Tesi sul tema "Suivi climatique"

Cette thèse vise à améliorer la compréhension de l'économie du suivi des GES dans les politiques climatiques, qui est la problématique principale de ce travail de recherche. À cet égard, cette thèse développe un cadre analytique général pour l'analyse de la surveillance, notification et vérification (MRV) dans les politiques climatiques à travers l’étude d’arbitrages clés – tels que le coût vs incertitude – ainsi que d'un modèle microéconomique pour évaluer l'impact des choix de règles du suivi sur la performance économique et environnementale des politiques climatiques. Alors que les expériences pratiques avec les mécanismes de tarification et de gestion du carbone les plus importants, ainsi que la modélisation microéconomique, démontrent qu'il n'y a pas de solution « miracle » concernant les règles MRV dans la politique climatique, cette thèse, néanmoins, tire trois leçons clés concernant la comptabilisation du carbone qui devraient aider les décideurs à concevoir des règles du suivi en fonction de leurs objectifs.Tout d'abord, en ce qui concerne la rigueur du suivi, il peut être conclu que les règles sur les incertitudes sont rarement exhaustives. Avec une exception importante de la mesure directe dans le SCEQE, les systèmes de comptabilisation du carbone existants ne fixent pas une exigence sur l'incertitude globale. Les exigences du suivi dans le cadre du MDP ont en partie suivi le principe de précaution – par le biais d'un choix conservateur d'incertitude pour certaines valeurs par défaut du GIEC ainsi que pour certaines variables surveillées. Le modèle microéconomique développé dans cette thèse démontre qu’en présence d'asymétrie d'information, ne pas comptabiliser l'incertitude conduit à des résultats économiques et environnementaux sous-optimaux.Deuxièmement, il a été démontré que les coûts de MRV sont soumis à un fort effet d'économie d'échelle, à la fois dans et entre les différents cadres de comptabilisation du carbone. Les régimes obligatoires doivent être particulièrement prudents avec les coûts qu'ils imposent aux entités réglementées parce qu'elles peuvent fausser le marché – par exemple en mettant des coûts plus élevés sur les petites entités – ou même entrainer des coûts non supportables pour certaines entreprises. Inversement, les systèmes de compensation, pour lesquels la participation est volontaire, ne peuvent pas entrainer la faillite des entreprises participantes du fait des coûts de MRV : s’ils sont trop élevés, les entreprises ne participeront tout simplement pas. En outre, l'un des intérêts de la mise en place d'un programme de compensation est de révéler des informations sur les possibilités de réduction des émissions, les techniques de surveillance et les coûts. Dans ce contexte, il y a une justification pour la hausse des coûts de MRV afin d'obtenir une meilleure information. Troisièmement, les coûts de surveillance sont aussi directement proportionnels à la rigueur du MRV. En effet un suivi plus précis s’accompagne habituellement par un coût plus important. Le régulateur doit donc faire face à un compromis entre les coûts et la qualité de l’information. Peu de systèmes de comptabilisation du carbone existants contiennent des dispositifs de flexibilité pour adapter les exigences de la précision aux coûts supportés par les parties prenantes. Ces dispositions peuvent prendre la forme de « seuils de minimis » (les niveaux d'émissions en dessous desquels la surveillance et la notification des émissions ne sont pas exigées), ou « seuils de matérialité » (les niveaux de seuil d'erreurs pour lesquels les erreurs sont tolérées lors de la vérification). ... (suite et fin du résumé dans la thèse)
This dissertation aims at improving the understanding of the economics of monitoring in climate policy, which is the main problematic of this research work. To this end, this dissertation develops a general analytical framework for the analysis of monitoring, reporting and verification (MRV) in climate policy across several key tradeoffs – such as cost vs. uncertainty – as well as a microeconomic model to assess the impact of monitoring policy choice on the economic and environmental performance of climate policy. While the practical experiences with the most important carbon pricing and management mechanisms, as well as microeconomic modeling highlight that there is no “silver bullet” solution regarding MRV rules in climate policy, this dissertation, nevertheless, draws three key lessons regarding carbon accounting that should help policymakers design “silver bullets” depending on their objectives.First, regarding the stringency of monitoring, it can be concluded that the rules for monitoring uncertainty are rarely exhaustive. With an important exception of direct measurement in the EU ETS, existing carbon accounting systems do not set a requirement on the overall uncertainty of a given source. The CDM monitoring requirements have partly followed the conservativeness principle, mainly through a conservative choice of uncertainty bounds for some IPCC default values as well as for some monitored variables. The microeconomic model developed in this dissertation demonstrates that in the presence of information asymmetry not accounting for monitoring uncertainty leads to suboptimal economic and environmental outcomes of climate policy.Second, it was demonstrated that MRV costs are subject to a strong economy-of-scale effect both across and within different carbon accounting frameworks. Indeed, MRV costs decrease with the comprehensiveness of the perimeter: the larger and the more comprehensive a scheme, the lower the MRV costs. Mandatory schemes must be especially careful with the costs that they impose on regulated entities as these may distort the market – for example by putting higher costs on smaller entities – or even put unbearable burden on some firms. Conversely, offset schemes, in which participation is voluntary, cannot bankrupt participating companies through MRV costs: if they are too high, companies simply do not participate. Moreover, one of the interests of running an offset scheme is to reveal information on abatement opportunities, monitoring techniques and costs. In this context, there is a rationale for higher MRV costs in order to obtain better information.Third, monitoring costs are also directly proportional to MRV stringency, as more accurate monitoring usually comes at an increasing cost. The regulator therefore has to deal with a tradeoff between information quality and monitoring costs. Few existing carbon accounting systems incorporate flexibility provisions to adapt uncertainty requirements to the cost incurred by stakeholders. These provisions may take the form of de minimis thresholds (that is, threshold levels of emissions under which monitoring and reporting are not required), or “materiality thresholds” (that is, threshold levels of errors under which errors are tolerated during verification). They can also take a more continuous form, for example by increasing the cost of compliance or discounting the benefits from carbon credits in proportion to the uncertainty of monitoring. The microeconomic model developed in this dissertation demonstrates that in choosing the monitoring policy to address uncertainty – prescribing the error, setting maximum uncertainty thresholds or applying a discount – the regulator has to balance welfare, risk and undue wealth transfers

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

Déployé ces dernières années, le réseau des profileurs autonomes ARGO vise à suivre systématiquement lesévolutions climatiques de l'océan global. Nous considérons ici les profils de température et de salinité fournis par ARGO en 2002/2003 dans l'océan Atlantique Nord, particulièrement important pour la circulation thermohaline et le climat. Par assimilation (4DVAR) dans un modèle de circulation générale, nous montrons que les profils ARGO permettent effectivement d'améliorer notre connaissance de l'état climatique (hydrographie et circulation) de l'océan. Par des expériences (dites jumelles) d'assimilation de profils simulés par le modèle, nous montrons que le potentiel d'un tel jeu de données, et validons la méthode. Ainsi, avec une forte erreur de représentativité simulée et pour un nombre réaliste de profils, nous montrons que l'assimilation permet de capturer les anomalies grande échelle de l'hydrographie et de la circulation. Nous discutons les résultats selon la couverture spatiale d'ARGO. Nous passons donc à l'assimilation des données réelles avec un certain optimisme. Bien que le modèle devienne alors imparfait et les sources d'erreurs incertaines, le système d'estimation donne dans l'ensemble des résultats cohérents avec des expériences jumelles. Par des validations indépendantes, nous montrons que l'estimation déduite des profils ARGO reflète l'hydrographie en 2002/2003 plus précisément qu'une climatologie. De plus, assimilant des informations climatologiques à la place des données ARGO, nous montrons que le système d'estimation est capable de révéler une variabilité de position horizontale d'un front ou de propriétés de masses d'eau. De plus, l'assimilation des données d'ARGO réelles permet une nette amélioration de la circulation 3D modélisée sur un an, sans que nous modifions le vent. Assimilant des informations climatologiques par bassins, nous analysons cette contrainte de la circulation par des observations hydrographiques
Deployed in recent years, the autonomous profilers ARGO array aims to monitor the global ocean climatic variability. We here consider the temperature and salinity profiles provided by ARGO during 2002/2003 in the North Atlantic Ocean, which is of major importance for the thermohaline circulation and the climate. Using (4DVAR) assimilation in a general circulation model, we show that the ARGO profiles can actually improve our knowledge of the climatic state (hydrography and circulation) of the ocean. Through assimilation experiments with model simulated profiles, we assess the skills of such a data set and validate the method. With a large simulated representativity error and a realistic number of profiles, we show that the assimilation captures the large scale anomalies of the hydrography and the circulation. We discuss the results regarding the data spatial sampling. Then we move confidently to the assimilation of the real data. Even though the model and the error sources are respectively imperfect and uncertain in this case, the estimation system behaves as in the idealized experiments. Using independant validations, we prove that the assimilation of actual ARGO profiles provides an estimate of the 2002/2003 hydrography that is more precise than a climatology. Moreover, replacing the ARGO profiles by climatological ones, we show that the assimilation system is able to reproduce the variability of a front position or of water mass properties. The assimilation of the actual ARGO profiles clearly improves the one year model circulation too, even, though we do not modify the wind forcing. Assimilating climatological information only in parts of the domain, we analyse the hydrographic constraint on the circulation

L'objectif de ce mémoire était une contribution à la conception et à la réalisation d'une station ambulatoire à vocation strictement agricole répondant aux exigences du cahier de charges défini par les experts agronomes. Cette station a pour but de doter l'exploitant agricole moderne d'une aide climatologique de précision et ceci en temps réel avec un cout relativement dérisoire. Le mémoire présente l'architecture de cet instrument compose d'un ensemble de capteurs et d'une électronique organisée autour d'un microcontrôleur et d'un composant FPGA. Un chapitre est consacré à l'organisation logicielle et le mémoire se termine par la présentation des résultats d'une validation sur site d'une année. En conclusion nous envisagerons l'évolution ultérieure de ce dispositif et son extension au domaine du suivi de la pollution atmosphérique.

En raison de leurs impacts dévastateurs sur les populations et les infrastructures des pays concernés, l'évolution future de l'activité cyclonique tropicale dans le contexte du réchauffement climatique est une question de grande importance. Deux méthodes existent pour évaluer l'activité cyclonique tropicale en changement climatique dans les modèles de climat : l'utilisation d'algorithmes de détection (traqueurs) de cyclones ou l'utilisation d'indices de cyclogénèse qui traduisent des relations statistiques liant l'activité cyclonique observée à des variables atmosphériques de grande échelle. Ces deux méthodes tendent à fournir des projections opposées dans les simulations climatiques. Motivée par ce désaccord, cette thèse propose alors d'explorer ces deux approches dans le but d'apporter des améliorations à chacune d'elles. Dans un premier temps, le traqueur de cyclones tropicaux du CNRM est appliqué à la réanalyse ERA5 du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme, et évalué à l'aide de la base de données d'observations des cyclones IBTrACS. Ses performances sont évaluées en termes de probabilité de détection et de taux de fausses alarmes (POD et FAR), après optimisation des paramètres de détection, et en appliquant un filtre des systèmes de moyennes latitudes adéquat. Plusieurs métriques d'évaluation de la similarité des trajectoires détectées dans ERA5 avec celles observées sont ensuite proposées puis comparées. Ces métriques novatrices sont complémentaires au POD et au FAR et montrent que l'optimisation des paramètres de détection s'accompagne d'une légère amélioration de la similarité des trajectoires. De nouveaux indices de cyclogénèse sont ensuite construits sur ERA5 par régression de Poisson entre des prédicteurs de grande échelle thermiques et dynamiques, et la base de données IBTrACS. Les régressions sont déclinées à différentes résolutions spatiales et temporelles ainsi qu'à l'échelle globale et pour les différents bassins océaniques. La résolution temporelle accrue permet la correction du biais équatorial présent dans les indices les plus communément utilisés. La variabilité interannuelle des indices apparaît cependant robuste aux modifications apportées aux coefficients de pondération des variables de grande échelle. Suite à ce constat, l'apport de l'ajout de prédicteurs dans les régressions est évalué sur ERA5 ainsi que dans le modèle ARPEGE ; d'une part en ajoutant explicitement un diagnostique du mode de variabilité El Niño (ENSO) dans l'indice, et d'autre part en remplaçant l'humidité relative à 600 hPa par le déficit de saturation d'humidité intégré sur la colonne (VPD). L'ajout du diagnostique ENSO permet alors d'améliorer la variabilité interannuelle de l'indice dans la plupart des bassins océaniques. Les corrélations avec les séries observées est rendue statistiquement significative au seuil de 95% dans tous les bassins à l'exception du Nord Atlantique. L'utilisation du VPD permet quant à elle d'annuler les tendances à la hausse dans la période historique observée dans les indices basés sur l'humidité relative. L'indice obtenu présente donc un meilleur accord avec les observations. Lorsqu'appliqué à des simulations climatiques ARPEGE à très haute résolution, sous le scénario RCP8.5, le VPD amplifie également la diminution de l'activité cyclonique
Given their devastating impact on the populations and infrastructures of the countries concerned the future evolution of tropical cyclone activity in the context of global warming is an issue of great importance. Two methods exist for assessing tropical cyclone activity under climate change in climate models: the use of cyclone detection algorithms (trackers) or the use of cyclogenesis indices, which translate statistical relationships linking observed cyclone activity to large-scale atmospheric variables. These two methods tend to provide opposite projections in climate simulations. Motivated by this disagreement, this thesis proposes to explore these two approaches, with the aim of making improvements to each. Firstly, the CNRM tropical cyclone tracker is applied to the ERA5 reanalysis of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, and evaluated using the IBTrACS database of cyclone observations. Its performance is evaluated in terms of detection probability and false alarm rate (POD and FAR), after optimizing detection parameters and applying an appropriate mid-latitude system filter. Several metrics for assessing the similarity of the tracks detected in ERA5 with those observed are then proposed and compared. These innovative metrics are complementary to POD and FAR, and show that optimizing detection parameters is accompanied by a slight improvement in track similarity. New cyclogenesis indices are then constructed on ERA5 by Poisson regression between large-scale thermal and dynamic predictors, and the IBTrACS database. The regressions are run at different spatial and temporal resolutions, as well as on a global scale and for different ocean basins. The increased temporal resolution enables the equatorial bias present in the most commonly used indices to be corrected. However, the interannual variability of the indices appears to be robust to changes in the weighting coefficients of the large-scale variables. Following this observation, the contribution of adding predictors to the regressions is evaluated on ERA5 as well as in the ARPEGE model; on the one hand by explicitly adding a diagnostic of the El Niño (ENSO) variability mode to the index, and on the other hand by replacing the relative humidity at 600 hPa by the integrated moisture saturation deficit on the column (VPD). The addition of ENSO diagnostics improves the interannual variability of the index in most ocean basins. Correlations with observed series are made statistically significant at the 95% threshold in all basins except the North Atlantic. The use of the VPD cancels out the upward trends in the historical period observed in indices based on relative humidity. The resulting index is therefore in better agreement with observations. When applied to very high-resolution ARPEGE climate simulations, under the RCP8.5 scenario, the VPD also amplifies the decrease in cyclonic activity

Les glaciers des régions sub-polaires entre 45 et 60°S ont reculé dramatiquement au cours du dernier siècle. L'archipel des Kerguelen (49°S, 69°E) constitue un site unique dans ces régions où peu d'observations sont disponibles pour comprendre le recul glaciaire. Situés à faible altitude et proches de l'océan, ses glaciers ont montré une sensibilité particulière aux variations atmosphériques et océaniques. Ainsi, depuis les années 60, la calotte Cook (~400 km2) a reculé de manière spectaculaire, perdant 20% de sa surface en 40 ans. L'objectif de mon travail de thèse était d'évaluer l'état actuel et futur de la calotte, et de comprendre les causes de ce recul tout en les replaçant dans un contexte global. Pour ce faire, un réseau météorologique et glaciologique a été mis en place en 2010 sur l'archipel et des campagnes de mesures ont depuis été réalisées annuellement. L'analyse de ces mesures nous permet de confirmer le bilan de masse négatif de la calotte. Parallèlement, l'étude de l'albédo de l'ensemble de la calotte Cook à partir d'images satellites MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) permet d'évaluer l'évolution de la ligne de neige de la calotte depuis 2000, mettant en évidence une réduction importante de sa zone d'accumulation au cours des dix dernières années. La modélisation du bilan de masse de la calotte Cook à l'aide d'un modèle degré-jour couplé à une routine dynamique révèle par ailleurs que son retrait est principalement dû à une forte diminution des précipitations sur l'archipel depuis les années 60. Afin de replacer le recul des glaciers aux îles Kerguelen dans un contexte global, les tendances climatiques sur l'ensemble des zones subpolaires sont étudiées, faisant apparaître que la zone sub-Antarctique est actuellement celle où les retraits sont les plus forts à l'échelle du globe. Pour comprendre ces variations, nous analysons un ensemble complet de jeux d'observations de terrain, de satellites et de résultats de modélisation : réanalyses, modèles de l'exercice CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5), observations de température atmosphérique et océanique, précipitations, etc. Ceux-ci révèlent un réchauffement et un assèchement quasi généralisé de l'ensemble de la zone 40-60° S, lié à un déplacement vers le sud des zones dépressionnaires en réponse aux phases de plus en plus fréquemment positives du mode annulaire austral (Southern Annular Mode, SAM). Le recul récent des glaciers des îles Kerguelen, mais également d'autres zones glaciaires des régions subpolaires de l'hémisphère sud, est donc principalement lié à un déficit d'accumulation causé par le SAM, et amplifié par le réchauffement atmosphérique. L'évolution future du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen est évaluée grâce au Modèle Atmosphérique Régional (MAR), forcé à ses frontières par les modèles de l'exercice CMIP5. Des simulations du bilan de masse récent sont d'abord effectuées sur base des réanalyses ERA-Interim et NCEP1, et comparées aux observations in situ. Parallèlement, des simulations d'un an sont réalisées avec le désagrégateur de précipitations SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) en sortie du MAR, à différentes échelles, afin d'évaluer l'impact du changement d'échelle sur la représentation des précipitations. Une évaluation des modèles CMIP5 par rapport à ERA-Interim sur la période récente est ensuite réalisée sur base de certaines variables climatiques-clé. Le modèle le plus proche d'ERA-Interim sur la période récente, et les deux modèles les plus extrêmes sont ensuite utilisés pour forcer le MAR sur le prochain siècle, et les sorties de bilan de masse de surface sont analysées de manière critique. L'analyse du retrait de la calotte des îles Kerguelen à l'aide de différents outils a permis de mieux comprendre le lien entre glaciers et climat, mettant en évidence le rôle majeur du SAM, mais a également soulevé de nouvelles questions
Glaciers of the southern hemisphere sub-polar regions between 45 and 60°S have declined dramatically over the last century. The islands of Kerguelen archipelago (49°S, 69°E) represent a unique location in regions where few data are available to understand glacier retreat. Situated at low altitudes and close to the ocean, their glaciers have shown particular sensitivity to atmospheric and oceanic variations. Thus, since the 1960s, the Cook Ice Cap (~400km2) has retreated spectacularly, losing 20% of its area in 40 years. The aim of my thesis was to assess the present and future state of the ice cap, and to understand the causes of this decline while putting them in a global context. To do so, a meteorological and glaciological network was set up in 2010 on Kerguelen archipelago and field campaigns have been carried out annually since then. Analysis of these measurements confirms the negative mass balance of Cook Ice Cap. In parallel, the study of the albedo over the whole ice cap from MODIS satellite images (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) gives us access to the evolution of the snow line since 2000, highlighting an important reduction of Cook Ice Cap accumulation area over the last decade. Mass balance modelling of the Cook Ice Cap using a degree-day model coupled to a simple ice motion routine further reveals that its retreat is mainly due to a strong decrease in precipitation over the Kerguelen Islands since the 1960s. In order to put the decline of the cryosphere on Kerguelen in a global context, climatic trends over the whole sub-polar regions are studied, revealing that the sub-Antarctic area is currently the one where glacier retreat is the strongest. To understand these variations, we analyse a complete set of field and satellite observations and modelling results : reanalyses, models from the CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5) experiment, atmospheric and oceanic temperature and precipitation observations, etc. The latter show warming and quasigeneralised drying of the whole 40-60°S area, linked to the southward shift of storm tracks in response to the more frequent positive phases of the Southern Annual Mode (SAM). Recent glacier retreat on Kerguelen archipelago, and for other glaciers and ice caps located at similar latitudes, is thus mainly due to a deficit of accumulation caused by the SAM, and amplified by atmospheric warming. The future evolution of Cook Ice Cap mass balance is evaluated using the MAR (Modèle Atmosphérique Régional) model, forced at its boundaries by CMIP5 models. Recent mass balance simulations are first carried out using ERA-Interim and NCEP1 reanalyses, and compared to in situ observations. In parallel, one-year simulations are produced with the precipitation desagregation scheme SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) on MAR outputs, at various scales, in order to evaluate the impact of downscaling on precipitation. An evaluation of CMIP5 models over the recent period against ERA-Interim is then carried out, considering certain key climatic variables. The model closest to ERA-Interim as well as the two most extreme models are then used to force the MAR model over the next century, and surface mass balance outputs are critically analysed. The analysis of the decline of the Kerguelen ice cap using different tools and techniques brought new insights on the link between glaciers and climate, highlighting the major role of the SAM, but also raised new questions

Au Québec, la viticulture commerciale ou artisanale n’a que 35 ans. Cependant, le Québec est soumis à de nombreuses pressions climatiques comme la présence de gel hâtif à l’automne et tardif au printemps. La période de croissance (la différence entre le dernier gel au printemps et le premier gel à l’automne) est donc très limitée par la présence du froid. Dans un contexte de réchauffement climatique, cette période de croissance sera portée à s’allonger. Une plus longue période de croissance pourrait inciter les vignerons à modifier leurs cépages ou à augmenter la superficie cultivée. Trois vignobles ont fait l’objet d’étude et des prises de mesures spectrales des ceps y ont été effectuées. Des indices climatiques appliqués à la viticulture y ont été calculés sur une période de 30 ans avec les données du NARR et validés avec les données des stations météorologiques d’Environnement Canada. La moyenne de certains indices permet de les comparer à ceux des régions viticoles renommées comme Bordeaux et Dijon en France. L’étude des indices climatiques des 30 dernières années puis des 10 dernières années permet de découvrir qu’il existe un réel potentiel pour l’implantation de cépages nobles dans le sud du Québec. Ainsi, on remarque que l’énergie thermique est suffisante pour faire la culture de ces cépages. Cependant, la période sans gel est très variable et vient tempérer ces résultats. L’analyse des signatures spectrales de données de réalité de terrain permet de faire une différenciation entre les cépages en fonction des étapes de développement et de la vitesse d’adaptation des ceps aux pratiques culturales et au climat. Les longueurs d’onde entre 720-740 nm (proche infrarouge) et 550 nm (vert) sont les plus touchées par le changement. L’analyse dérivative permet d’éliminer les facteurs d’éclairement. De plus, il est possible de rehausser les différences dans les longueurs d’onde du pic de réflectance de la chlorophylle (≈720 nm). Avec toutes ses informations, il devient possible d’identifier les principaux cépages dans les vignobles grâce à des mesures spectrales temporelles. L’utilisation d’une image hyperspectrale et de données de réalité de terrain ont permis de différencier les cépages et d’en faire l’évolution phénologique entre deux saisons de croissance. Ainsi, avec l’extraction des signatures des pixels d’un secteur n’ayant pas subi de changement physiologique majeur (secteur de vieux ceps), la signature spectrale mesurée par le capteur est comparable à celles des données de réalité de terrain. L’analyse a permis de confirmer que l’énergie thermique acquise pour le 9 juillet 2009 (422 ∘C) est comparable à celle du 27 juin 2011 (419 ∘C). L’énergie thermique cumulée à ces deux dates suppose un développement comparable des cépages. Les similarités dans les signatures spectrales reflètent ce développement comparable.

Les données de télédétection disponibles jusqu'à présent ne permettaient pas d'envisager un suivi spatio-temporel détaillé de l'occupation et de l'utilisation des sols à l'échelle régionale dans des régions au paysage très fragmenté, en raison de leur résolution temporelle trop faible ou de leur couverture spatiale trop limitée. Les objectifs de cette thèse étaient d'une part d'évaluer des séries temporelles d'images de télédétection à moyenne résolution spatiale pour effectuer ce type de suivi et d'autre part d'identifier et de caractériser les changements d'usage des terres en région agricole intensive à travers l'évolution de deux indicateurs, le taux de couverture hivernale des sols et le ratio céréales-prairies. Pour cela, des séries temporelles MODIS ont été constituées sur la région Bretagne entre 2000 et 2008. Une chaîne de prétraitements et de traitements complète a été mise en œuvre. Elle comprend des méthodes déjà utilisées sur des images de télédétection, mais qui ont dû être adaptées aux séries temporelles MODIS, et des méthodes originales, notamment pour la phase de reconstruction des séries temporelles. Les résultats montrent des tendances d'évolution comme la diminution des prairies au détriment des céréales ou l'augmentation de l'implantation d'intercultures. Ils mettent aussi en évidence des changements ponctuels comme l'augmentation des céréales en 2006 et 2008 et du maïs en 2001. Les principaux facteurs de changements d'occupation et d'utilisation agricole du sol, qui sont des conditions climatiques particulières ou des changements de pratiques agricoles en fonction du contexte politique ou socio-économique, ont été identifiés

Le présent travail vise à rendre compte à différentes échelles spatiales, de la distribution, de l'état et de la dynamique actuelle du pergélisol dans des contextes d'occurrences variées. Il vise aussi à caractériser la ou les réponses du pergélisol au changement climatique contemporain. Pour réaliser ces objectifs, le choix du terrain support de l'étude s'est porté vers deux vallées des Alpes du sud (Clarée et Ubaye). Tout d'abord, la répartition spatiale du pergélisol a été abordée à l'échelle régionale par le biais d'un modèle empirico-statistique. A cette échelle, le pergélisol se répartit entre 2600 et 3000 m et est en grande partie influencé par l'altitude et la radiation solaire incidente. Ensuite, à l'échelle locale, la mise en place d'un suivi géophysique, thermique et géodésique, a permis à la fois nuancer le modèle régional de distribution du pergélisol mais aussi de caractériser le fonctionnement actuel du pergélisol. Les mesures géophysiques réalisées révèlent une distribution morcelée du pergélisol et une hétérogénéité des types de glace souterraine présente dans les glaciers rocheux qui s'explique par les effets de la géodynamique locale et de l'englacement récent (PAG). Le suivi des températures de surface a montré 4 régimes thermiques principaux qui sont essentiellement influencés par les spécificités du couvert neigeux et la présence de pergélisol. Une partie des sites suivis montre par ailleurs et durant la période de suivi (2010-2012) un déséquilibre thermique du pergélisol avec les conditions climatiques actuelles. Le suivi géodésique de la surface des glaciers rocheux révèle une hétérogénéité des déplacements verticaux et horizontaux dont les valeurs s'échelonnent de quelques centimètres à plus d'un mètre par an. Ces résultats montrent que la topographie locale et la nature de la glace souterraine conditionnent l'ampleur de ces déplacements. Enfin, l'appréhension de la dégradation du pergélisol à la surface des glaciers rocheux reste difficile à caractériser notamment d'un point de vue morphologique. Seuls les secteurs des glaciers rocheux présentant des héritages de glace massive du PAG sont affectés depuis une à deux décennies par des changements significatifs. Néanmoins, des indices du déséquilibre thermique du pergélisol ont été mesurés et ont permis la réalisation d'un modèle topo-climatique et d'une carte régionale des secteurs susceptibles d'être affectés par ce déséquilibre
This work intends to characterize the distribution, the state and the functioning of permafrost at various spatial scales and in various topoclimatic contexts. It also intends determine permafrost response(s) to actual climate change. In order to realize these objectives, our investigations have been carried out in two valleys (Clarée and Ubaye) of the French Southern Alps. Firstly, permafrost spatial distribution has been studied at regional scale by means of a statistico¬empirical model. Results show that permafrost may be found between 2600 and 3000 m and its distribution is influenced by altitude and solar radiation. Secondly and at the local scale, the implementation of a geophysical, thermal and geodetic monitoring has helped to qualify the regional spatial model as well as to characterize actual permafrost functioning. At rockglacier scale, geophysical investigations reveal a patchy permafrost distribution and a high heterogeneity of ground ice that both may be explained by local geodynamics and recent glacial (LIA) history. Thermal monitoring has revealed the existence of 4 main thermal regimes that mainly depend on snow cover specificities and permafrost occurrence. During the two years (2010-2012) period of monitoring some sites have shown some permafrost thermal disequilibrium with current climate conditions. Geodetic monitoring of rockglaciers shows an annual velocity as well as vertical displacements that range from few centimeters up to a meter. More generally surface displacements are mainly conditioned by local topography and ground ice type. Thirdly, permafrost degradation assessment through rockglacier morphological changes is difficult to determine. Significant morphological changes have only been observed on rockglacier areas that contain ground massive ice inherited from LIA advance. However, the use of permafrost thermal disequilibrium proxies has enabled to build up a regional topo-climatic model together with a map of areas susceptible to thermal disequilibrium

Les régions de haute latitude sont actuellement les plus sensibles aux effets du réchauffement climatique, et avec des élévations de température pouvant atteindre les 3 à 8 ◦C au niveau du pôle sur les 100 prochaines années. Les pergélisols (sols présentant des températures négatives deux années consécutives) sont présents sur 25 % des terres émergées de l’hémisphère nord et contiennent de grandes quantités de carbone « gelé », estimées à 1400 Gt (40 % de la quantité de carbone terrestre global). Des études récentes ont montré qu’une partie non négligeable (50 %) des premiers mètres des pergélisols pourraient fondre d’ici 2050, et 90 % d’ici 2100. Le but de l’étude est donc d’améliorer les moyens de suivi de l’évolution des températures du sol dans les zones arctiques, et plus particulièrement dans les régions couvertes de neige. L’objectif est de décrire la température du sol tout au long de l’année y compris sous un manteau neigeux, et d’analyser l’évolution de l’épaisseur de la couche active des pergélisols en relation avec la variabilité du climat. Nous utilisons des données satellites (fusion de données de température dans l’infra-rouge thermique “LST” et de température de brillance micro-onde AMSR-E « Tb ») assimilées dans le schéma de surface du modèle climatique canadien (CLASS, V 3.6) couplé à un modèle simple de transfert radiatif (HUT). Cette approche bénéficie des avantages de chaque type de donnée de manière à réaliser deux objectifs spécifiques : 1-construire une méthodologie solide permettant de retrouver les températures du sol, avec et sans neige, en zone de toundra, et 2-à partir de ces températures du sol, dériver la durée de fonte estivale et l’épaisseur de la couche active du pergélisol. Nous décrivons le couplage des modèles ainsi que la méthodologie permettant l’ajustement des paramètres météorologiques d’entrée du modèle CLASS (essentiellement les températures de l’air et les précipitations issues de la base de données des réanalyses météorologiques NARR) de manière à minimiser les LST et Tb simulées en comparaison aux mesures satellites. Par rapport aux données de mesures de sol de stations météorologiques prises comme référence pour validation dans les zones de toundra d’Amérique du Nord, les résultats montrent que la méthode proposée améliore significativement la simulation des températures du sol lorsqu’on utilise les données LST MODIS et Tb à 10 et 19 GHz pour contraindre le modèle, en comparaison avec les sorties du modèle sans les données satellites. Dans ce processus d’inversion, la correction de l’évolution des conditions de neige au cours de l’hiver contrainte avec le rapport de polarisation à 11 GHz constitue une approche originale. Une analyse de l’erreur pour 4 sites de toundra et sur plusieurs années (18 cas) est effectuée pour la période estivale (1,7 -3,6 K) ainsi que pour la période hivernale couverte de neige (1,8 -3,5 K). L’indice des degrés-jours de fontes annuel, dérivé des températures du sol simulés par notre approche, permet de cartographier les zones de pergélisols continu en accord avec les cartes actuelles. Un meilleur suivi des processus d’évolution des pergélisols, et tout particulièrement de l’impact de la couverture de neige, devrait permettre une meilleure compréhension des effets du réchauffement climatique sur la fonte des pergélisols et l’avenir de leurs stocks de carbone.
Abstract : High latitude areas currently are the most sensitive to global warming effects. In the next 100 years, temperature could rise up to 3 to 8 ◦C at the North Pole. Permafrost (ground with negative temperatures two years in a row) represents 25% of northern hemisphere lands, and contains huge quantities of "frozen" carbon estimated at 1400 Gt (40 % of the global terrestrial carbon). Recent studies showed that a part (50 %) of the permafrost first few meters could melt by 2050, and 90 % by 2100. The goal of our study is to improve our understanding of ground temperature evolution in arctic areas, especially in snow covered regions. The objective is to discribe the ground temperature all year long with and without a snow cover, and to analyze the evolution of the permafrost’s active layer in relation with the climate variability. We use remote sensing data (fuzzed of MODIS "LST" surface temperatures and AMSR-E "Tb" brightness temperatures) assimilated in the canadian landscape surface scheme (CLASS) coupled to a simple radiative transfer model (HUT). This approach takes into account the advantages of each kind of data in order to achieve two objectives : 1 - build a solid methodology allowing to retrieve ground temperatures, with and without a snow cover, in tundra areas ; 2 - from those retrieved ground temperatures, derive the summer melting duration which can be linked to the permafrost active layer thickness. We describe the models coupling as well as the methodology allowing the adjustement of CLASS input meteorological parameters (essentially the air temperatures and precipitations from the NARR meteorological data base) in order to minimize the simulated LST and Tb in comparison to remote sensing data. By using meteorological station’s ground temperature measurments as a reference for validation in North America tundra areas, results show that the proposed method improves the simulation of ground temperatures when using LST MODIS and Tb at 10 and 19 GHz data to constrain the model, in comparison with model outputs without satellite data. Using the Tb polarization ratio H/V at 10 GHz allows an improvement of the constrain on winter period simulations. An analyze of the error is conducted for summer (1,7 - 3,6 K) and winter (1,8 - 3,5 K). We present climatic applications for future work that meets the second objective of the Ph.D. A better understanding of evolution processes of permafrost, and particularly of the impact of the snow cover, should allow us a better understanding of global warming effects on the permafrost’s melting and the future of their carbon stocks.

Plusieurs études récentes ont montré que le réchauffement climatique des régions nordiques, deux fois plus important dans les hautes latitudes nord qu’ailleurs dans le monde, augmentait l’épaisseur de la couche active de surface en zones de pergélisol (couche superficielle du sol qui dégèle durant la période estivale). Cette modification de surface pourrait avoir un impact environnemental très important sur la libération du carbone du sol, l’hydrologie, les écosystèmes, ainsi que sur le pergélisol. Cette évolution commence déjà à avoir des répercutions socio-économiques importantes sur les infrastructures des communautés du Nord. Le but du projet est d’exploiter une nouvelle base de données satellites micro-onde, que nous venons de développer, pour l’analyse des températures de surface et de l’évolution du pergélisol (permafrost) au Canada-Alaska sur les 30 dernières années. Un des objectifs spécifiques du projet est de mettre au point une méthode de caractérisation des changements de la couche active de surface en zones de pergélisol par l’assimilation des observations spatiales dans un modèle de flux de chaleur dans le sol. L’évolution de l’étendue des zones de pergélisol dérivée sera analysée en fonction de la couverture du sol et de la dynamique du couvert nival, deux paramètres aussi dérivés par satellite. Possibilité de validation des modèles par mesures au sol avec nos radiomètres micro-ondes. Ce projet combine ainsi développement théorique, modélisation et traitement d’images numériques sur différents domaines scientifiques (physique de la mesure en télédétection, géophysique de l’environnement, écosystèmes, science des sols)
Recent studies showed that global warming in arctic areas, as twice as important in northern high latitudes than in the rest of the world, growed the thickness of the surface active layer in permafrost areas (superficial layer of the soil that thaws during summer period). This surface modification could have a major environmental impact on soil carbon release, hydrology, ecosystems, and permafrost. It already starts to have socio-economical impacts on north community infrastructures. The project's goal is to use a new microwave satellite database that has just been developed for the analysis of surface temperatures and changes in permafrost in Canada, Alaska over the past 30 years. One of the specific goals of the project is to develop a method to characterize changes in the surface active layer in permafrost areas by the assimilation of space observations in a heat flow model in the soil. The evolution of the extension of permafrost areas derived will be analyzed according to the coverage of soil and the dynamics of snow cover, two parameters also derived by satellite. Possibility of model validation by ground measurements with a microwaves radiometers. This project combines theoretical development, modeling and image processing on different scientific fields (physics of remote sensing measurement, Geophysics of the Environment, ecosystems, soil science)

Afin d’appréhender la réponse des forêts au changement climatique, la phénologie de six espèces d’arbres a été étudiée de 2005 à 2007 à la fois le long d’un gradient altitudinal (fournissant un gradient thermique d’environ 7°C), et en tests de provenances disposés à différentes altitudes. L’objectif était (i) de quantifier les variations phénotypiques des dates de débourrement et de sénescence in situ, (ii) de déterminer les variables climatiques à l’origine de ces patrons, notamment à l’aide de modèles phénologiques, et (iii) d’évaluer la variabilité génétique et la plasticité phénotypique de ces deux événements phénologiques. Nos résultats montrent que la température printanière affecte différentiellement les dates de débourrement des six espèces (de -1.9 jours /°C à -6.5 jours /°C respectivement pour le hêtre et le chêne) mais pas entre les populations d’une espèce. Concernant les dates de sénescence, nous avons mis en évidence que la température induit un fort décalage de cet événement chez le chêne et le hêtre (> 5 jours /°C), alors qu’aucun cline n’est détecté chez l’érable et le frêne. L’allongement de la saison de végétation en réponse à une augmentation de la température est ainsi principalement la conséquence d’une avance des dates de débourrement pour toutes les espèces, à l’exception du hêtre qui présente une plus forte sensibilité pour la sénescence. Les modèles phénologiques utilisés soulignent l’importance des températures printanières affectant les bourgeons en phase de quiescence, tandis que les températures froides hivernales susceptibles de lever la dormance des bourgeons ne semblent pas significativement influencer l’occurrence du débourrement. Concernant la sénescence, les modèles ont mis en évidence le rôle prépondérant de la température pour le chêne sessile et le hêtre, tandis que la photopériode et d’autres facteurs pourraient être impliqués chez le frêne et l’érable. Ainsi, les modèles prédisent que la durée de saison de croissance du chêne va augmenter plus rapidement que celle du hêtre dans les prochaines décennies, et que l’équilibre compétitif entre ces deux espèces en terme phénologique est susceptible d’évoluer vers des altitudes plus élevées. Enfin, nous avons mis en évidence que les différentes populations échantillonnées présentaient de fortes adaptations pour la phénologie et la croissance malgré leur proximité géographique. De plus, les normes de réaction obtenues démontrent, d’une part, l’existence d’une forte plasticité phénologique des espèces, et d’autre part que cette plasticité semble être une caractéristique intrinsèque de l’espèce. Ces résultats révèlent que les arbres ont des capacités adaptatives importantes concernant les traits phénologiques qui pourraient leur permettre, dans une certaine mesure, de faire face au réchauffement du climat
To assess the response of forests to climate change, the phenology of six tree species was monitored from 2005 to 2007 both along an altitudinal gradient (providing a thermal gradient of about 7 ° C), and in provenance trials at various altitudes. The aim was (i) to characterize phenological patterns of leaf unfolding and leaf senescence timings in situ, (ii) to determine climatic variables responsible for these patterns, in particular using phenological models, and (iii) to assess the genetic variability and phenotypic plasticity of these phenological events. Our results showed that spring temperature differentially affected the leaf unfolding dates of the six species, with significant disparity in responses among species (from -1.9 days / ° C to -6.5 days / ° C for beech and oak, respectively) but not between the populations of a given species. Regarding the dates of senescence, we highlighted that temperature induced a strong shift of this event for oak and beech (> 5 days / ° C), while no cline was detected for sycamore and ash. The lengthening the growing season in response to an increase in temperature is thus mainly the result of an advance in flushing dates for all species except beech, whose growing season length changes were greatly resulting from shifts in senescence. Phenological models stressed the importance of forcing temperatures (effective during bud quiescence period), while the chilling temperatures (effective during dormancy) did not appear to significantly influence the occurrence of leaf unfolding. Concerning senescence variations , the models highlighted the role of temperature for sessile oak and beech, while the photoperiod and other factors could be involved in the ash and maple. Thus, for oak, the models predicted that the length of growing season will extend faster than the one for beech in the coming decades, and that the phenological competitive balance between these two species will likely to evolve towards higher altitudes. Finally, we showed that the sampled populations showed strong adaptations in phenology and growth in spite of their geographical proximity. Moreover, the reaction norms indicated, first, the existence of a strong phenological plasticity of species, and second, that this plasticity seemed to be an intrinsic characteristic of the species. These results underline that trees have consequent inherent adaptive capacities in phenological traits which may enable them to cope with global warming. However, the differences in phenological sensitivities among species suggest that global warming will significantly affect the competitive balance of species

L’inquiétude au sujet du devenir des forêts tempérées de moyenne montagne va croissant, du fait du changement climatique d’une part, et des difficultés de régénération liées à la pression exercée par les grands ongulés d’autre part. Les populations d’ongulés herbivores connaissent en effet une forte augmentation depuis le milieu du XXème siècle dans l’hémisphère Nord ; et leur abroutissement sélectif, dû à leurs préférences alimentaires, exerce une forte pression sur la régénération, dont l’intensité sur les essences varie selon leur appétence. La réponse de la régénération au changement climatique en termes de survie et de croissance demeure méconnue, mais de premiers résultats suggèrent qu’elle pourrait être encore plus affectée que les arbres adultes, et de manière différentielle également du fait des diverses autécologies des essences. Dans ce contexte de changements globaux, le recours aux forêts mélangées est envisagé comme une option valable de minimisation des risques. Comment caractériser la réponse de la régénération à ces deux pressions de sélection, et quel pourrait être l’avenir d’un peuplement mélangé dans ce contexte ? Notre étude se focalise sur les effets de l’abroutissement par les grands ongulés et du changement climatique sur la régénération du sapin, du hêtre et de l’épicéa en mélange. Nous utilisons pour cela diverses approches. Nous montrons que la germination et l’installation de semis de hêtres n’est pas affectée par l’éclairement au sol plus faible en situation de mélange. Nous mettons en évidence une quasi-inversion d’essences entre sapin et épicéa au niveau de la strate de régénération, bénéficiant à l’épicéa, lorsqu’ils sont soumis à une forte pression d’abroutissement. A l’échelle des traits foliaires, nous trouvons des réponses différentes entre les trois essences aux pressions du climat et de l’abroutissement, le sapin étant le seul à exprimer une réponse claire à l’abroutissement (tissus plus résistants, augmentation du rapport C/N foliaire). Nos résultats démontrent également une diminution de l’abroutissement avec l’augmentation de la température hivernale et un effet plus important de l’abroutissement que de la température printanière sur la croissance des semis de sapin, hêtre, érable. Enfin, via une approche de modélisation, nous avons simulé la dynamique d’un peuplement mélangé de sapin, hêtre et épicéa sur une durée de 100 ans, et montré une modification des seuils de tolérance à la sécheresse par l’abroutissement, et vaildé la possible disparition du sapin dans des scénarios comprenant abroutissement et changement climatique. Ces travaux soulignent l’influence des grands ongulés en interaction avec les conditions climatiques sur la dynamique de la régénération forestière, et l’importance de prendre cette pression en compte dans les protocoles de recherche destinés à étudier l’évolution de la régénération en contexte climatique changeant
There is growing concern about the future of temperate mountainous forests, because of climate change and of the difficulties in regenerating forests caused by large ungulates pressure. Herbivore ungulate populations have strongly increased since the middle of the XXth century in the northern hemisphere. By their selective browsing due to their dietary preferences, they exert a strong pressure on regeneration, which intensity on each tree species varies with their palatability. The response of regeneration to climate change in terms of growth and survival is still poorly known, but some results suggest it could be affected differentially given the different autecologies of the species. In such a global changes context, mixed forests are considered a valuable option of adaptation. How would the regeneration phase respond to those two pressures, and what could be the future of a mixed stand in such a context? This study focuses on the effects of browsing by large ungulates and climate change on mixed silver fir, Norway spruce and beech stand regeneration. We show that the lower amount of light reaching the ground in mixed stands does not affect beech regeneration germinating. We demonstrate a quasi-substitution of silver fir by Norway spruce saplings when submitted to high browsing pressure. At the finer scale of foliar traits, we find different responses among the three species to varying climate and browsing pressure, silver fir being the only species expressing an answer to browsing (increase in shoot mechanical resistance and in foliar C:N). Our results also demonstrate a decrease in browsing with increasing winter temperature, and a stronger effect of browsing than of spring temperature on saplings growth for silver fir, beech and sycamore maple. Finally, our simulations of the dynamics of a mixed silver fir-Norway spruce-beech stand suggest a shift in tolerance to drought thresholds due to browsing, and confirm the possible eradication of silver fir in scenarios combining browsing and climate change. This work highlights the influence of large ungulates interacting with climate conditions on forest regeneration dynamics, and the importance to consider this pressure in research protocols aiming at studying the behaviour of regeneration in changing climate contexts

Le littoral est aujourd’hui affecté par différents phénomènes. Inondation, érosion côtière, perte biodiversité, dégradation des terres…, constituent autant de facteurs de dysfonctionnement. Les enjeux sont à la fois écologiques, socioéconomiques et politiques. L’observation sur des zones urbaines et rurales de Mbour, Saly et Malicounda montre des facteurs de vulnérabilité à la fois naturels et anthropiques. Les changements identifiés ne peuvent être spécifiquement l’effet du changement climatique ; ils représentent aussi le prolongement de situations enclenchées par facteurs physiques, sociaux, économiques, politiques, propres aux territoires Selon les perturbations étudiées, les territoires apparaissent différemment vulnérables. La destruction d’habitations et d’infrastructures, la baisse des captures, des revenus de la pêche, du tourisme et de l’agriculture constituent des impacts auxquels font face les différents acteurs dont les stratégies développées ne sont généralement ni anticipatives, ni efficaces. Il se pose également un problème de responsabilité des acteurs dans la maitrise des perturbations et de leur dynamique dans cette zone stratégique sur le plan économique. Pour une bonne gestion des risques, cette thèse invite à une réelle politique d’aménagement du territoire et à la mise en place d’un observatoire
The coast is now affected by different phenomena. Flooding, coastal erosion, biodiversity loss, land degradation ..., are all factors malfunction.The issues are both ecological, socioeconomic and political. The observation on urban and rural areas of Mbour, Saly and Malicounda shows vulnerabilities of both natural and anthropogenic. The observed changes may be specifically the effect of climate change; they also represent a continuation of situations switched by physical, social, economic, political, of territories. According to the perturbations studied, territories appear differently vulnerable. The destruction of homes and infrastructure, declining catches, revenues from fishing, tourism and agriculture are the impacts faced by different actors. The strategies developed are generally neither proactive nor effective. It also poses a problem of responsibility of actors in the mastery of disturbances and their dynamics in this strategic area economically. For a good risk management, this thesis calls for a real policy of regional planning and the establishment of an observatory

Les recherches sur les spéléothèmes sont de plus en plus demandées pour les reconstructions du climat passé, grâce à la richesse des informations extraites des proxies géochimiques enregistrés pendant la précipitation du calcaire dissous sous sa forme minérale, la calcite. Parmi ces proxies, les isotopes stables et les éléments traces fournissent des informations sur les variations climatiques (précipitations et température) et la couverture végétale. En outre, les datations absolues calculées gràçe à la méthode Uranium/Thorium (U/Th) permettent de contraindre d’une manière assez précises la chronologie de ces variations climatiques dans le temps. Cette thèse présente la toute première étude paléoclimatique basée sur l’analyse géochimiques des stalagmites du nord-ouest de la France, issues de la grotte crayeuse de Caumont. Bien que plusieurs recherches sur la reconstruction paléoenvironnementale de l'Holocène en Normandie aient été publiées, ces études présentent une résolution plus faible et nécessitent des datations plus précises pour mieux contraindre les variations climatiques du passé. Ces lacunes justifient notre recherche sur les stalagmites de Caumont, permettant ainsi de compléter les études paléoclimatiques et paléoenvironnementales régionales.L’objectif de cette thèse est d'étudier le potentiel des stalagmites de la grotte et carrière de Caumont en tant qu'enregistreurs du climat et des conditions environnementales, à haute résolution, au cours des derniers 10.000 ans. Pour réaliser cet objectif principal, nous avons effectué un suivi climatique de la grotte, des datations U/Th sur les échantillons prélevés ainsi que des analyses d'isotopes stables (δ13C et δ18O) et d'éléments traces. Les résultats de ce suivi climatique sur 18 mois ont permis d’identifier les conditions environnementales et les facteurs qui influencent le signal isotopique au moment de la précipitation de la calcite. Le signal du δ13C reflète la dynamique de l'infiltration effective (ou efficiente) durant les saisons plus sèches (l’été), influençant, sur le long terme, la précipitation primaire de la calcite au sein même de l’épikarst (PCP). Le signal du δ18O révèle plus des changements dans la quantité des précipitations, et serait liée plus précisément à l’infiltration après déduction de l’évapotranspiration au sein de l’epikarst. La stalagmite récente (CCB-1) qui couvre le 20e siècle fournit un enregistrement paléoclimatique à haute résolution, permettant une comparaison directe avec les données météorologiques du 20e siècle. Cette étude a permis d'identifier les épisodes de sécheresse historiques du 20e et le début du 21e siècle. Une évaluation plus poussée des enregistrements géochimiques avec l'indice précipitation - évapotranspiration (SPEI) montre un changement dans la dynamique de la sécheresse au cours des deux dernières décennies. Nos résultats montrent que si, pendant la majeure partie du 20e siècle, les sécheresses semblent avoir été liée plus au déficit de la quantité de précipitations, la dynamique aurait changé à la fin des années 1990 avec une évapotranspiration plus élevée, associée à l'augmentation de la température. Les stalagmites holocènes prélevées des conduits naturels à Caumont sont suffisamment sensibles pour enregistrer la variabilité climatique des derniers 10.000 ans. La comparaison des proxies géochimiques issues des stalagmites étudiées avec les enregistrements régionaux disponibles donne un aperçu de l'évolution du paléoclimat en Normandie, complète la reconstruction paléoenvironnementale des études précédentes et montre les débuts de l'impact anthropique sur le paysage. Les tendances climatiques pluri-centennales des stalagmites de Caumont sont généralement comparables à celles d’autres sites du Nord-Ouest Européen. Ceci est démontré en comparant les enregistrements Holocène des stalagmites de Caumont avec ceux des spéléothèmes de sites proches, ceux d’autres archives continentales (lac, tourbière) et marines de
Speleothem-based studies are globally very significant for paleoclimate reconstructions given the abundance of information that can be extracted from the geochemical proxies recorded during calcite precipitation. The proxies (stable isotope and trace elements), provide information on precipitation, temperature and vegetation conditions that, along with the Uranium/Thorium (U/Th) dating method, allow to reconstruct the climate back in time. This thesis presents the first stalagmite-based studies in the north-western France, from the chalk cave of Caumont. Whilst research on paleoenvironmental reconstruction of the Holocene in Normandy has been published, such studies present lower resolution and need better age constraints. This information gap highlights the importance of Caumont stalagmites to complement the regional studies. The aim of this thesis is to investigate the potential of the Caumont cave and quarry stalagmites as recorders of climate and environmental conditions, at high resolution, during the past 10 ka. To achieve this we did cave monitoring, U-series dating, stable isotopes (δ13C and δ18O) and trace elements analysis. The 18-month monitoring results provide an understanding of the cave dynamics and the factors influencing the proxy signal during calcite precipitation. The stalagmite δ13C signal reflects summer effective infiltration dynamics, influencing (longer-term) prior carbonate precipitation. The δ18O signal likely reveals changes in the composition of precipitation above the cave, from annual to multi-annual scale. The recent stalagmite (CCB-1), yield a high-resolution record that covers the 20th century, allowing direct comparison with meteorological data. Such study helped to identify the historical drought events of the 20th and 21st centuries. Further evaluation of geochemical records with the precipitation-evapotranspiration index (SPEI) shows a shift in drought dynamics for the past two decades. During most of the 20th century, droughts appear driven by a pluvial (deficit) regime, but from the late 1990s, drought was driven by higher evapotranspiration due to increased temperature. The Holocene stalagmites from the natural conduits of Caumont site show enough sensitivity to record the climate variability of the last 10 ka. The comparison of the geochemical proxies with the regional records provides insight of the paleoclimate evolution in Normandy, complements the paleoenvironmental reconstruction of previous studies and agrees with the onset of the human impact on the landscape. The multi-centennial climate trends from Caumont stalagmites are found generally in agreement with the Holocene climate variability for north-western Europe. This is demonstrated by comparing Caumont Holocene records with nearby speleothem records, continental archives (lake, mire) and North Atlantic marine proxy records

Cette étude se propose d’explorer les potentialités des données de télédétection optique et radar libre d’accès pour l’évaluation et le suivi des écosystèmes forestiers tropicaux, secs ou humides. Différents sites tests situés dans ces écosystèmes forestiers tropicaux, ont été sélectionnés. Il s’agit : du parc national des Virunga en République Démocratique du Congo (RDC), de la réserve de biosphère de l’Oti-Keran-Mandourie (OKM) et de la réserve de faune de Togodo (RFT) au Togo, de la zone située autour du pont faisant la liaison entre la ville de Saint-Georges de l’Oyapock et la plaine du littorale de Kourou en Guyane française et de la province de la Monté Cristi en république Dominicaine. Différentes données ont été utilisés lors de cette étude : pour les images radar, des séries temporelles Sentinel-1, des mosaïques Alos-2 et, pour les images optiques, Sentinel-2 et Landsat-8. Des données exogènes comme les points GPS, modèles numériques de terrain et les cartes de référence. L’approche méthodologie utilisé est composée de prétraitement sur les images optiques et radar. Les approches spécifiques, variables selon le site d’étude, ont comporté : photo interprétation détaillée, la classification supervisée SVM, l’inventaire forestier et l’application des équations allométriques, une approche de détection des changements par décomposition en ondelettes, une de détection des changements automatiques par seuillage et la caractérisation de ces changements. Les principaux résultats sont les suivants : Site du PNVI : les cartes d’occupation du sol et les cartes binaires forêts, non-forêt de 1987, 1997, 2007 et 2017 sont réalisées sur le PNVI. Sur la période de 30 ans en utilisant les cartes binaires entre 1987 à 2017 le taux moyen annuel de déforestation est de 1,07%. Ce taux de déforestation élevé montre la pression croissante sur les ressources forestières dans le paysage des Virunga. Site de l’OKM et du RFT : une classification menée sur une combinaison d’images optiques et radar donne des performances légèrement meilleures que des classifications menées sur des images optiques et radar considérées séparément. Les cartes d’occupation du sol issues de ces classifications ont servis de base pour l’estimation de stocks de carbone à travers l’évaluation des ressources forestières. Sur le site de Saint-Georges de l’Oyapock, l’analyse temporelle menée à partir de décompositions en ondelettes, a permis de détecter trois grands types de changements dus à : la déforestation anthropique, les évolutions saisonnières et les évolutions agricoles. Sur le site de la province de Monté Cristi en République dominicaine, l’analyse conjointe d’images radar et optiques a permis de proposer une cartographie comportant 18 classes d’occupation du sol contrôlées sur le terrain avec une précision globale de plus de 90 %. Le suivi historique des forêts montre une régression de la couverture forestière. Parallèlement, nous observons une régression de la surface des mangroves entre 2015 et 2018.Cette étude a mis en évidence l’immense potentialité des données de télédétection optique et radar dans la caractérisation, la cartographie et le suivi des strates d’occupation des sols dans les écosystèmes tropicaux dans différentes régions du monde et en fonction des conditions saisonniers. Si chaque type de données de télédétection possède ces qualités et capacités discriminatoire, cette étude a montré que l’utilisation conjointe et combinée de deux types de données permet d’augmenté significativement la caractérisation et la discrimination des classes d’occupation des sols et ainsi augmente les chances de fiabilité des actions à mener
This study aims to explore the potential of optical remote sensing and free access radar data for the assessment and monitoring of tropical, dry or wet forest ecosystems. Different test sites located in these tropical forest ecosystems have been selected. These are: the Virunga National Park in the Democratic Republic of Congo (DRC), the Oti-Keran-Mandourie Biosphere Reserve (OKM) and Togodo Wildlife Reserve (RFT) in Togo, the area around the bridge linking the city of Saint-Georges de l'Oyapock and the plain of the Kourou coast in French Guiana and the province of Monté Cristi in the Dominican Republic. Different data were used in this study: for radar images, Sentinel-1 time series, Alos-2 mosaics and, for optical images, Sentinel-2 and Landsat-8. Exogenous data such as GPS points, digital terrain models and reference maps. The methodology approach used consists of pretreatment on optical and radar images. Specific approaches, varying by study site, included: photo detailed interpretation, supervised SVM classification, forest inventory and application of allometric equations, a wavelet decomposition detection approach, a detection approach automatic changes by thresholding and the characterization of these changes. The main results are:PNVI site: land cover maps and forest, non-forest binary maps of 1987, 1997, 2007 and 2017 are produced on the PNVI. Over the 30-year period using the binary maps between 1987 and 2017 the average annual rate of deforestation is 1.07%. This high deforestation rate shows the increasing pressure on forest resources in the Virunga landscape. OKM and RFT site: a classification carried out on a combination of optical and radar images gives slightly better performances than classifications carried out on optical and radar images considered separately. The land cover maps from these classifications were used as a basis for estimating carbon stocks through forest resource assessment. At the Saint-Georges de l'Oyapock site, temporal analysis using wavelet decompositions revealed three main types of changes due to anthropogenic deforestation, seasonal changes and agricultural changes. On the site of the Monté Cristi province in the Dominican Republic, the joint analysis of radar and optical images made it possible to propose a cartography comprising 18 field-controlled land cover classes with an overall accuracy of more than 90%. Historical forest monitoring shows a decline in forest cover. At the same time, we observe a regression of the surface of mangroves between 2015 and 2018.This study has highlighted the immense potential of optical and radar remote sensing data in the characterization, mapping and monitoring of land use layers in tropical ecosystems in different regions of the world and according to seasonal conditions. While each type of remote sensing data has these discriminatory qualities and capabilities, this study has shown that the joint and combined use of two types of data significantly increases the characterization and discrimination of land-use classes and thus increases the chances of reliability of the actions to be carried out

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. [...]

Ne couvrant que 8% de l’océan mondial mais offrant 85% des ressources marines exploitées, les systèmes côtiers sont d’importantes plaques tournantes d’échanges de matières et d’énergie, jouant un rôle capital dans les cycles biogéochimiques. De plus, ces milieux sont marqués par une forte hétérogénéité spatio-temporelle des facteurs environnementaux, contribuant ainsi à leur complexité. Au cours des dernières décennies, les changements globaux s'exerçant sur ces systèmes sont devenus si intenses, que la mise en place de réseaux d'observation à long-terme est devenue cruciale afin d'extraire les grandes tendances et de prédire les changements potentiels. La question de l'identification de la réponse spécifique de ces zones d'interfaces littorales reste cependant posée. En France, le suivi des paramètres physiques et chimiques des eaux côtières est assuré depuis 1997 par le programme SOMLIT (Service d’Observation en Milieu LIToral). L'objectif de cette thèse est de donc caractériser l'évolution physico-chimique, à l'échelle décennale, des systèmes côtiers français et d'estimer les parts respectives de la variabilité naturelle et de l'influence anthropique. Dans un premier temps, l'analyse de ces séries chronologiques montre que les systèmes côtiers français présentent une variabilité temporelle importante, liée en partie aux fluctuations hydro-climatiques à méso-échelle, mais également à des échelles plus régionales. Dans un deuxième temps, le développement d'une nouvelle procédure multivariée non paramétrique, aboutissant à la construction d'états de référence relatifs et à la détection rapide des changements, permet de quantifier le phénomène de fertilisation en nutriments. Il est montré que la fertilisation peut être fortement influencée par le forçage climatique. Dans un troisième temps, après soustraction de la part de variabilité climatique naturelle, des indicateurs de fertilisation anthropique sont proposés, permettant la quantification de l'impact des activités humaines sur les systèmes côtiers français. Ce travail propose une nouvelle approche qui permet de détecter dès que les données deviennent accessibles les perturbations potentielles dans tous types de systèmes, avec plus particulièrement pour objectif de répondre aux attentes, scientifiques et sociétales, d'une gestion adaptée des milieux côtiers
Covering only 8% of the World Ocean but with 85% of exploited marine resources, coastal systems are important areas for the exchange of materials and energy, playing a crucial role in biogeochemical cycles. Moreover, these environments are marked by strong spatial and temporal heterogeneity of environmental factors, contributing to their complexity. In recent decades, global change exerted on these systems has become so intense that the implementation of long-term monitoring programmes has become essential to extract major trends and predict potential changes. However, the identification of the specific response of these coastal systems remains posed. In France, monitoring of physical and chemical parameters of coastal waters is provided since 1997 by the programme SOMLIT (Service d'Observation en Milieu LITtoral). The aim of this PhD Thesis is therefore to characterize year-to-year variability in physic-chemical properties of the surface layer, at a decadal scale, of the French coastal systems, and to evaluate the respective influence of natural and anthropogenic variability. Firstly, the analysis of these time series shows that the French coastal systems exhibit significant temporal variability, due to hydro-climatic fluctuations at meso and regional scales. Secondly, the development of a new nonparametric multivariate procedure, resulting in the constitution of relative reference states for the rapid detection of changes, allows quantifying the fertilization in nutrient concentrations. Moreover, it is shown that fertilization can be strongly influenced by climate forcing. Thirdly, after the removal of natural climate variability, indicators of human fertilisation are proposed, allowing the quantification of the impact of human activities on French coastal systems. This study proposes a new approach to detect as soon as data become available, potential alterations in all types of systems, with the aim of meeting the scientific and societal assumptions and allowing the adaptive management of coastal environments

Les systèmes côtiers, parmi les plus importants écologiquement et économiquement, sont fortement menacés par l’influence combinée du réchauffement climatique et des forçages anthropiques directs. Pendant les deux dernières décennies, des changements concomitants dans l’environnement, le climat régional et les conditions hydro-climatiques à grande échelle ont été détectés. Ces changements affectent les compartiments biologiques, du phytoplancton aux consommateurs supérieurs, altérant la structure et le fonctionnement des écosystèmes. Les modifications de biodiversité peuvent s'opérer sur de longues périodes, ou résulter de l’accumulation des changements subtils pouvant entraîner des perturbations à l’échelle de l’écosystème. Un des défis actuels est l'identification d'une part d'outils numériques permettant de mesurer les changements de biodiversité et d'autre part les facteurs et mécanismes à l’origine de ces modifications. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse est la caractérisation de l’influence de la variabilité climatique sur les communautés zooplanctoniques des zones côtières en liaison avec les facteurs environnementaux. L’application d'analyses multivariés sur des données issues de suivis environnementaux récurrents pour la période 2001-2014, a permis de caractériser les liens entre le forçage climatique à différentes échelles spatiales, la variabilité environnementale et une modification abrupte dans la communauté zooplanctonique du Bassin d’Arcachon au milieu des années 2000. Une approche comparative à l’échelle régionale à cette même échelle temporelle, associant variabilité des indices de biodiversité et analyses multivariées, a permis d’identifier des changements simultanés mais non convergents de la diversité zooplanctonique du Bassin d’Arcachon et de l’Estuaire de la Gironde au milieu des années 2000. L'approche prospective réalisée sur le littoral mexicain (Sud du Golfe de Californie) a amené à caractériser le contexte climatique, l’environnement pélagique et la communauté zooplanctonique pendant une période marquée par un événement ENSO intense. Les éléments de connaissance qui en sont issus permettront d'établir les bases du développement d’un suivi environnemental récurent en milieu littoral, dans cette zone prioritaire en termes de biodiversité
Coastal ecosystems, among the most ecologically and economically important ecosystems are highly threatened by the combined influence of global warming and direct anthropogenic forcing. Over the last two decades, concomitant changes in local environment, regional climate, and large-scale hydro-climatic conditions have been observed worldwide. Such changes strongly affect biological compartments, from phytoplankton to top predators, altering the structure and functioning of ecosystems. Changes in biodiversity may occur over long periods resulting from abrupt changes or accumulation of subtle modifications altering in both cases the functioning of ecosystems. One of the current challenge is to find robust diversity metrics in order to characterise changes in biodiversity in relation with local and global drivers. In this context, the general objective of the thesis was the characterisation of the influence of climatic variability on zooplankton communities in coastal zones at a decadal temporal scale. At the local scale, multivariate analyses performed on data from an environmental monitoring (2001-2014) allowed us to characterise de relationships between climatic drivers, environmental variability et an abrupt modification in zooplankton diversity in Arcachon Bay in the mid-2000’s. A comparative approach at the regional scale at the same temporal scale, associating the variability of biodiversity index and multivariate analysis, allowed to identify synchronous changes in zooplankton communities of Arcachon Bay and the Gironde Estuary in the mid-2000’s. The approach concerning the mexican littoral areas (in the south of the Gulf of California) allowed us to characterise climate, pelagic environment and zooplankton diversity variabilities during an extreme ENSO event. The results allowed us to define the basis of a future long term survey in this area of interest in terms of biodiversity

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

La sécheresse est un phénomène récurrent dans la région du Nord-Est du Brésil (NEB), en particulier dans les régions semi-arides de l’intérieur. Bien que plusieurs études de la sécheresse aient été menées au NEB, certains aspects méthodologiques inhérents à la qualité des données, aux spécificités des techniques utilisées et à l'échelle spatiale ont été encore peu discutés. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de caractériser les différents aspects de la sécheresse au NEB en considérant les caractéristiques des données météorologiques, les différentes échelles spatiales et les alternatives de surveillance par télédétection. Cette caractérisation a été réalisée dans le bassin du fleuve São Francisco (BFSF), qui présente une grande diversité climatique, dans le bassin du fleuve Piranhas- Açu (BFPA), qui est complètement inséré dans le domaine semi-aride du NEB, et dans des secteurs de désertification. Dans la première étude, nous avons utilisé le déficit d'évaporation dans le suivi de la sécheresse dans le BFSF. Les résultats montrent que les périodes de pénurie d'eau deviennent plus fréquentes et plus intenses dans les zones côtières et centrales du bassin. Dans la deuxième étude, le Rainfall Anomaly Index a été utilisé dans le BFPA pour identifier les épisodes de sécheresse, qui sont principalement associés aux épisodes El Niño et au réchauffement anormal des eaux de l'océan Atlantique Nord tropical. Enfin, dans la troisième étude, différents modèles stochastiques ont été testés afin de prévoir le Normalized Difference Vegetation Index obtenu par télédétection sur six secteurs de désertification dans le NEB. Les résultats montrent que les modèles testés prévoient de manière satisfaisante les états de végétation sèche et dégradée à court terme
Drought is a recurrent phenomenon in the Northeast Brazil (NEB) region, especially in its semiarid inlands. Although several drought studies have been carried out at the NEB, some important methodological aspects inherent to data quality and control, specificities of the used techniques, and spatial scale still need to be further discussed. Therefore, the objective of this thesis is to characterize different aspects of drought in the NEB considering different spatial scales, meteorological data characteristics, and remote sensing monitoring alternatives. This characterization was carried out in the São Francisco watershed (SFW), which presents a remarkable climate diversity, in the Piranhas-Açu watershed (PAW), which is entirely located in the semiarid NEB, and in desertification hotspots. In the first study, we used the evaporation deficit as drought index in the SFW. Results show that periods of water shortage are becoming more frequent and more intense in the coastal and middle zones of the basin. In the second study, a rainfall anomaly index was used in the PAW to identify drought events, which are mostly associated with El Niño events and the anomalous warming of the Tropical North Atlantic Ocean. Finally, in the third study, different stochastic models were tested in order to forecast remotely sensed Normalized Difference Vegetation Index data over six desertification hotspots in the NEB. Results show that the tested models satisfactorily forecast short-term dry and degraded vegetation states

La région méditerranéenne est un des 25 points chauds de la biodiversité mondiale. Cette richesse est associée à des milieux semi-naturels façonnés par l'action de l'homme depuis des siècles, notamment par élevage extensif. Depuis la fin du 19ème siècle, la déprise rurale se traduit par l'abandon des pratiques pastorales qui conduit à la dégradation de ces milieux ouverts semi-naturels par embroussaillement et reforestation. Les conséquences de cette modification des habitats sont explorées sur une espèce endémique rare et difficile à détecter, la vipère d'Orsini (Vipera ursinii). Les travaux réalisés montrent que les populations sont fragmentées, isolées les unes des autres, et marquées par une forte structuration spatiale interne. Quatre unités évolutives distinctes sont détectées, représentant chacune une part originale et unique de la variabilité génétique de l'espèce en France dont la perte doit alors être considérée définitive. Nos résultats montrent que la distribution de l'espèce est très peu étendue par rapport aux habitats favorables disponibles. Cette différence ne résulte pas d'un biais lié à la non-détection de l'espèce ni à l'omission d'un paramètre important dans les modèles de distribution mais probablement d'une faible capacité de colonisation des sites devenus favorables après la dernière glaciation. Nous avons montré que les effets des brûlages dirigés menés par les gestionnaires pour entretenir les milieux méditerranéens sont fortement négatifs pour la survie de l'espèce. Enfin l'analyse de la gestion forestière abordée de manière théorique montre le fort potentiel des coupes forestières pour améliorer le statut des populations. Ainsi cette thèse s'est attachée à définir une démarche simple et efficace à adopter pour obtenir une évaluation rapide du statut des populations et des risques d'extinction d'une espèce rare et difficile à observer. Par ailleurs les résultats obtenus sur cette espèce sont de portée générale pour comprendre l'impact de la reforestation à la suite de l'abandon des pratiques pastorales séculaires, des changements climatiques à venir ainsi que celui des modes de gestion actuellement préconisés sur des espèces méditerranéennes à faible capacité de dispersion
The Mediterranean region is one of the 25 hotspots in the world. This biological richness is linked from centuries with human-made seminatural habitats, such as agropastoral grasslands. Since the end of the 19th century, the rural decolonization is followed by land abandonment and that conducts to alteration of seminatural grasslands by encroachment and afforestation. Consequences of this habitat alteration are investigated on a rare endemic species particularly difficult to detect, the Orsini's meadow viper (Vipera ursinii). This study shows that populations are fragmented and isolated, and have a high within spatial structure. Four distinct evolutionary units have been identified, each one representing an original and unit part of the genetic variability of the species in France, whose loss should be considered as definitive. Our results show that the species range is narrow extended compared to suitable habitats. This difference does not result from non detection bias neither missing of an important parameter in using models but rather by a low colonization ability of sites which became favourable after the last glaciation. We showed that prescribed fire effects used to maintain open grasslands are strongly unfavourable to the Orsini's meadow viper. In last, analysis of forest management with theoretical approach showed the strong potentiality of forest cuttings to population status improvement. Thus, this thesis aims to define a simple and effective method to obtain quickly an assessment of populations status and extinction risks of this rare species difficult to detect. In addition results obtained on this species are of broader inferences to understand impact of afforestation due to pastoral abandonment, near-future climatic change and management practice that are currently proposed for Mediterranean species with low dispersal rate

Les compositions isotopiques (δ¹⁸O et δ²H) du Fleuve Saint-Laurent et de la Rivière des Outaouais ont fait l'objet d'un suivi depuis 1997 dans le cadre d'une contribution au projet de l'Agence Internationale de l'énergie atomique portant sur le traçage isotopique des processus hydrologiques dans les grands bassins. L'échantillonnage des eaux du Saint-Laurent a été réalisé sur une base hebdomadaire à bimensuelle à la station de Montréal (représentant les eaux des Grands Lacs à leur sortie du Lac Ontario) et de Québec (à l'entrée de l'estuaire maritime). Les eaux de la Rivière des Outaouais, le plus important tributaire, ont été échantillonnées à l'embouchure de la rivière à Carillon. Une attention particulière a été portée à la variabilité saisonnière en relation avec les processus hydrologiques (l'évaporation et la fonte des neiges) dans les bassins des tributaires et des Grands Lacs. La variabilité interannuelle a également été analysée en relation avec les bilans hydrologiques et les tendances climatiques à long terme. Les eaux à la sortie des Grands Lacs présentent des compositions isotopiques relativement enrichies en isotopes lourds avec des moyennes annuelles pondérées de -55‰ pour δ²H et -7.1‰ pour δ¹⁸O. La Rivière des Outaouais se démarque par sa signature isotopique plus appauvrie (-80‰ pour δ²H et -10.7‰ pour δ¹⁸O). Finalement, puisque le contenu isotopique de l'eau à la sortie du Fleuve Saint-Laurent dépend en grande partie de l'apport des deux sources précédentes, ce dernier est caractérisé par des valeurs intermédiaires (-64‰ pour δ²H et -8.4‰ pour δ¹⁸O). La saisonnalité du signal isotopique de l'eau de surface provient en partie de la variation de l'apport isotopique des précipitations. Toutefois, le signal des précipitations est tamponné et déphasé par le temps de séjour de l'eau dans le bassin, l'évaporation et l'évolution du tapis nival pendant l'hiver et le début du printemps. Au printemps, la fonte des précipitations hivernales appauvries en isotopes lourds est responsable pour la plus grande partie des variations saisonnières dans les Grands Lacs (1.3‰ , pour Δδ¹⁸O et 8‰ pour Δδ²H) et la Rivière des Outaouais (1.1‰ pour Δδ¹⁸O et 6‰ pour Δδ²H). À la sortie du Fleuve Saint-Laurent à Québec, les variations saisonnières sont dictées par l'apport massif des eaux enrichies en isotopes lourds des Grands Lacs pendant l'été ainsi que par la contribution appauvrie en isotopes lourds des tributaires pendant la période de fonte des neiges (2.4‰ pour Δδ¹⁸O et 19‰ pour Δδ²H). La variation isotopique interannuelle de l'eau dans le bassin du Fleuve Saint-Laurent est relativement faible. D'année en année, l'eau à la sortie des Grands Lacs présente des compositions isotopiques assez stables (Δδ¹⁸O = 0.5‰ et Δδ²H = 2‰). Il nous a toutefois été possible d'observer un faible enrichissement isotopique de l'eau entre la fin de l'été et le début de l'automne entre 1997 et 2003. Puisqu'un tel enrichissement n'est pas observé dans les précipitations, il pourrait être attribué à l'augmentation des températures moyennes annuelles induisant une évaporation accrue dans les Grands Lacs. Les variations interannuelles de la Rivière des Outaouais ont été les plus importantes (Δδ¹⁸O = 1‰ et Δδ²H = 8‰) et semblent être reliées de près aux variations observées dans les précipitations à Ottawa avec une moindre amplitude. La variabilité interannuelle à l'embouchure du Fleuve, à Québec, (Δδ¹⁸O = 0.7‰ et Δδ²H = 3‰) ne peut être entièrement expliquée par un simple mélange des eaux des Grands Lacs et de la Rivière des Outaouais. L'apport des plus petits tributaires entre Montréal et Québec pourrait expliquer cette différence. En effet, les variations isotopiques interannuelles à Québec semblent être reliées de près aux conditions hydrologiques et à l'apport isotopique provenant des bassins des plus petits tributaires. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Isotopes stables, Bassin fluvial, Hydrologie, Variabilité hydroclimatique.