SPACESCHOOL : cycle de conférences en ligne sur la recherche et les métiers du spatial

17/01/2022 00:00

SPACESCHOOL : cycle de conférences en ligne sur la recherche et les métiers du spatial

14/01/2022 00:00

SPACESCHOOL : cycle de conférences en ligne sur la recherche et les métiers du spatial

12/01/2022 00:00

Modelling sea ice dynamics and their interactions with the ocean

19/11/2024 11:00

Séminaire du LOCEAN.

Amazonia, Cœur de la Terre Mère

15/11/2024 12:15

La tournée d’impact « Amazonia, Cœur de la Terre Mère » initiée par Planète Amazone est un appel global à rejoindre le combat des peuples indigènes du Brésil pour protéger la forêt amazonienne et les écosystèmes menacés.

Beyond Boundaries: GNSS Geodesy and Remote Sensing for Comprehensive Analysis of Natural Hazards and Climate Change

12/11/2024 11:00

Séminaire du LGENS.

Cyclones Tropicaux et Méditerranéens dans le modèle de Climat de l'IPSL: Détection et évaluation

11/01/2024 14:00

Les tempêtes font partie des désastres qui font le plus de dégâts sur terre : elles sont les plus coûteuses, et les deuxièmes plus mortelles. Parmi ces tempêtes, les cyclones tropicaux font le plus de dégâts. Il existe aussi un type de cyclone subtropical méditerranéen proche des cyclones tropicaux, appelé medicane, qui peut causer d’importants dégâts, comme l’a prouvé l’exemple récent de la tempête Daniel. L’étude des cyclones tropicaux et subtropicaux repose en grande partie sur les modèles de climat. Il est bien établi qu’une condition nécessaire à la simulation de ces phénomènes est une résolution horizontale de quelques dizaines de kilomètres. L’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) développe et maintient un modèle de climat (IPSL-CM), avec lequel il est désormais possible d’atteindre ces résolutions grâce au développement récent de DYNAMICO.

Ma thèse consiste à évaluer l’opportunité que représente l’arrivée de DYNAMICO pour l’étude des cyclones tropicaux au sein de l’IPSL. J’ai donc adressé la question suivante : Le modèle de l’IPSL à haute résolution horizontale est-il capable de simuler correctement la climatologie des cyclones tropicaux et méditerranéens ?

Dans un premier temps, j’ai effectué une comparaison de plusieurs méthodes de détection des cyclones tropicaux dans des données climatiques. Pour cela, j’ai appliqué quatre méthodes à la réanalyse ERA5, et comparé les résultats à une base de données d’observations. J’ai montré que toutes les méthodes de détection sont capables de détecter environ 80% des cyclones observés. Elles s’accordent toutes sur les évènements les plus forts. La fréquence et la durée des évènements détectés varient selon la propension des méthodes à détecter les cyclones faibles. Certaines méthodes ont aussi tendance à détecter des cyclones extra-tropicaux. Pour remédier à ce problème, j’ai développé deux méthodes de filtrages de ces systèmes. (Bourdin et al., 2022) J’ai ensuite procédé à l’évaluation de la climatologie des cyclones tropicaux dans six simulations de résolution variable, produites selon le protocole HighResMIP. Dans ces simulations historiques en atmosphère seule, on constate que l’activité cyclonique augmente énormément lorsque la résolution augmente de 200 à 25 km. L’augmentation de la résolution permet aussi de mieux simuler la répartition des cyclones entre et parmi les bassins, et la structure des cyclones. Le modèle à haute résolution est capable de simuler la variabilité interannuelle observée et son lien avec ENSO, en particulier dans le Nord Atlantique et de Nord-Est Pacifique. Dans le Nord-Ouest Pacifique, le modèle ne simule pas assez de cyclones tropicaux à cause d’un biais climatologique dans la circulation de grande échelle. Le modèle de l’IPSL démontre une capacité particulièrement bonne à simuler les cyclones tropicaux dans le Nord Atlantique, qui est un bassin où beaucoup d’autres modèles présentent des biais. (Bourdin et al., 2023, en révision) Enfin, j’ai étendu mon évaluation aux cyclone méditerranéens pour mettre en évidence les particularités des medicanes. Le modèle simule une climatologie de cyclones méditerranéens et de medicanes similaire à la réanalyse ERA5. Cela permet de montrer que les medicanes ont une structure plus symétrique, et que les flux de surface y jouent un rôle plus important que pour l’ensemble des cyclones méditerranéens. De plus, ils n’apparaissent qu’en présence d’un faible cisaillement de vent horizontal.

En conclusion, ma thèse démontre la capacité du modèle de l’IPSL à simuler des cyclones tropicaux et méditerranéens à une résolution horizontale de 25 km. Cela ouvre la voie à des études plus poussées des cyclones tropicaux avec le modèle de l’IPSL, qui pourront aider à mieux comprendre la climatologie de ces évènements.

 

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Storms are among the most damaging disasters on earth: the most costly and the second deadliest. Among these storms, tropical cyclones cause the most damage. Medicanes — Mediterranean subtropical cyclones — can also do significant harm, as demonstrated by the recent example of Storm Daniel. The study of tropical cyclones is largely based on climate models. It is well established that a prerequisite for simulating these phenomena is a horizontal resolution of a few tens of kilometres. The Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) develops and maintains a climate model (IPSL-CM), with which it is now possible to achieve such high resolutions thanks to the recent development of DYNAMICO.

My thesis assesses the opportunity associated with the arrival of DYNAMICO for studying tropical cyclones at IPSL. The question I address in the present thesis is: Is IPSL-CM at high horizontal resolution capable of correctly simulating the climatology of tropical and Mediterranean cyclones?

First, I compared several methods for detecting tropical cyclones in climate data. To this end, I applied four methods to the ERA5 reanalysis and compared the results with a database of observations. I showed that all detection methods can detect around 80 % of observed cyclones. They agree on the strongest events. The frequency and duration of events detected vary according to the methods’ propensity to detect weak cyclones. Some methods also tend to detect extra-tropical cyclones. To counter this problem, I have developed two methods to filter out such systems. (Bourdin et al. 2022) I then assessed the climatology of tropical cyclones in six simulations with varying resolutions, produced using the HighResMIP protocol. In these atmosphere-only historical simulations, the cyclone activity increases dramatically as resolution increases from 200 to 25 km. Increasing resolution also enables better simulation of the distribution of cyclones between and among basins as well as the structure of cyclones. The high-resolution model can simulate the observed interannual variability and its link with ENSO, particularly in the North Atlantic and Northeast Pacific. In the North-Western Pacific, the model does not simulate enough tropical cyclones due to a climatological bias in the large-scale circulation. The IPSL model shows an outstanding ability to simulate tropical cyclones in the North Atlantic, a basin where many other models exhibit biases. (Bourdin et al. 2023, in review) Finally, I have extended my evaluation to Mediterranean cyclones to highlight the particularities of medicanes. The model can simulate Mediterranean cyclones and medicanes climatology in good agreement with the ERA5 reanalysis. The simulated medicanes have a more symmetrical structure, and surface heat fluxes play a more important role compared to Mediterranean cyclones in general. Unlike Mediterranean cyclones, medicanes only appear in the presence of weak horizontal wind shear.

In conclusion, my thesis demonstrates the ability of the IPSL model to simulate tropical and Mediterranean cyclones at a horizontal resolution of 25 km. This paves the way for further studies of tropical cyclones with the IPSL model, which may help to better understand the climatology of these events.

Modélisation inverse pour la dispersion atmosphérique de polluants suite à un incendie de grande ampleur à l’échelle urbaine

20/12/2023 10:00

Les incendies de grande ampleur survenus en milieu urbain, tels que ceux de l’usine Lubrizol ou de la cathédrale Notre-Dame de Paris en 2019 en France, mettent en évidence la nécessité de développer des moyens d’évaluation des risques engendrés par les panaches de fumées pour la population et l’environnement. L’un des enjeux est de fournir rapidement aux autorités des informations sur les zones impactées par le panache et les niveaux de concentration de polluants auxquels les personnes ont pu être exposées.

La modélisation de la dispersion atmosphérique est une méthode utilisée pour évaluer la propagation des concentrations de polluants dans l’atmosphère. En particulier, la simulation de la dispersion des substances toxiques issues d’un rejet ponctuel peut permettre d’orienter des stratégies de prélèvements. Pour les incendies, les caractéristiques de la source polluante peuvent être déterminées au moyen de corrélations qui dépendent des propriétés thermocinétiques du feu. Cependant, en cas de rejet accidentel, les émissions sont a priori inconnues et les simulations visant à analyser le comportement du panache de fumées sont alors réalisées avec des hypothèses et des incertitudes importantes.

Si l’on dispose de mesures de concentrations dans l’atmosphère, il devient intéressant de mettre en œuvre une approche de modélisation inverse basée sur l’utilisation conjointe de ces mesures et d’un modèle de dispersion. Deux méthodes basées sur le cadre de la modélisation inverse bayésienne sont développées pour retrouver le terme source d’un incendie de grande ampleur par l’assimilation de mesures de concentration de polluants in-situ. Une méthode semi-bayésienne et une méthode bayésienne de type Monte Carlo par chaîne de Markov sont considérées pour la caractérisation du rejet.

La source à retrouver est décrite par un taux d’émission variable dans le temps et une hauteur d’émission. Cette dernière, liée au phénomène d’élévation du panache, est un paramètre important pour évaluer l’impact de la pollution à proximité de l’incendie. Deux stratégies de paramétrisation des hauteurs d’émission sont développées. La première consiste à retrouver les taux de rejet pour toutes les hauteurs d’émission prédéfinies depuis la modélisation directe. La seconde est une proposition d’inversion qui consiste à inverser la hauteur d’émission pour obtenir une intensité de rejet associée. En outre, plusieurs ajustements des méthodes inverses sont proposées pour les rendre plus robustes, notamment avec la caractérisation des niveaux de pollution ambiants.

Ces méthodes inverses sont appliquées dans le cadre d’une expérience de simulation d’un système d’observation (« OSSE ») correspondant à l’incendie de la cathédrale Notre-Dame en 2019 et d’une étude de cas réel correspondant à l’incendie d’un grand entrepôt à Aubervilliers, près de Paris, en 2021.

Télédétection de la Fluorescence Induite par Laser (LIF) et par le Soleil (SIF) pour l’étude du Fonctionnement Hydrique et Carboné des Écosystèmes Terrestres

13/12/2023 10:00

La Fluorescence chlorophyllienne Induite par le Soleil (SIF) est utilisée comme un proxy pour le suivi de la Productivité Primaire Brute (GPP) du couvert végétal à travers différents écosystèmes. Cependant, l’usage de SIF est entravé par les facteurs confondants (structure tridimensionnelle (3D) du couvert, propriétés biochimiques des feuilles, facteurs abiotiques, etc.).

Dans cette thèse, nous avons proposé d’utiliser des observations et des mesures de SIF, de réflectance, du rendement de la fluorescence active (FyieldLIF) et de GPP aux échelles spatiales large (TROPOMI et MODIS) et à l’échelle du couvert forestier adulte afin de quantifier et de comprendre les variations physiologiques de la végétation en conditions naturelles. Nous avons évalué la nature et la force des relations GPP vs SIF TROPOMI et la synergie SIF et réflectance satellitaire MODIS pour prédire la GPP dans une quarantaine de sites forestiers de mesures de flux de carbone couvrant les principaux biomes. Nous avons ensuite examiné les liens FyieldLIF et SIFy (SIF normalisé par le rayonnement photosynthétiquement actif, PAR) à partir de mesures in situ sur le site forestier ICOS de Fontainebleau-Barbeau en considérant notamment les effets combinés de la structure du couvert et les variations des conditions d’éclairement.

Enfin, nous avons étudié la dynamique saisonnière du SIF en conditions naturelles et sa relation avec la GPP en s’intéressant plus particulièrement aux effets des facteurs abiotiques. On constate que la force et la nature des liens GPP-TROPOMI SIF dépendent du site et du type de végétation, reflétant les effets de l’hétérogénéité spatiale et temporelle de la couverture végétale du pixel TROPOMI. En outre, la SIF et la réflectance issue des observations satellitaires MODIS prédisent plus de 80 % des variations temporelle de la GPP. Ce travail soutient qu’à des échelles spatiales larges, la réflectance pourrait être utilisée pour estimer la GPP et que l’usage de la SIF comme proxy de la GPP soulève la question de savoir si l’information physiologique liée à la photosynthèse issue de SIF pourrait être détectée à cette échelle.

Par ailleurs, à partir de mesures au sol effectuées sur le site de Fontainebleau-Barbeau, on montre que FyieldLIF n’est pas corrélé avec SIFy à l’échelle diurne à cause des effets combinés de la structure et l’angle solaire. On constate aussi que les dynamiques diurnes de SIF et de PAR incident décorrèlent lors des jours de ciel clair, mettant en évidence les effets importants de l’ombre projetée sur la SIF. On montre aussi que la SIF et la réflectance peuvent être utilisées pour prédire FyieldLIF. Le rapport Φk (SIFy/FyieldLIF) (indicateur des effets des facteurs confondants sur la SIF, liés à la structure et aux conditions d’éclairement) est corrélé à la réflectance et aux effets structure-géométrie solaire. On souligne que les liens GPP-SIF et leurs variations dépendent de l’échelle temporelle considérée.

Plus spécifiquement, à l’échelle saisonnière, on observe que les variations de GPP, SIF, SIFy et FyieldLIF répondent au développement structurel et biochimique du couvert végétal, ainsi qu’aux facteurs abiotiques. Pendant les périodes météorologiques de vagues de chaleur et de stress hydrique édaphique, on constate que d’une part SIF-VIs (NDVI, NIRv et mNDI) et d’autres part SIF-PAR ne sont pas corrélés, tandis que GPP, SIF et FyieldLIF diminuent fortement. Ceci indique que SIF et FyieldLIF peuvent être utilisés pour suivre la photosynthèse du couvert en conditions de stress alors que les VIs ne peuvent pas. Cette réponse spécifique de SIF et FyieldLIF comparé aux VIs souligne l’intérêt croissant de l’usage de SIF comme proxy de la GPP dans des conditions climatiques changeantes. Toutefois, à l’échelle diurne, les interactions entre la structure de la canopée et la géométrie du soleil affectent fortement la SIF provoquant une décorrélation ente la SIF et la GPP.

 

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Sun-Induced chlorophyll Fluorescence (SIF) is used as a tool to monitor Gross Primary Production (GPP) across different ecosystems. SIF is important to understand the global carbon cycle under changing climate conditions. However, the use of SIF to probe variations in GPP is challenged by confounding factors (canopy biochemical properties, abiotic factors, etc.). In this thesis, we proposed to use multiple scale measurements (spaceborne with the TROPOMI and MODIS sensors, and ground-based) of SIF, reflectance, GPP, and active chlorophyll fluorescence yield (FyieldLIF), useful to observe the physiological variations of the vegetation. In order, first, to evaluate the strength and the nature of the relationship between GP-SIF and to predict GPP using remote sensing metrics; second, to examine the relationship between FyieldLIF and SIFy (SIF normalized by the photosynthetically active radiation, PAR) and the effects of canopy structure and sun-canopy geometry on SIF signal, and third, to explore the influence of canopy structure, light intensity and abiotic factors on SIF and GPP variations and on their links.

We found that the strength and the nature of the links between GPP and TROPOMI SIF, across forty flux sites, depend on sites and vegetation types. Further, combined use of SIF and reflectance from satellite observations predicted over 80% of GPP variations. However, we observed that daily surface reflectance at different bands when taken as a whole outperformed daily TROPOMI SIF in predicting GPP, but the relative importance of variables in the random forest model using SIF and VIs (NDVI, PRI and NIRv) as inputs to predict GPP shows that SIF is the most important variable for predicting GPP. This result indicates that at a broad spatial scale, reflectances could be used to predict GPP and the use of SIF as a proxy of GPP raises the question of whether the physiological information related to photosynthesis contained in SIF could be detected at this scale.

Based on top-of-canopy measurements in Fontainebleau-Barbeau, we show that active FyieldLIF was not correlated with passive SIFy at the diurnal timescale due to sun-canopy geometry effects. We also observed that the diurnal patterns in SIF and PAR did not match under clear sky conditions, underlining the effects of shadows on the measured canopy SIF. We also showed that the SIF and the reflectance can be used to predict FyieldLIF, while Φk =SIFy/FyieldLIF (an indicator of the interaction between canopy structure and irradiance geometry) is strongly correlated with reflectance and sun-canopy geometry. The analyses show that the links between GPP and SIF and their variations, resulting from ground-based measurements, depend on the temporal scale considered. More specifically, at the seasonal scale, we observed that variations in GPP, SIF, SIFy and FyieldLIF respond to the structural and biochemical development of canopies and to variations in abiotic factors, especially during the heatwaves in 2022.

During these extreme weather conditions, we observed that, on one hand, SIF and VIs (NDVI, NIRv and mNDI), and on the other hand, SIF and PAR are not correlated, while GPP, SIF and FyieldLIF strongly decreased. This indicates that SIF and FyieldLIF can be used to monitor impact on photosynthetic activity under stress conditions, while VIs cannot. This specific response of SIF and FyieldLIF compared to VIs highlights the growing interest in the use of SIF as a proxy of GPP under changing climate conditions. However, at the diurnal scale, the interactions between canopy structure and sun geometry, as well as the light intensity control the variations in SIF and GPP and their links. We strongly recommend the use of the synergy between reflectance, SIF and active fluorescence measurements to better understand the dynamics of SIF and its link to GPP in other vegetation types at the canopy scale.