variations d'abondances des ressources. La modélisation du régime alimentaire, basée sur l'analyse isotopique, a permis de montrer que les individus non reproducteurs utilisent beaucoup plus les ressources marines (allochtones) au printemps, alors que les individus reproducteurs utilisent surtout les ressources terrestres (autochtones). Cette variation interindividuelle permet d'expliquer les variations temporelles observées à l'échelle de la population. C'est un important pas en avant dans notre compréhension des liens trophiques entre les écosystèmes terrestres et marins de l'Arctique, via les prédateurs mobiles terrestres. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Isotopes stables, renard arctique, mouvements, suivi satellite, réseau trophique

Afin de pouvoir évaluer les impacts futurs des changements climatiques en Arctique, il faut bien simuler les tendances de ces changements. La comparaison des résultats des modèles climatiques avec les observations est donc capitale pour le développement de modèles climatiques fiables et pour la compréhension de leurs limitations lors des projections futures. Le problème est que seulement quelques modèles couplés sont en mesure de reproduire les tendances majeures de température de surface du 20e siècle (3e Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC-2001). En fait, avec l'augmentation des gaz à effet de serre, tous les modèles climatiques anticipent un maximum de réchauffement en Arctique durant la saison froide. Par contre, même si les observations au cours de la deuxième moitié du dernier siècle suggèrent une tendance au réchauffement en Arctique au cours du printemps, de l'été et de l'automne (Rigor, Colony et Martin, 2000), la région du centre de l'arctique ne permet pas de déterminer une tendance de température durant l'hiver et ce, même si les autres régions près du cercle polaire montre un réchauffement durant cette période (Rigor, Colony et Martin, 2000; Kahl et al., 1993). De plus, certaines observations pour la période 1980-2000 vont même jusqu'à montrer des tendances systématiques de refroidissement durant l'automne et l'hiver, non seulement à l'intérieur du cercle polaire arctique, mais également dans certaines régions du nord de l'Europe, de la Russie et du Canada (Comiso, 2003; Wang et al., 2003; Rigor, Colony et Martin, 2000; Hansen et al., 1999; Chapman et Walsh, 1993; Kahl et al., 1993). La comparaison des différentes configurations du modèle canadien GEM avec les réanalyses ERA 40 et NCEP/NCAR dans la région arctique pour la période 1978-2002 dans le cadre de l'année polaire internationale (API) permet ainsi de vérifier si le traitement de la physique et de la dynamique dans le modèle est adéquat pour représenter les principales tendances et les patrons moyens de la variabilité atmosphérique observés. Elle permet également de vérifier que les principaux processus reliés à la diminution de la neige, de la glace de mer et de l'albédo, sont biens représentés par le modèle. L'étude des différentes configurations de GEM montre que celles-ci sont généralement incapables de reproduire les principaux patrons de tendances et de variabilité atmosphérique sur l'Arctique, en particulier la PNA, la NAO/AO et l'anticyclone de Sibérie. Ceci ce traduit notamment par des différences relativement importantes d'une configuration à l'autre. Le fait que certaines différences persistent également entre les réanalyses NCEP et ERA 40 rend également plus difficile la comparaison et l'identification des principaux patrons et processus. En fait, il ressort à première vue que certaines configurations de GEM éprouvent plus de difficultés par rapport à d'autres pour simuler les tendances négatives de SLP sur le bassin arctique, les fortes tendances positives de SAT le long des côtes continentales au printemps et à l'automne ainsi que les fortes tendances positives de SAT sur l'Europe et l'est de l'océan Arctique. Il apparait de plus que les configurations GEM-LAM surestiment de manière relativement importante les tendances et les variabilités de SLP et de GZ à 500 hPa, en particulier à l'automne et à l'hiver. Par contre, l'ensemble des configurations semblent généralement bien simuler les tendances et la variabilité observées durant l'été. Les configurations de GEM sont de plus en accord avec le fait que les variances les plus fortes au lieu durant l'hiver. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arctique, modèle canadien GEM, configurations, tendances et variabilité, patrons atmosphériques, vortex polaire, la rétroaction de la vapeur d'eau, la rétroaction glace-albédo-température, la rétroaction déshydratation-effet de serre (RDES)