Hommage à Anny-Chantal Levasseur-Regourd

09/12/2022 09:00

Demi-journée du thème "Systèmes solaires" : retour sur Vénus

29/11/2022 13:30

Climat et Impacts

23/11/2022 09:00

[ANR EGOUT] Wébinaire sur les macro-déchets en zone urbaine

09/02/2024 11:30

Le projet ANR EGOUT vous propose un nouveau wébinaire sur les macro-déchets. Il sera assuré par Lauriane Ledieu, chargée de Recherche au Laboratoire Eau et Environnement de Nantes.

Journalistes et scientifiques : la fin du « je t’aime, moi non plus » ?

06/02/2024 17:00

Séminaire du cycle « Partager & Agir ».

Greenhouse gas budgets for two carbon farming options show small or negative climate benefit

02/02/2024 13:00

Rasmus Einarsson est octorant à la Swedish University of Agricultural Sciences d’Uppsala.

Les précipitations au-dessus de la calotte Antarctique : une approche conjointe observations et modélisation

01/09/2023 14:00

Résumé
La calotte Antarctique, dont le bilan de masse de surface est principalement alimenté par les précipitations, stocke plus de 30 millions de km³ de glace (l’équivalent d’environ 60 mètres de niveau des mers). Toute perturbation de celle-ci a donc un impact direct sur le niveau global des mers. Malheureusement les processus à l’origine des précipitations sont extrêmement difficiles à observer du fait des conditions météorologiques complexes de l’environnement antarctique, et ainsi très peu connus.

En croisant les données issues de différents instruments – radar embarqué sur satellite, mesures in-situ et télédétection depuis la surface ainsi que les modèles météorologiques et de climat – l’objectif est d’obtenir la meilleure synthèse possible, de représenter le plus fidèlement et précisément les précipitations dans leur environnement (comprenant la dimension verticale) et la meilleure capacité à prévoir leur évolution. Une première étude climatologique globale ainsi que régionale des précipitations cumulées en surface a été réalisée.

Une évaluation des récentes avancées en modélisation (CMIP et ERA5) par rapport à l’unique jeu de données issues d’observations satellitales (CloudSat) pendant 4 années consécutives à l’échelle du continent a permis de mettre en avant la complexité et les nombreux désaccords dans la représentation des précipitations au pôle Sud.

Il y a moins de valeurs aberrantes dans les quantités de précipitations simulées mais aucune amélioration notable du biais positif des modèles (surestimation des taux moyens de précipitations aux échelles continentale et régionale, toute l’année, indépendamment de la saison). Puis une analyse événementielle locale des précipitations a été poursuivie dans le cadre de la campagne YOPP, permettant d’étudier à la fois la surface et la verticale pendant une saison d’été austral complète.

La divergence entre les modèles et réanalyses atmosphériques ainsi qu’avec les observations concernant les quantités de précipitations est notable. Un biais positif doit être pris en compte lors de l’utilisation des données de modélisation, tant sur l’intensité que la fréquence d’occurrence des événements de précipitation. L’analyse des données locales d’observation de Dumont d’Urville qui acquises pendant plusieurs années consécutives permettent de mettre la campagne YOPP dans un contexte pluriannuel.

D’autre part, l’étude des réanalyses ERA5 ainsi que des observations satellitales CloudSat sur la verticale complète et nous permet partiellement d’extrapoler l’analyse locale au continent Antarctique. En parallèle, l’exploitation de rapports météorologiques à différentes stations et des réanalyses ERA5 concernant la phase des précipitations a mené à la réalisation d’une analyse à l’échelle climatologique de l’occurrence des précipitations liquides en Antarctique. Ces événements pluvieux se manifestent généralement lors de l’apparition d’une intrusion maritime chaude et humide associée à un blocage anticyclonique.

Malgré les différences concernant les quantités de précipitations liquides prédites, les simulations réalisées avec de nombreux modèles (CMIP6) et dans plusieurs scénarios futurs suggèrent que le réchauffement global futur de l’Antarctique s’accompagnera d’épisodes pluvieux plus fréquents et plus intenses.

Abstract
The Antarctic ice sheet, whose surface mass balance is primarily driven by precipitation, stores over 30 million cubic kilometers of ice (equivalent to about 60 meters of global sea level rise). Any disturbance to this ice sheet has a direct impact on the global sea level. Unfortunately, the processes responsible for precipitation are extremely challenging to observe due to the complex weather conditions in the Antarctic environment, and thus, they are not well understood.

By combining data from various instruments – satellite-borne radar, in-situ measurements, surface remote sensing, as well as weather and climate models – the objective is to obtain the best possible synthesis, accurately representing precipitation in its environment (including the vertical dimension) and improving the ability to forecast its evolution. A preliminary global and regional climatological study of cumulative surface precipitation has been conducted. An evaluation of recent modeling advancements (CMIP and ERA5) compared to the single dataset derived from satellite observations (CloudSat) over four consecutive years at the continental scale has highlighted the complexity and significant discrepancies in representing precipitation at the South Pole.

There are fewer outliers in the simulated precipitation amounts, but there is no notable improvement in the positive bias of the models (overestimation of mean precipitation rates on both continental and regional scales, throughout the year, regardless of the season). Subsequently, a local event-based analysis of precipitation was pursued as part of the YOPP campaign, allowing for the study of both surface and vertical aspects during a complete austral summer season.

The divergence between atmospheric models, reanalyses, and observations concerning precipitation amounts is noteworthy. A positive bias needs to be considered when using modeling data, affecting both the intensity and frequency of precipitation events. The analysis of local observational data from Dumont d’Urville, acquired over multiple consecutive years, provides a multi-year context for the YOPP campaign. Additionally, studying ERA5 reanalyses and CloudSat satellite observations throughout the vertical dimension partially enables extrapolation of the local analysis to the Antarctic continent.

Concurrently, the utilization of meteorological reports from various stations and ERA5 reanalyses regarding the precipitation phase has led to a climatological-scale analysis of liquid precipitation occurrence in Antarctica. These rainy events typically occur during the arrival of a warm and moist maritime intrusion associated with anticyclonic blocking.

Despite differences in predicted amounts of liquid precipitation, simulations conducted with numerous models (CMIP6) and under multiple future scenarios suggest that future global warming in Antarctica will be accompanied by more frequent and intense rainy episodes.

Modélisation du recouvrement vertical des nuages et impacts sur le rayonnement

23/06/2023 14:00

Radiative transfer is a crucial process in atmospheric and climate modelling, as well as for cli-
mate change simulations. Computations of radiative fluxes at the top of the atmosphere and at the
surface allow us to estimate the radaitive budget of the planet, which is very important to represent
correctly when it comes to climate simulations. Many elements interact with the radiation in the
atmosphere : gases, aerosols, clouds, and different types of surfaces (vegetation, oceans, snow…).
These different components do not interact in the same way with solar radiation, that comes from
the sun, and with infrared radiation, that comes from the earth’s surface and the atmosphere itself.
In both situations, clouds, composed of liquid water droplets and/or solid water crystals, represent
an important modeling difficulty. Clouds are complex objects, because of their composition, their
geometry, and their multiple interactions with the radiation field. Cloud-radiation interaction has
been studied for many years, and it has been shown that it represents one of the most important
obstacles to the improvement of global climate models.

In this work, we focus on one of the key aspects in the representation of the effect of clouds on
radiation : vertical cloud overlap. This notion is indeed directly linked to the cloud cover, which is
a quantity of first order importance in the calculation of the albedo of a cloud scene. Within the
framework of the vertical cloud overlap, we develop a formalism allowing us to explore in depth
various hypotheses of cloud overlap, in particular exponential-random overlap. We show that this
overlap hypothesis can, under certain conditions, allow a very good representation of cloud proper-
ties, both geometric and radiative, even from a coarse resolution vertical cloud profile. We show that
the vertical subgrid variability of the cloud fraction, although not taken into account by large-scale
atmospheric models, can have a significant impact on the solar fluxes calculated at the top of the
atmosphere. The rigorous consideration of vertical resolutions by the overlap is also an important
factor.

We then focus on incorporating these overlap results into a Monte Carlo radiative transfer code
(RadForce). The use of this new algorithm, which also uses a line-by-line approach for the different
atmospheric gases, allows us to model the emission altitudes of each atmospheric component. These
new tools allow us to analyze in a new way the radiative forcings linked to greenhouse gases, as
well as the impact of taking into account the vertical overlap of clouds and their vertical subgrid
heterogeneity.

Observations et modélisations de la recharge des aquifères dans le Grand-Est de la France à l’aide de données lysimètriques

23/06/2023 14:00

Le premier objectif de cette thèse est d’analyser des données lysimétriques (mesurant les flux écoulés dans le sol à 2 m de profondeur) afin de comprendre les mécanismes qui contrôlent la recharge des aquifères, en particulier lors d’événements intenses. Le second objectif est d’améliorer la modélisation de cette recharge dans le modèle de surface ISBA qui est utilisé dans les applications opérationnelles françaises hydrométéorologique SIM et AQUI-FR, qui réalisent le suivi et la prévision saisonnière des sécheresses et des crues mais aussi pour la projection de la ressource en eau sur la France face au changement climatique.

Pour ce faire, dix-sept lysimètres issus de trois sites (GISFI, OPE, Fagnières) localisés dans la région du Grand-Est ont été utilisés. Ces lysimètres donnent accès à la recharge locale des aquifères et à sa dynamique via des mesures de drainage sur une période allant jusqu’à 50 ans, les chroniques, les sites du GISFI et de l’OPE disposant en plus de teneurs en eau et de pressions matricielles ainsi que la masse totale. Sur ces lysimètres, la dynamique du drainage est analysée en fonction des types d’occupations de sols, puis en sélectionnant des évènements de précipitations intenses et de sécheresse. Une méthode reposant sur de l’apprentissage automatique a été utilisée pour évaluer l’impact de ces processus sur le drainage. Les principaux résultats montrent une diminution de la recharge des nappes depuis plus de 50 ans avec plus de sécheresses ces dernières années.

Un des résultats non intuitif est que les précipitations intenses n’engendrent que très peu d’écoulements car ils apparaissent surtout en période estivale. Il est possible cependant que ce résultat soit associé à des valeurs de pluies considérées comme intenses bien qu’elles restent modérés en comparaison à d’autres régions de France (moins de 40mm/jour).

Ces observations ont permis d’évaluer le modèle de surface ISBA et sa capacité à bien simuler la dynamique de l’hydrologie des sols et de la recharge. Ce modèle résout l’équation de Richards et utilise l’approche de Brooks and Corey (1966) comme relations de fermeture de cette équation qui relient teneur en eau, pression matricielle et conductivité hydraulique.

Cette version d’ISBA simule bien la recharge quand les paramètres hydrodynamiques et les forçages météorologiques sont connus. Cependant, les mesures in-situ montrent que les relations de fermeture de Van Genuchten (1980) majoritairement utilisées en hydrologie semblent plus appropriées. Ces équations engendrent néanmoins des problèmes numériques bien connus pour des sols argileux et dégradent donc les simulations sur ces lysimètres. Des approches qui corrigent ce défaut ont ensuite été intégrées et évaluées avec succès sur les mêmes lysimètres montrant même une amélioration de la dynamique simulée du drainage, en particulier lors d’événements de drainage intense.
Ces lysimètres nous ont permis de distinguer les paramètres hydrodynamiques les plus influents et nous ont apportés des informations sur la variabilité des paramètres hydrodynamiques sur le profil vertical des sols. Les fonctions de pédotransferts usuelles basées sur les textures des sols utilisées dans ISBA échouent à restituer les paramètres estimés in-situ, et donc dégradent fortement les recharges simulées. La fonction de pédotransferts de Wosten et al. (1999) qui prend en compte la densité et la matière organique des sols apparaît prometteuse pour limiter ce problème.

Dans une dernière partie, les connaissances acquises localement ont été testées à l’échelle régionales. Ainsi, les nouvelles relations de fermeture évaluées dans ISBA sur les lysimètres ont été testées dans les modèles SIM et AQUI-FR. Les débits des rivières et les niveaux piézométriques des aquifères ont été simulés puis comparés à des observations in-situ. Les résultats sont contrastés, avec une part d’amélioration et de dégradation des résultats. Si les nouvelles relations de fermetures n’apportent pas d’améliorations significatives, cela est sans doute lié aux incertitudes dépendant à la fois des forçages météorologiques (surtout les pluies), et des fonctions de pédotransferts, mais aussi à une possible sur-calibration du ruissellement de surface dans ces modèles.

De fait, avec une observation intégrée comme un débit, il peut être équivalent pour un modèle de simuler un écoulement de subsurface rapide ou un ruissellement de surface. La comparaison à la piézométrie peut aider à distinguer ces flux, mais, la méconnaissance des paramètres hydrodynamiques des aquifères ne permet pas de trancher aisément.

Cette thèse suggère qu’il est primordial d’améliorer à la fois la représentation des précipitations, notre connaissance verticale des sols, et d’intégrer de nouveaux concepts, comme la prise en compte de l’effet de la matière organique/densité des sols pour modéliser encore plus précisément la dynamique de la recharge à l’échelle de la France. La combinaison d’observations lysimétriques, piézométriques, débitmétriques peut y aider.