Formation LMDZ 2026

13/01/2026 09:00

Mars : enquêtes et débats à l'IPSL - 1/2 journée du thème « Système Solaire » de l'IPSL

03/12/2025 13:30

Fête de la Science à l'IPSL

03/10/2025 09:00

Dynamical systems approaches to climate response and climate tipping

25/05/2023 14:00

Séminaire du LMD-ENS.

Des vents porteurs - comment communiquer (enfin) pour la planète

25/05/2023 11:00

Cycle de séminaires sur l’éthique et la responsabilité de l’engagement public des scientifiques.

A new paradigm for isopycnal analysis and isopycnal ocean models

24/05/2023 11:00

The concept of density surfaces holds fundamental importance in physical oceanography, being central to the empirical analysis of ocean water masses as well as to the theoretical study of the ocean circulation.

Les isotopes de la vapeur d’eau en Antarctique, traceurs des processus de la couche limite et de la dynamique à grande échelle

02/12/2025 14:00

L’étude des isotopes de l’eau en Antarctique permet à la fois de reconstruire les climats passés à partir des carottes de glace et d’étudier le cycle de l’eau atmosphérique actuel, essentiel pour anticiper l’évolution du bilan de masse de surface du continent. L’objectif de cette thèse est d’améliorer notre compréhension du cycle de l’eau atmosphérique en utilisant les isotopes comme traceurs des processus de couche limite et de la dynamique à grande échelle, via une approche combinant observations isotopiques au niveau des stations Concordia et Dumont d’Urville et modélisation avec LMDZiso (composante atmosphérique du modèle de climat IPSL-CM).

En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur les processus atmosphériques contrôlant la variabilité isotopique de la vapeur en Antarctique. Après avoir évalué et optimisé les performances du modèle à différentes échelles spatiales et temporelles pour limiter les biais isotopiques, nous analysons la variabilité de la vapeur dans la couche limite en conditions de ciel clair. Nous étudions ensuite deux rivières atmosphériques atteignant Dôme C (décembre 2018 et mars 2022), afin de caractériser l’interaction entre processus locaux et advection d’humidité à grande échelle via leur signature isotopique en surface. Nos résultats montrent que le signal isotopique de surface ne peut être expliqué par le seul transport synoptique et nécessite une représentation fine des processus locaux de couche limite.

Nous avons ensuite centré notre travail sur les interactions neige-vapeur. Nous améliorons nettement la représentation du cycle diurne isotopique en introduisant un fractionnement lors de la sublimation et une formulation de fractionnement cohérente avec celle de la sublimation pour la condensation, en accord avec la théorie de la turbulence utilisée pour la vapeur d’eau. Enfin, nous explorons l’empreinte laissée dans la neige par la rivière atmosphérique de mars 2022 à l’aide de carottes de neige virtuelles, ouvrant des perspectives prometteuses pour l’étude des événements extrêmes passés à partir des carottes de glace.

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Abstract:

The study of water isotopes in Antarctica enables both the reconstruction of past climates from ice cores and the investigation of the present-day atmospheric water cycle, which is essential for anticipating the evolution of the continent’s surface mass balance. The objective of this thesis is to improve our understanding of the atmospheric water cycle by using isotopes as tracers of boundary-layer processes and large-scale dynamics, through an approach combining isotopic observations at the Concordia and Dumont-d’Urville stations and modelling with LMDZiso (the atmospheric component of the IPSL-CM climate model).

First, we focused on the atmospheric processes controlling the isotopic variability of water vapour in Antarctica. After evaluating and optimising model performance at different spatial and temporal scales to limit isotopic biases, we analyse vapour variability in the boundary layer under clear-sky conditions. We then study two atmospheric rivers reaching Dome C (December 2018 and March 2022), in order to characterise the interaction between local processes and large-scale moisture advection through their isotopic signature at the surface. Our results show that the surface isotopic signal cannot be explained by synoptic-scale transport alone and requires a detailed representation of local boundary-layer processes.

We then focused on snow–vapour interactions. We greatly improve the representation of the diurnal isotopic cycle by introducing fractionation during sublimation and a fractionation formulation for condensation consistent with that used for sublimation, in accordance with the turbulence theory applied to water vapour. Finally, we explore the imprint left in the snow by the March 2022 atmospheric river using virtual snow cores, opening promising perspectives for studying past extreme events from ice-core records.

Ice nucleating particles from natural sources and the modelling of their interactions with Arctic clouds

08/12/2025 09:30

[français]
Les noyaux glaçogènes (INP, pour Ice Nucleating Particles) sont des particules d’aérosols capables de favoriser la formation de cristaux de glace dans les nuages. En Arctique – où le réchauffement climatique est environ quatre fois plus rapide que la moyenne globale – les nuages contenant de la glace dominent l’atmosphère. En particulier, les nuages en phase mixte (c’est-à-dire composés à la fois de phases liquide et solide) y sont fréquents. Dans la modélisation du climat arctique, les erreurs liées à la représentation de la répartition des phases nuageuses affectent fortement la précision des modèles, car la phase nuageuse influence le bilan radiatif, les précipitations et la durée de vie des nuages. Ces propriétés dépendent des interactions aerosol-nuage, dont la représentation dans les modèles demeure limitée par la connaissance encore restreinte – bien qu’en progression – des INP. Les principales questions ouvertes concernent l’identification des espèces d’INP pertinentes en Arctique, leurs sources, leur efficacité à initier la glace ainsi que leur influence sur les nuages et le bilan radiatif. Autant d’inconnues qui persistent à freiner l’amélioration de la modélisation du climat arctique.

Dans cette thèse, j’aborde le rôle des INP dans les interactions aérosol-nuage en Arctique et leur impact sur les propriétés nuageuses, en trois étapes. Premièrement, je développe, évalue et applique une nouvelle méthodologie d’identification des sources d’émission d’INP, fondée sur le modèle lagrangien FLEXPART-WRF et combinée à des données d’observation. J’utilise ensuite cette méthode pour mieux comprendre les origines et les espèces contribuant aux concentrations d’INP récemment mesurées. Deuxièmement, j’introduis dans le modèle régional WRF-Chem de nouvelles sources d’aérosols aux hautes latitudes, que j’associe à des paramétrisations de nucléation de la glace afin de représenter la dynamique des populations d’INP en Arctique. Enfin, après comparaison des INP simulés avec les observations, je les couple au schéma de microphysique sensible aux aérosols de WRF-Chem, afin d’étudier leur effet sur les nuages arctiques durant l’été, période où l’occurrence des nuages en phase mixte et les concentrations d’INP sont les plus élevées.

Les résultats montrent que, dans l’Arctique central, les INP proviennent principalement de sources continentales ou marines situées près des côtes russes des mers de Barents et de Laptev, ainsi que des côtes du Groenland, sources connues d’émissions de poussières minérales. De plus, certains résultats suggèrent des sources biologiques issues de l’océan Arctique dépourvu de banquise pour les INP actifs à des températures supérieures à −15 ◦ C. L’intégration de ces émissions de hautes latitudes, combinée aux paramétrisations adéquates de nucléation de la glace, a permis une représentation réaliste des concentrations d’INP arctiques dans WRF-Chem. Lorsque la dépendance à la température est prise en compte pour l’activation, la fraction activée des INP simulés diminue de plusieurs ordres de grandeur par
rapport à celle obtenue avec des paramétrisations qui ne dépendent que de la température. Cela entraîne des effets significatifs sur la microphysique des nuages, en particulier dans l’Arctique central, soulignant la potentielle forte influence des INP, ainsi que la nécessité de développer des schémas de microphysique plus adaptés à la sensibilité des nuages aux aérosols.

 

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[english abstract]
Ice nucleating particles (INPs) are aerosol particles capable of promoting the formation of ice crystals in clouds. In the Arctic–where global warming occurs about four times faster than the global average–clouds containing ice dominate the atmosphere. In particular, mixed-phase clouds (i.e. clouds composed of both liquid and solid phases) are common. When modelling the Arctic climate, errors in the representation of cloud phase partitioning strongly affect model accuracy, as cloud phase influences the radiative budget, precipitation, and cloud lifetime. All these properties depend on aerosol-cloud interactions, whose representation in models remains limited by the still scarce- although growing–knowledge of INPs. Key open questions include identifying the relevant INP species in the Arctic, their sources, their efficiency in ice nucleation, and ultimately their influence on clouds and the radiative budget–questions that continue to hinder improvements in Arctic climate modelling.

In this thesis, I address in three steps the role of INPs in Arctic aerosol-cloud interactions and their impact on cloud properties. First, I develop, evaluate, and apply a new methodology for the identification of INP emission sources, based on the Lagrangian model FLEXPART-WRF combined with observational data. I then use this method to shed new light on the origins and species contributing to recently measured INP concentrations. Second, I implement new high-latitude aerosol sources in the regional model WRF-Chem, and use them together with ice-nucleation parameterisations to represent the dynamics of INP populations in the Arctic. Finally, after comparing the modelled INPs with observations, I couple them to the aerosol-aware microphysics scheme of WRF-Chem in order to investigate their effect on Arctic clouds during summer, when mixed-phase cloud occurence and INP concentrations are the highest.

Results show that, in the central Arctic, INPs mainly originate from continental or marine sources near the
Russian coasts of the Barents and Laptev Seas, as well as from coastal Greenland, where mineral dust emissions are known to occur. In addition, some results suggest biological sources from the ice-free arctic ocean for INPs active at temperatures above −15 ◦ C. The implementation of these high-latitude emissions, together with corresponding ice-nucleation parameterisations, enabled a realistic representation of Arctic INPs in WRF-Chem. When temperature-dependent activation was applied, the activated fraction of modelled INPs dropped by several orders of magnitude compared to those produced by purely temperature-based parameterisations. This had significant impacts on cloud microphysics, especially in the central Arctic, highlighting a potentially strong influence of INPs, and the need for updated aerosol-aware microphysics schemes.

Modelling and assessing agrivoltaics as a solution to the climate-water-energy-food nexus in the context of climate change in the Euro-Mediterranean region

27/11/2025 14:00

Climate change in the Euro-Mediterranean (EUROMED) region exacerbates agricultural challenges by increasing land vulnerability and reducing water availability. In response to these pressures, agrivoltaics (AVs), which combines photovoltaic (PV) energy production with agriculture on the same land, offers a promising solution within the water-energy-food-ecosystem (WEFE) nexus. AVs can enhance agricultural resilience, reduce water consumption, promote renewable energy and reduce land-use conflicts. By creating partial shading, AVs alleviates thermal stress and limits soil water evaporation, enhancing crop microclimate. However, AV performance is highly dependent on climate, crop type, and geographical context, requiring modeling tools capable of assessing AV performance at regional scales. Yet, current literature mostly focuses on site-specific models, lacking a broader, holistic approach. To address this gap, we develop a novel regional-scale AV modeling framework by integrating a PV module with the ORCHIDEE (Organizing Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems) land surface model. The AV model modifies solar radiation and wind speed from regional climate models, which -along with other meteorological inputs- are fed into ORCHIDEE to simulate energy, water, carbon and nitrogen fluxes at the land surface. By prescribing agricultural soil parameters, this integrated approach enables to explore AV impacts within the WEFE nexus under both current and future climate conditions. In the first part of this project, we apply the AV model using reanalysis climate data to assess AV performance under current climate conditions in two contrasting regions: the Iberian Peninsula and the Netherlands. In the drier Iberian Peninsula, AVs offers substantial benefits, particularly under drought conditions. These include improved yields, food security, and water and land use efficiency, alongside clean energy production. Simulations with varying nitrogen fertilizer levels indicate that AVs can enhance nitrogen use efficiency and maintain or increase productivity of conventional systems, while reducing green house gas emissions. In contrast, in the Netherlands -where precipitation is more abundant and solar radiation is lower- AVs tends to reduce crop yields, with limited resource efficiency gains. This contrast suggests an heterogeneous potential for AV deployment in the EUROMED region, which spans arid to temperate zones. To further explore this, the second part of the study applies the model to the entire EUROMED basin using EURO-CORDEX climate projections under RCP 8.5. This enables an evaluation of AV systems as a climate adaptation strategy within the WEFE nexus. Results show that AV benefits are strongly influenced by regional climate trajectories and water availability trends. Southern, drought-prone areas are especially well-suited for AVs, with high potential to reduce water stress and sustain agricultural productivity under warming conditions. In northern, wetter regions, the benefits are less evident, emphasizing the need for targeted deployment.