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Soutenance

Yuan Zhang (LMD)

Titre : Impacts of anthropogenic aerosols on the terrestrial carbon cycle

Date et heure : Le 16-03-2020 à 10h00

Type : thèse

Université qui délivre le diplôme : Sorbonne Université

Lieu : Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie - 4 place Jussieu - Paris 05 - Salle de conférence TEB - 2e étage - T46-56
Membres du jury :

Présidente : Agnès Ducharne, CNRS, METIS/IPSL
Directeur de thèse : Olivier Boucher, CNRS, IPSL
Co-directeur de thèse : Philippe Ciais, CEA, LSCE/IPSL
Rapporteur: Stephen Sitch, University of Exeter
Rapporteur: Sönke Zaehle, Max Planck Institute
Examinateur: Roland Séférian, CNRM, Météo-France/CNRS
Examinatrice: Lingli Liu, Chinese Academy of Sciences
Invité : Laurent Li, CNRS, LMD/IPSL

Résumé :

The presentation will be in English.


Anthropogenic atmospheric aerosols have been recognized to have significantly affected the climate system through their interactions with radiation and cloud during the last decades. Besides these well-known but poorly-understood physical processes in the atmosphere, recent studies reported strong influences of aerosols on the carbon cycle, especially its terrestrial component. The changes in carbon cycle will further alter the climate through the climate-carbon feedback. It remains uncertain how much anthropogenic aerosols perturb the land carbon cycle. This thesis aims to quantify and attribute the impacts of anthropogenic aerosols on the terrestrial cycle using a modeling approach.


In Chapter 2, a set of offline simulations using the ORCHIDEE land surface model driven by climate fields from different CMIP5 generation climate models were performed to investigate the impacts of anthropogenic aerosols on the land C cycle through their impacts on climate. The results indicate an increased cumulative land C sink of 11.6-41.8 PgC during 1850-2005 due to anthropogenic aerosols. The increase in net biome production (NBP) is mainly found in the tropics and northern mid latitudes. Aerosol-induced cooling is the main factor driving this NBP changes. At high latitudes, aerosol-induced cooling caused a stronger decrease in gross primary production (GPP) than in total ecosystem respiration (TER), leading to lower NBP. At mid latitudes, cooling‐induced decrease in TER is stronger than for GPP, resulting in a net NBP increase. At low latitudes, NBP was also enhanced due to the cooling‐induced GPP increase, but regional precipitation decline in response to anthropogenic aerosol emissions may negate the effect of temperature. As climate models currently disagree on how aerosol emissions affect tropical precipitation, the precipitation change in response to aerosols becomes the main source of uncertainty in aerosol-caused C flux changes. The results suggest that better understanding and simulation of how anthropogenic aerosols affect precipitation in climate models is required for a more accurate attribution of aerosol effects on the terrestrial carbon cycle.


Chapter 3 presents the development and evaluation of a new version of ORCHIDEE model named ORCHIDEE_DF. Compared with the standard ORCHIDEE model (ORCHIDEE trunk), ORCHIDEE_DF includes a new light partitioning module to separate the downward shortwave radiation into direct and diffuse components, as well as a new canopy radiative transmission module to simulate the transmission of diffuse and direct radiation, and the light absorption of sunlit and shaded leaves separately. The new model ORCHIDEE_DF was evaluated using flux observations from 159 eddy covariance sites over the globe. Compared with the original model, ORCHIDEE_DF improves the GPP simulation under sunny conditions and captures the observed higher photosynthesis under cloudier conditions for most plant functional types (PFTs). The results from ORCHIDEE_DF and standard ORCHIDEE together indicate that the larger GPP under cloudy conditions compared to sunny conditions is mainly driven by increased diffuse light in the morning and in the afternoon, and by the decreased water vapor pressure deficit (VPD) and air temperature at midday. The strongest positive effects of diffuse light on photosynthesis are found in the range 5-20 °C and VPD<1 kPa. This effect is found to decrease when VPD becomes too large, or temperature falls outside that range, likely because stomatal conductance takes control of photosynthesis. ORCHIDEE_DF underestimates the diffuse light effect at low temperature in all PFTs and overestimates this effect at high temperature and high VPD in grasslands and croplands. This bias is likely due to the parameterization in the original model. The new model has the potential to better investigate the impact of large-scale aerosol changes on the terrestrial carbon budget, both in the historical period and in the context of future air quality policies and/or climate engineering.


Using empirically tuned ORCHIDEE_DF, Chapter 4 performed two sets of simulations based on the observation-based CRUJRA climate dataset, and the climate fields from IPSL-CM6A-LR simulations to systematically investigate the impacts of aerosol-induced changes in diffuse radiation and other factors. The two sets of simulations find an enhanced cumulative land C sink of 6.8 PgC (CRUJRA climate) and 15.9 PgC (IPSL-CM6A-LR climate) in response to the anthropogenic aerosol-caused diffuse radiation fraction changes during the historical period and this enhancement mainly occurs after the 1950s.A series of factorial simulations driven by IPSL climate show that globally, the anthropogenic aerosol-induced land C sink increase is mainly due to the diffuse light fertilization effect but there is also a contribution from the cooling effect. Furthermore, a comparison of different methods reconstructing the diffuse radiation field under no anthropogenic aerosol scenario indicates that correctly considering the variability of diffuse radiation fraction is essential to obtain unbiased carbon fluxes.


Although this thesis gained a relatively systematic understanding in aerosol impacts on terrestrial ecosystems, there remain uncertainties due to the limit of current modeling tools and experimental designs. To reduce these uncertainties, future work needs to include representation of currently missing mechanisms (e.g., deposition of nutrients associated with aerosols) into land surface models, collect more relevant observations for calibration, and design experiments to investigate aerosol impacts in fully coupled simulations. With the help of reliable future scenarios in aerosol emissions (such as those from the SSP-RCP dataset), improved modeling tools are expected to better evaluate the aerosol-related air quality policies.


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Résumé en Français


Il est reconnu que les aérosols atmosphériques d’origine anthropique ont eu un impact significatif sur le système climatique au cours des dernières décennies via leurs interactions avec le rayonnement et les nuages. Outre ces processus physiques bien connus mais mal compris, des études récentes ont fait état de fortes influences des aérosols sur le cycle du carbone, en particulier sur sa composante terrestre. Les changements du cycle du carbone vont alors modifier le climat par le biais de la rétroaction climat-carbone. On ne sait toujours pas bien dans quelle mesure les aérosols anthropiques perturbent le cycle du carbone terrestre. Cette thèse vise à quantifier et à attribuer les impacts des aérosols anthropiques sur le cycle terrestre en utilisant une approche de modélisation.


Au chapitre 2, un ensemble de simulations « hors ligne » utilisant le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE forcé par les champs climatiques de différents modèles climatiques de la génération CMIP5 ont été réalisées pour étudier les impacts des aérosols anthropiques sur le cycle du carbone terrestre au travers de leurs impacts sur le climat. Les résultats indiquent une augmentation du puits de carbone terrestre de 11,6 à 41,8 PgC cumulé entre 1850 et 2005 en raison des aérosols anthropiques. L'augmentation de la production nette du biome (net biome production, NBP) se situe principalement dans les tropiques et les latitudes moyennes de l’hémisphère nord. Le refroidissement induit par les aérosols est le principal facteur à l'origine de cette évolution de la NBP. Aux hautes latitudes, le refroidissement induit par les aérosols a provoqué une diminution plus forte de la production primaire brute (gross primary production, GPP) que de la respiration totale de l'écosystème (total ecosystem respiration, TER), ce qui a entraîné une baisse de la NBP. Aux latitudes moyennes, la diminution de la TER due au refroidissement est plus forte que celle de la GPP, ce qui entraîne une augmentation nette de la NBP. Aux basses latitudes, la NBP a également augmenté en raison de l'augmentation de la GPP due au refroidissement, mais la diminution des précipitations régionales en réponse aux émissions d'aérosols anthropiques peut annuler l'effet de la température. Comme les modèles de climat sont actuellement en désaccord sur la manière dont les émissions d'aérosols affectent les précipitations tropicales, la modification des précipitations en réponse aux aérosols devient la principale source d'incertitude dans les changements de flux de C causés par les aérosols. Les résultats suggèrent qu'une meilleure compréhension et simulation de la manière dont les aérosols anthropiques affectent les précipitations dans les modèles de climat est nécessaire pour une attribution plus précise des effets des aérosols sur le cycle du carbone terrestre.


Le chapitre 3 présente le développement et l'évaluation d'une nouvelle version du modèle ORCHIDEE appelé ORCHIDEE_DF. Par rapport à la version standard d’ORCHIDEE, ORCHIDEE_DF comprend un nouveau module de partitionnement de la lumière pour séparer le rayonnement solaire descendant en ses composantes directe et diffuse, ainsi qu'un nouveau module de transfert radiatif pour simuler la transmission du rayonnement diffus et direct dans la canopée, et différentier l'absorption de la lumière par les feuilles éclairées et ombragées. Le nouveau modèle ORCHIDEE_DF a été évalué à l'aide d'observations de flux par la méthode « eddy covariance » provenant de 159 sites de mesures sur le globe. Par rapport au modèle standard, ORCHIDEE_DF améliore la simulation des GPP dans des conditions ensoleillées et simule bien la photosynthèse supérieure observée dans des conditions plus nuageuses pour la plupart des types fonctionnels de plantes (plant functional types, PFT). Les résultats d’ORCHIDEE_DF et de la version standard d’ORCHIDEE pris ensemble indiquent que la GPP plus importante dans des conditions nuageuses par rapport aux conditions ensoleillées est principalement due à l'augmentation de la lumière diffuse le matin et l'après-midi, et à la diminution du déficit en pression de vapeur d’eau (water vapor pressure deficit, VPD) et de la température de l'air à midi. Les effets positifs les plus importants de la lumière diffuse sur la photosynthèse se situent dans la plage de 5 à 20 °C et des VPD inférieures à 1 kPa. On constate que cet effet diminue lorsque les VPD deviennent trop importantes ou que la température tombe en dehors de cette plage, probablement parce que la conductance stomatale prend le contrôle de la photosynthèse. ORCHIDEE_DF sous-estime l'effet de la lumière diffuse à basse température dans toutes les PFT et surestime cet effet à haute température et à un VPD élevé dans les prairies et les terres cultivées. Ce biais est probablement dû à la paramétrisation du modèle standard. Le nouveau modèle permet de mieux étudier l'impact des changements d'aérosols à grande échelle sur le bilan du carbone terrestre, à la fois dans la période historique et dans le contexte des futures politiques de qualité de l'air et/ou de l'ingénierie climatique.


Le chapitre 4 présente deux séries de simulations basées sur sur le modèle ORCHIDEE_DF forcé par l'ensemble de données climatiques CRUJRA, et les champs climatiques des simulations IPSL-CM6A-LR et vise à étudier systématiquement les impacts des changements induits par les aérosols sur le rayonnement diffus et des autres facteurs. Les deux séries de simulations montrent une augmentation du puits de carbone terrestre cumulatif de 6,8 PgC (données climatiques du CRUJRA) et de 15,9 PgC (données climatiques de l’IPSL-CM6A-LR) en réponse aux changements de la fraction de rayonnement diffus causé par les aérosols anthropiques au cours de la période historique, et cette augmentation se produit principalement après les années 1950. La série de simulations factorielles forcées par le climat IPSL montre que globalement, l'augmentation du puits de carbone terrestre anthropique causé par les aérosols est principalement due à l'effet de fertilisation diffuse par la lumière mais aussi à l'effet de refroidissement. En outre, une comparaison des différentes méthodes de reconstruction du champ de rayonnement diffus dans un scénario sans aérosol anthropique indique qu'il est essentiel de prendre en compte correctement la variabilité de la fraction de rayonnement diffus pour obtenir des flux de carbone non biaisés.


Bien que cette thèse ait permis d'acquérir une compréhension assez holistique des impacts des aérosols sur les écosystèmes terrestres, il subsiste des incertitudes dues aux limites des outils de modélisation et des plans d'expérience actuels. Pour réduire ces incertitudes, les travaux futurs doivent inclure les mécanismes manquants (par exemple, le dépôt de nutriments associé aux aérosols) dans les modèles de surface terrestre, recueillir davantage d'observations pertinentes pour l'étalonnage et concevoir des expériences pour étudier les impacts des aérosols dans des simulations entièrement couplées. Grâce à des scénarios futurs fiables d'émissions d'aérosols (tels que ceux du jeu de données SSP-RCP), les nouveaux outils de modélisation devraient permettre de mieux évaluer et orienter l'élaboration des politiques de qualité de l'air relatives aux aérosols.

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