Télescope intérieur, une œuvre spatiale d’Eduardo Kac

01/07/2022 12:30

Tout comprendre (ou presque) sur le climat

17/06/2022 12:30

Patrimoine Instrumental Spatial : Enjeux et méthodes

10/06/2022 12:30

Unlocking the potential of soil organic carbon modeling: navigating uncertainty for future projections

22/10/2024 11:00

Séminaire du LGENS.

Global observations of deep ocean kinetic energy transfers

21/10/2024 14:30

Séminaire du LMD à l’ENS.

Managed aquifer recharge (MAR) to mitigate droughts

18/10/2024 13:00

Séminaire de l’UMR METIS-IPSL.

Étude des effets radiatifs des traînées de condensation et des cirrus fins, avec un regard particulier sur les effets 3D

31/03/2025 14:00

Le secteur de l’aviation, en pleine expansion, représente une part non négligeable des perturbations des activités humaines sur le climat, via des effets directement liés aux émissions de CO₂ d’une part, et à d’autres effets d’autre part. Le forçage radiatif associé aux émissions de CO₂ de l’aviation est relativement bien quantifié, tandis que celui des effets non-CO₂ tels que la formation de traînées de condensation, ne l’est pas, alors qu’ils pourraient représenter les deux tiers du forçage radiatif effectif du secteur. Les incertitudes associées à l’estimation du forçage radiatif des nuages induits par l’aviation sont en partie liées au schéma de transfert radiatif utilisé pour calculer le forçage. Une part de cette erreur est due au fait que la très grande majorité d’entre eux négligent les effets radiatifs des bords des nuages, appelés effets 3D du rayonnement.

Nous utilisons dans cette thèse un code de transfert radiatif, htrdr, capable de représenter les aspects tridimensionnels de la structure des nuages et de la propagation du rayonnement, pour étudier les effets 3D du rayonnement dans les traînées de condensation, et leurs spécificités par rapport aux effets purement 1D. Pour cela, nous utilisons une configuration de nuage idéalisée dont on fait varier les propriétés macroscopiques telles que l’épaisseur optique et les dimensions géométriques, sur une gamme de valeurs englobant les traînées de condensation et les cirrus induits.

Du fait de leur faible épaisseur optique, la balance entre les effets radiatifs de ces nuages dans les domaines spectraux solaire et terrestre est très fine. L’effet dans le domaine terrestre est toujours positif (réchauffant), il évolue de manière non-linéaire avec l’épaisseur optique, avec un accroissement qui diminue après quelques unités d’épaisseur optique. Les effets 3D du rayonnement dans le domaine terrestre sont également positifs, augmentent avec l’épaisseur optique et le rapport d’aspect du nuage en suivant une relation que nous avons déterminé de manière empirique. L’effet radiatif du nuage
dans le domaine solaire est de signe opposé (refroidissant), et augmente linéairement jusqu’à une épaisseur optique d’au moins 4. Il dépend en plus de la position du soleil : il atteint un maximum à un angle zénithal d’environ 70-80 ◦ pour les nuages fins et au zénith pour les nuages optiquement plus épais, avant de décroître vers 0 quand le soleil se couche. Les effets 3D dans le domaine solaire sont positifs au zénith, et peuvent changer de signe à des angles zénithaux plus élevés en fonction de l’orientation du soleil par rapport au nuage. Lorsque la traînée de condensation est parallèle au rayonnement solaire incident, les effets 3D diminuent avec l’angle zénithal. Quand la traînée est perpendiculaire au soleil, les effets 3D changent de signe et leur effet refroidissant est maximal à des angles zénithaux autour de 80 ◦ , des angles souvent rencontrés aux moyennes et hautes latitudes. Pour les nuages optiquement fins, l’effet radiatif net du nuage au zénith est positif, et peut changer de signe aux valeurs élevées d’angle zénithal. Pour des nuages plus épais, l’effet radiatif net peut
être négatif au zénith.

Du fait de cette dépendance à la position du soleil, nous avons calculé l’effet radiatif sur des échelles temporelles plus longues, en moyenne sur des journées ou le long de trajectoires de vol. La nuit, seul le rayonnement thermique compte : les nuages sont réchauffants. Le rayonnement solaire, la journée, atténue en partie l’effet du rayonnement terrestre. Nous montrons que, après intégration pour des journées et des trajectoires de vol typiques, la différence entre effets 3D et 1D restent non négligeables, et peuvent atteindre plusieurs dizaines de pourcents. Les études réalisées dans des conditions idéalisées fournissent une grille de lecture qui permet l’analyse de l’évolution de l’effet radiatif et des effets 3D à des échelles spatiales et temporelles plus larges. Cependant, en raison des nombreuses dépendances de ces effets, il est difficile de prédire des résultats globaux, et des calculs plus complets sont nécessaires dans cette perspective.

A statistical approach to determine the intensity and dynamics of extreme cold events in Europe

02/04/2025 13:30

A statistical approach to determine the intensity and dynamics of extreme cold events in Europe

Anthropogenic climate change increases the frequency and intensity of extreme weather events, such as heatwaves, floods, and droughts. Conversely, cold spells are expected to decrease in intensity and frequency with atmospheric warming. However, the recent focus on the increasing intensity and frequency of heatwaves has led to few studies specifically addressing cold spells in the context of climate change. Warming is not linear, it alters atmospheric and oceanic dynamics and affects different regions of the world differently. Thus, Europe has experienced few extreme cold events in recent decades, unlike the United States. Both regions, located in the mid-latitudes, are characterized by changing weather influenced by the jet stream, a dominant high-altitude wind current, and by the sometimes opposing influences of the Arctic and the tropics.

Despite the warming, the Arctic retains much colder temperatures than Europe. It is therefore crucial not to underestimate, on the one hand, the capacity for advection of this cold air to Europe, and on the other hand, how climate change can affect the mechanisms of cold spells, and finally, the extent of natural variability. Underestimating extreme cold events could lead to maladaptation or even increased vulnerability despite climate warming. However, extreme events are, by definition, rare. Their low occurrence in observations and model simulations makes them difficult to study. Methods specifically dedicated to rare events have therefore been developed to overcome this undersampling and facilitate their study. They allow for the direct simulation of rare events at a reduced computational cost. In this thesis, we use a stochastic weather generator based on atmospheric circulation analogues to simulate extremely cold winters and extreme cold spells in Europe. These simulations are performed over different periods and for different levels of warming, allowing us to study the evolution of extreme cold events in Europe in terms of intensity and dynamics in the context of climate change.

Our results show that extreme cold events are indeed likely to disappear at high levels of warming. However, it is still possible that intense events will occur in the near future, and it is essential to prepare for this eventuality. Regarding the dynamics of these events, we demonstrate that they are generally well reproduced in acrshort{cmip6} models, although performance differences are observed between models. The atmospheric pattern typically associated with extreme cold spells in observations appears not to be affected by climate change and is even found at high levels of warming. We also use the stochastic weather generator to evaluate the effect of this atmospheric pattern on temperatures. We show that it is a necessary and sufficient condition for the occurrence of cold spells in Europe, even in a warmer world. Overall, this thesis employs a rare event algorithm that bridges physics and statistics to explore extreme cold scenarios in the context of climate change.

 

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Une approche statistique pour l’étude de l’intensité et de la dynamique des vagues de froid extrêmes en Europe

Le réchauffement climatique dû aux activités humaines augmente la fréquence et l’intensité des événements climatiques extrêmes comme les vagues de chaleur, les inondations ou les sécheresses. Il est attendu à l’inverse qu’il réduise celles des vagues de froid. Cependant, la focalisation récentes sur les vagues de chaleur fait que peu d’études se sont spécifiquement intéressées aux vagues de froid dans un contexte de changement climatique. Le réchauffement n’est pas linéaire, modifie les dynamiques atmosphériques et océaniques, et affecte différemment les différentes régions du monde. Ainsi, l’Europe a connu peu d’événements extrêmes de froid au cours des dernières décennies, au contraire des États-Unis. Ces deux régions, situées dans les latitudes moyennes, sont caractérisées par une météorologie changeante influencée par le courant-jet, un courant de vent dominant en haute altitude, ainsi que par les influences parfois contraires de l’Arctique et des tropiques.

Malgré le réchauffement, l’Arctique conserve des températures bien plus froides que celles de l’Europe. Il est donc crucial de ne pas sous-estimer, d’une part, la capacité d’advection de cet air froid vers l’Europe, d’autre part, la manière dont le changement climatique peut affecter les mécanismes des vagues de froid, et enfin, l’ampleur de la variabilité naturelle. Une sous-estimation des événements extrêmes de froid pourrait conduire à une maladaptation, voire à une vulnérabilité accrue malgré le réchauffement climatique. Cependant, les événements extrêmes sont, par définition, rares. Leur faible occurrence dans les observations et les simulations de modèles les rend difficiles à étudier. Des méthodes spécifiquement dédiées aux événements rares ont donc été développées pour pallier ce sous-échantillonnage et faciliter leur étude. Elles permettent la simulation directe d’événements rares à un coût de calcul réduit.

Dans cette thèse nous utilisons un générateur de temps stochastique basé sur des analogues de circulation atmosphérique pour simuler des hivers extrêmement froids et des vagues de froid extrême en Europe. Ces simulations sont réalisées sur différentes périodes et pour différents niveaux de réchauffement, nous permettant ainsi d’étudier l’évolution des événements extrêmes de froid en Europe en termes d’intensité et de dynamique dans un contexte du changement climatique. Nos résultats montrent que les événements de froid extrême sont effectivement voués à disparaître pour des niveaux élevés de réchauffement. Cependant, il est toujours possible que des événements intenses surviennent dans un futur proche, et il est essentiel de se préparer à cette éventualité. Concernant la dynamique de ces événements, nous démontrons qu’elle est généralement bien reproduite dans les modèles acrshort{cmip6}, bien qu’on observe des différences de performance entre les modèles. Les configurations atmosphériques typiquement associées aux vagues de froid dans les observations ne semblent pas être affectées par le changement climatique et se retrouvent même pour des niveaux élevés de réchauffement. Nous utilisons également le générateur de temps stochastique pour évaluer l’effet de ces configurations atmosphériques sur les températures. Nous montrons qu’elles sont une condition nécessaire et suffisante à l’occurrence de vagues de froid en Europe, même dans un monde plus chaud. Dans l’ensemble, cette thèse utilise un algorithme d’événements rares qui fait le lien entre la physique et les statistiques pour explorer des scénarios de froid extrêmes dans un contexte de changement climatique.

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

05/03/2025 14:00

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.

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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.