Journée de travail IPSL-CIRED

22/05/2025 09:30

Une expédition pour décrypter le cycle de l’eau en Antarctique

16/05/2025 12:30

Forum International de la Météo et du Climat 2025 / Journées pédagogiques et grand public

15/05/2025 09:30

The art of climate model evaluation : example of ENSO

18/07/2023 11:00

Climate models help us understand the complexity of Earth’s climate, forecast the next seasons and predict the influence of anthropogenic forcings. It is therefore important to evaluate the performance of these models relative to observational datasets, to build confidence and to improve them.

Sea level extremes and compounding marine heatwaves in coastal Indonesia

18/07/2023 11:00

Low-lying island nations like Indonesia are vulnerable to sea level Height EXtremes (HEXs). When compounded by marine heatwaves, HEXs have larger ecological and societal impact. Here we combine observations with model simulations, to investigate the HEXs and Compound Height-Heat Extremes (CHHEXs) along the Indian Ocean coast of Indonesia in recent decades.

Forests in the Earth System

04/07/2023 11:00

Séminaire du LGENS par Benjamin Quesada (Universidad del Rosario).

Développement de l’hydrogéophysique pour l’étude des flux d’eau en milieu forestier

17/12/2024 14:00

Développement de l’hydrogéophysique pour l’étude des flux d’eau en milieu forestier

Résumé

Les forêts recouvrent près d’un tiers des terres émergées de la Terre et jouent un rôle central dans les cycles du carbone, de l’eau et de l’énergie. Cependant, leur avenir est incertain face au changement climatique qui aggrave les problèmes de sécheresses en augmentant leur fréquence et leur intensité dans de nombreuses régions du monde, notamment en région Méditerranée. La disponibilité de l’eau dans le sol et son accessibilité par les arbres est un facteur clé qui régule la transpiration, la production de biomasse et la distribution des espèces végétales dans les écosystèmes. La caractérisation des ressources en eau dans le sol et de la dynamique du prélèvement d’eau par les arbres apparaît essentielle pour améliorer notre compréhension du fonctionnement des écosystèmes forestiers. Cette thèse a pour objectif général de coupler la géophysique à des méthodes écophysiologiques pour mieux quantifier la dynamique des prélèvements de l’eau en forêt.

Le premier chapitre de cette thèse vise à offrir une synthèse sur l’utilisation de la géophysique en contexte forestier et de son apport. Le deuxième chapitre consiste à développer une méthodologie de traitement des données de tomographie de résistivité électrique (ERT) afin de mieux quantifier les flux d’eau dans le sol. La méthode développée permet de convertir les données d’ERT en teneur en eau selon une approche d’ensemble. Le troisième chapitre consiste à étudier la dynamique de la teneur en eau dans le sol en lien avec la végétation. Pour ce faire, des mesures d’ERT ont été réalisées pour suivre la dynamique de l’eau dans le sol associés à un suivi des flux de sève pour observer la dynamique de transpiration des arbres. Ces travaux ont été réalisés sur deux sites forestiers méditerranéens en France : l’observatoire du Larzac et la forêt de Font-Blanche. Un site additionnel non forestier a été utilisé pour valider la méthode proposée en contexte agricole : la parcelle “lysimètre” de l’INRAE d’Avignon.

Cette thèse met en évidence le potentiel des méthodes géophysiques pour enrichir les études d’écologie forestière et leur complémentarité avec les approches traditionnelles. Les résultats soulignent l’efficacité de l’ERT pour suivre la dynamique de l’eau dans les sous-sols forestiers qui sont souvent hétérogènes. Grâce à la méthode EA-ERT développée, des données quantitatives de teneur en eau ont été obtenues avec des erreurs relativement faibles comparées aux données mesurées avec des sondes d’humidité. La comparaison des variations du stock d’eau issues de l’ERT et la transpiration mesurée ou l’évapotranspiration modélisée via une approche de bilan hydrique, a montré la capacité de l’ERT à capter l’hétérogénéité temporelle et spatiale des flux évapotranspirés. L’approche multidisciplinaire de cette thèse, qui combine l’hydrogéophysique et l’écohydrologie, ouvre la voie à une meilleure quantification des flux d’eau et, à terme, au développement d’outils pour leur spatialisation. Ce travail contribuera à une meilleure compréhension du fonctionnement et de l’évolution des forêts, et notamment de l’impact des sécheresses sur ces écosystèmes.

Mots clés : Hydrogéophysique, tomographie de résistivité électrique – ERT, teneur en eau du sol,
écologie forestière, écohydrologie, flux de sève, évapotranspiration, transpiration, forêt méditerranéenne

 

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Development of hydrogeophysics for water flow studies in forest environments

Abstract

Forests cover almost one-third of the Earth’s land surface and play a central role in the carbon, water and energy cycles. However, their future is uncertain with climate change, which is exacerbating drought problems by increasing their frequency and intensity in many regions of the world, particularly in the Mediterranean region. Soil water availability and its accessibility to trees are key factors regulating transpiration, biomass production and plant species distribution in ecosystems.

Characterizing soil water resources and the dynamics of water uptake by trees is essential to improve our understanding of forest ecosystem functioning. The general aim of this thesis is to combine geophysics with ecophysiological methods in order to better quantify the dynamics of water uptake in forests.

The first chapter of this thesis aims to provide an overview on the use of geophysics in forest contexts and its contributions. The second chapter consists of the development of a methodology for processing electrical resistivity tomography (ERT) data to better quantify soil water fluxes. The developed method enables to convert ERT data into soil water content using a merging approach. The third chapter consists of studying the soil water dynamics in relation to vegetation. To achieve this, ERT measurements were carried out to monitor soil water dynamics combined with sap flow monitoring to observe tree transpiration dynamics. This work was carried out on two Mediterranean forest sites in France: the Larzac observatory and the Font-Blanche forest. An additional non-forestry site was used to validate the proposed method in an agricultural context: the “lysimeter” plot at INRAE in Avignon.

This thesis highlightsthe potential of geophysical methods for enhance forest ecology studies and their complementarity with traditional approaches. The results underline the ERT effectiveness for monitoring soil water dynamics in forest subsoils, which are often heterogeneous. Thanks to the developed EA-ERT method, quantitative water content were obtained with relatively low errors compared to data measured with moisture probes. Comparison of water stock variations derived from ERT with measured transpiration or modeled evapotranspiration through a water balance approach, demonstrated ERT’s ability to capture the temporal and spatial heterogeneity of evapotranspired fluxes. The multidisciplinary approach of this thesis, which combines hydrogeophysics and ecohydrology, opens the way to better quantify water flows and, ultimately, to develop tools for their spatialization. This work will contribute to better understand forest functioning and evolution, and in particular the impact of droughts on these ecosystems.

Key words: Hydrogeophysic, electrical resistivity tomography – ERT, soil water content, forest ecology, ecohydrology, sap flow, evapotranspiration, transpiration, Mediterranean forest

Variability of near-surface winds in Antarctica : present-day climatology and projections

17/12/2024 14:30

Antarctic surface winds are the most intense and persistent winds on Earth. These winds have a major impact on the Antarctic surface climate : they destroy the surface inversion, causing apparent warming ; they are very dry and contribute to the evaporation of precipitation before they reach the ground ; and they create blowing snow, affecting the surface mass balance. Global climate models have neither the resolution nor the processes required to model these winds properly, resulting in major biases in the simulation of Antarctic surface climate and a lack of understanding of the mechanisms governing their variations.

The winds in this region are driven by large-scale pressure gradients (storms, blockings, jets) as well as by additional pressure gradients induced by the radiative forcing of the ice-covered surface (katabatic pressure gradient and thermal wind). This thesis aims to better understand and quantify the impact of these two families of forcings on the Antarctic wind field. To this end, I have developed an original method for calculating the various accelerations contributing to the momentum balance, at a temporal resolution of 3 hours, from the output of the MAR regional polar atmospheric model. Using the quasi-geostrophicity of Antarctic winds at a 3-hourly scale, I can directly quantify the contribution of each acceleration to the total wind.

First, I quantify the temporal variability of surface winds over the recent period (2010-2020), and link it to the variability of large-scale and surface forcings. In particular, I show that the angle between these two forcings is a key parameter for understanding the intensity and variability of winds in Antarctica.

Then, I study the impact of climate change in 2100 by linking Antarctic wind changes to changes in surface and large-scale forcings in the MAR model for the SSP5-8.5 scenario, defined by the IPCC as a scenario of high greenhouse gas emissions. To do this, I use simulations of MAR forced by 4 global climate models from the CMIP6 database, to which I apply the decomposition method at a resolution of 3 hours. I quantify the influence of the different forcings on changes in wind speed. I highlight areas of significant near-surface wind changes by 2100, including wind intensification in Adélie Land and on the Ross Ice Shelf, and weakening in the Pine Island Glacier and Ronne Ice Shelf regions. Areas of wind intensification are predominantly linked to large-scale pressure gradient changes, while the weakening is linked to changes in surface pressure gradients (katabatic and thermal wind) in the absence of large-scale changes.

This work provides new insights into Antarctic winds, which are a key parameter to evaluate the surface mass balance. It highlights the importance of surface processes in explaining the variability and trends of Antarctic surface winds, and gives new constraints to improve of the parameterisation of the polar boundary layer in global climate models

Méthodes de quantification des probabilités de records climatiques

12/12/2024 09:30

Quantifier les changements de la probabilité d’occurrence des événements climatiques extrêmes est une étape essentielle pour l’évaluation des risques. Les records revêtent une importance particulière en tant qu’événements extrêmes en raison de leur caractère sans précédent. Bien qu’ils soient théoriquement rares, ils sont battus de manière régulière de nos jours. Une caractéristique notable des records est leur dépendance à une référence. En tirant parti de leur nature relative, cette thèse développe des modèles et des méthodologies qui comblent les lacunes dans la manière dont les records sont actuellement analysés, avec un accent particulier sur le traitement exhaustif de la non-stationnarité.

Dans la première partie de cette thèse, nous proposons une méthodologie pour l’attribution des événements extrêmes (EEA) basée sur la comparaison de la probabilité des événements records. Contrairement aux approches existantes, qui reposent souvent sur des hypothèses stationnaires ou des calculs de périodes de retour contraints, cette méthodologie prend pleinement en compte la nature non stationnaire du système climatique. Cette approche a été appliquée au modèle climatique IPSL-CM6A-LR, révélant des signaux significatifs d’origine humaine dans les maxima annuels des précipitations journalières.

La deuxième partie de cette thèse présente un modèle pour les probabilités de records spatiotemporels, fondé sur la théorie des valeurs extrêmes multivariées. Ce modèle capture efficacement les dépendances complexes entre plusieurs variables et tient compte de la non-stationnarité de leurs distributions. En utilisant ce nouveau modèle et des techniques statistiques avancées, nous proposons une méthodologie qui quantifie les changements d’une année à l’autre dans le taux de records locaux en se basant uniquement sur les données météorologiques historiques, tout en traitant les dépendances spatiales et la non-stationnarité temporelle. Cette approche surmonte également les défis de l’ajustement des modèles de processus max- stables aux données spatialement dépendantes, offrant une solution flexible pour évaluer les événements climatiques extrêmes. Nous appliquons cette méthode à l’analyse des maxima annuels des températures maximales journalières des stations météorologiques en France.

Dans l’ensemble, cette thèse propose des méthodologies novatrices qui vont au-delà des limites des approches traditionnelles pour quantifier la probabilité d’occurrence des événements records à une échelle annuelle sans avoir besoin d’observer directement les records, tout en prenant en compte la non-stationnarité. Sur cette base, nous explorons l’application des records dans deux domaines clés : l’attribution des événements extrêmes (EEA) et l’évaluation des risques.