A numerical approach to understanding rates of ice sheet build-up during the Quaternary

During the Quaternary (since 2.6 Ma), ice sheets experience different advance-retreat episodes corresponding to glacial-interglacial cycles. Studying these episodic events provides a better understanding of the mechanisms behind the Earth’s evolution, improving the future projection for the current global warming.

Simulating ice sheet-climate interactions for long timescales requires numerical modeling approaches that sufficiently represent the real system while maintaining low computational costs. In the first part of this thesis, I utilize an Earth System of Intermediate Complexity (iLOVECLIM) coupled to the 3D ice sheet model GRISLI to simulate the abrupt ice sheet advance during the beginning of the last glacial cycle (120-115 kaBP). The results indicate glacial inceptions cannot be explained solely by the astronomical theory (the influence of orbital forcings). The roles of the biosphere and ocean through different feedback mechanisms must be included to explain the location and extent of ice sheet advance. Also, an appropriate simulation of the ice sheet accumulation process is essential to obtain results consistent with the paleo records.

In the second part of the thesis, I investigate the behaviors of a multi-layer snow model BESSI to provide a more physics-based surface mass balance (SMB) simulation for iLOVECLIM-GRISLI. The snow model exhibits good results compared to a state-of-the-art Regional Climate Model MAR for the present-day climate under different ice sheet conditions. For the Last Interglacial (130-116 kaBP), BESSI forced by iLOVECLIM shows higher sensitivity to the climate forcings than the existing SMB parameterization of iLOVECLIM-GRISLI. Additionally, the SMB evolution simulated by BESSI-iLOVECLIM is also in an acceptable range compared to other studies. However, since this snow model is more physics-based than the existing parameterization, the influence of biases of iLOVECLIM is more significant for BESSI, hampering its performance. With further work to come on bias correction and the coupling method, my study paves the way for the use of BESSI in the coupling between the iLOVECLIM climate model and the GRISLI ice sheet model.

Une approche numérique pour comprendre les vitesses d’englacement du Quaternaire

Au cours du Quaternaire (depuis 2.6 Ma), les calottes glaciaires connaissent différents épisodes d’avancée-retrait correspondant aux cycles glaciaires-interglaciaires. L’étude de ces événements épisodiques permet de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de l’évolution de la Terre et d’améliorer les prévisions dans le contexte du réchauffement climatique actuel.

La simulation des interactions entre les calottes polaires et le climat sur des échelles de temps aussi longues nécessite des approches de modélisation numérique qui représentent suffisamment le système réel tout en maintenant des coûts de calcul faibles. Dans la première partie de cette thèse, j’utilise un modèle système terre système terrestre de complexité intermédiaire (iLOVECLIM) couplé au modèle 3D de calotte polaires GRISLI pour simuler l’avancée abrupte de la calotte glaciaire au début du dernier cycle glaciaire (120-115 kaBP). Les résultats indiquent que les débuts de glaciation ne peuvent pas être expliqués uniquement par la théorie astronomique (en résponse aux forçages orbitaux). Les rôles de la biosphère et de l’océan par le biais de différents mécanismes de rétroaction doivent être inclus pour expliquer la localisation et l’étendue de l’avancée de la calotte glaciaire. De plus, une simulation appropriée du processus d’accumulation de la calotte glaciaire est essentielle pour obtenir des résultats corrects.

Dans la deuxième partie de la thèse, j’étudie les comportements d’un modèle de neige multicouche BESSI afin de fournir une simulation de bilan de masse de surface (SMB) davantage basée sur la physique pour iLOVECLIM-GRISLI. Le modèle de neige présente de bons résultats par rapport à un modèle climatique régional MAR de pointe pour le climat actuel dans différentes conditions de calotte glaciaire. Pour le dernier interglaciaire (130-116 kaBP), BESSI forcé par iLOVECLIM montre une plus grande sensibilité aux forçages climatiques que la paramétrisation SMB existante d’iLOVECLIM-GRISLI. En outre, l’évolution du SMB simulée par BESSI-iLOVECLIM se situe également dans une fourchette acceptable par rapport à d’autres études. Cependant, comme ce modèle de neige est davantage fondé sur la physique que la paramétrisation existante, l’influence des biais d’iLOVECLIM est plus importante pour BESSI, ce qui nuit à ses performances. Moyennant des travaux à venir sur la correction de biais et la méthode de couplage, mon étude ouvre la voie à l’utilisation de BESSI dans le cadre du couplage entre le modèle de climat iLOVECLIM et le modèle de calottes glaciaires GRISLI.

Lieu
Amphithéâtre Claude Bloch
Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE-IPSL)
Site de l’Orme des Merisiers
Gif-sur-Yvette

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/93410220380?pwd=nhcJ6v81rMmWl2k2GQj7maKNyhNNt4.1

• Mme Qiuzhen YIN, Professeure, UCLouvain, BELGIQUE – Rapporteur
• M. Alexander ROBINSON, Assistant professor, Alfred Wegener Institute (AWI), ALLEMAGNE – Rapporteur
• Mme Masa KAGEYAMA, Directrice de recherche, CNRS LSCE, FRANCE – Examinateur
• Mme Deborah VERFAILLIE, Chargée de recherche, CNRS CEREGE, FRANCE – Examinateur
• M. Andreas BORN, Professeur, University of Bergen, NORVÈGE – Examinateur
• M. Didier M. ROCHE, Directeur de recherche, CNRS LSCE – Directeur de thèse
• M. Christophe DUMAS, Ingénieur chercheur, CEA LSCE –  Co-encadrant de thèse
• M. Aurélien QUIQUET, Chargé de recherche, CNRS LSCE –  Co-encadrant de thèse