Les surfaces terrestres absorbent actuellement une part importante des émissions anthropiques de CO2, atténuant ainsi le rythme du changement climatique. Cependant, l’ampleur, la répartition spatiale et, par conséquent, l’évolution future de ce puits de carbone terrestre restent très incertaines. Ces incertitudes proviennent en grande partie de la représentation imparfaite des processus biologiques et biogéochimiques dans les modèles de surface terrestre (LSMs) et de la difficulté à contraindre les paramètres des modèles qui contrôlent les flux de carbone terrestres à l’échelle régionale et mondiale.

Cette thèse examine comment les observations atmosphériques de concentration en CO₂ peuvent être utilisées pour calibrer les paramètres d’un modèle de surface continentale, afin d’améliorer la représentation des flux de carbone terrestres. En effet, les observations atmosphériques du CO₂ et de ses gradients dans le temps et l’espace, intègrent l’effet net des échanges de carbone à la surface et fournissent donc une contrainte à large échelle, bien qu’indirecte, sur le cycle du carbone terrestre.

La thèse se concentre sur le modèle de surface continentale ORCHIDEE version 2 utilisé pour CMIP6 et développe des méthodes d’assimilation des données et de calibration des paramètres qui permettent d’utiliser les données d’observation du CO₂ atmosphérique pour contraindre les paramètres d’ORCHIDEE.

La première partie explore une méthode de calibration basée sur des processus gaussiens pour émuler le modèle appelé « History Matching ». Cette approche permet une exploration efficace de l’espace de paramètres en identifiant les régions qui sont peu plausibles compte tenu des contraintes d’observation et de leurs incertitudes. Cependant, cette méthode se heurte à des limites importantes lorsque la dimensionnalité de l’espace des paramètres devient importante.

La deuxième partie développe et évalue des méthodes d’assimilation de données variationnelles d’ensemble. Ce système sans modèle adjoint est mis en œuvre pour calibrer les paramètres régissant les flux de carbone à la surface simulés par ORCHIDEE avec les concentrations atmosphériques de CO₂. Ces développements démontrent la faisabilité de contraindre directement les paramètres du modèle de surface terrestre à l’aide d’observations atmosphériques de CO₂.

Dans la dernière partie de la thèse, ces avancées méthodologiques sont appliquées pour améliorer les simulations du flux net de carbone d’ORCHIDEE. L’assimilation des mesures in situ de CO₂ atmosphérique permet de calibrer les paramètres contrôlant les échanges de carbone terrestres et modifie significativement la répartition du puits de carbone entre les moyennes et hautes latitudes et les tropiques. Elle met également en évidence les limites du modèle dans la représentation de la repousse forestière après perturbations. L’introduction d’un flux de correction tenant compte de la dynamique de l’âge des forêts et de vitesses de repousse plus réalistes améliore la cohérence entre les simulations du flux net de carbone et les estimations issues des inversions atmosphériques.

En reliant les avancées dans la méthodologie d’assimilation des données aux applications du cycle du carbone terrestre, cette thèse démontre que les observations atmosphériques du CO₂ peuvent être utilisées pour contraindre directement les paramètres régissant les processus du cycle du carbone terrestre dans les modèles de surface continentale. L’assimilation du CO₂ atmosphérique améliore l’ampleur et la distribution spatiale simulées des puits de carbone terrestres (vis à vis des estimations d’inversion atmosphériques), mais révèle également les principales limites structurelles des modèles actuels. En particulier, l’absence de représentation explicite de la démographie forestière limite la capacité à saisir la dynamique de repousse forestière après perturbations, un sujet au cœur des développements actuels des principaux
modèles de surface.

Lieu
Salle 1129 LSCE

Lien visio
https://meet.google.com/rez-zggs-jfb

• Pierre FRIEDLINGSTEIN – University Professor, University of Exeter, UK (Rapporteur)
• Lionel JARLAN – Directeur de recherche, IRD, CESBIO, France (Rapporteur)
• Philippe BOUSQUET – Professeure des Universités, UVSQ, France (Examinateur)
• Marc BOCQUET – Professeur de l’École nationale des ponts et chaussées, CEREA, France (Examinateur)
• Christine DELIRE – Chargé de recherche, CNRS, CNRM, France (Examinatrice)