Institut Pierre-Simon Laplace

Sciences du climat

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Migrations climatiques : passé, présent, futur / Climate Migrations: Past, Present, Future

21/09/2021 00:00

Si les migrations environnementales font l’objet d’un intérêt croissant depuis les années 1980, l’urgence climatique a suscité, ces dernières années, de plus en plus de travaux sur le sujet, et en particulier sur les migrations climatiques.

École thématique "Autour du 2°C" - Édition 2021

19/09/2021 00:00

Il reste des places pour l’école thématique « Autour de 2°C », qui aura lieu du 19 au 24 septembre 2021 à Autrans, en Isère, sur le thème « Le nexus Eau – Sols – Énergie – Alimentation ».

Journée scientifique et technique au SIRTA

17/09/2021 00:00

Le nouvel observatoire atmosphérique SIRTA sera inauguré le 17 septembre 2021.

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Modélisation globale des émissions d’ammoniac par l’agriculture et impact sur la chimie atmosphérique

16/03/2023 14:00

L’ammoniac est une espèce clé de l’atmosphère qui joue un rôle crucial dans la formation des aérosols et, par conséquent, dans la modification de la chimie de l’atmosphère et du climat.
Principalement issues de pratiques agricoles telles que les excréments du bétail et la fertilisation minérale, qui varient d’une région à l’autre, la quantification des émissions d’ammoniac n’est pas simple. En outre, le processus de volatilisation dépend de variables environnementales qui rendent leur estimation particulièrement complexe. La plupart des modèles globaux de transport de la chimie reposent sur des inventaires de variations saisonnières artificielles, ce qui peut conduire à des incertitudes. Mon travail a pour but de mieux estimer les émissions d’ammoniac issues des pratiques agricoles à l’échelle globale et étudier leur impact sur la chimie atmosphérique.Tout d’abord, comme approche unique, je suggère d’inclure une représentation dédiée au flux d’ammoniac agricoles dans le modèle global de surface terrestre ORCHIDEE.
J’ai implémenté dans ORCHIDEE un nouveau module appelé CAMEO (Calculation of AMmonia Emission in ORCHIDEE), principalement basé sur des processus. Plus précisément, une représentation de l’alimentation du bétail, de la chaîne de gestion du fumier, de l’application d’engrais ainsi que des processus physiques du sol pour la volatilisation sont développés et paramétrés dans ORCHIDEE. Les émissions agricoles mondiales d’ammoniac estimées par CAMEO sont de 44 TgN/an et l’évaluation montre un cycle saisonnier fortement corrélé avec les émissions dérivées du satellite IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer). Cela résulte de la réponse des émissions d’ammoniac aux changements environnementaux provenant de l’utilisation des terres et météorologie dans CAMEO. La deuxième étape de mon travail consiste à exploiter CAMEO pour les futurs Scénarios Socio-Economiques Partagés (SSPs ; conçus dans le cadre de CMIP6). Cependant, les densités de bétail, une donnée d’entrée clé pour CAMEO, ne sont pas disponibles pour le futur dans la littérature. Par conséquent, une méthode originale de réduction d’échelle est proposée pour récupérer les densités de bétail futures de 2015 à 2100 pour trois différents SSPs. Pour ce faire, les résultats de différents modèles d’évaluation intégrée (IAM) pour la distribution des prairies et la production animale sont exploitées et combinées. Les résultats de CAMEO montrent des émissions d’ammoniac par l’agriculture qui pourraient atteindre de 50 à 70 TgN/an en 2100.  Ceci met en évidence l’utilisation intensive future des engrais (synthétiques et organiques). Parce que CAMEO est piloté par des variables environnementales, j’ai pu montrer une augmentation de 15 à 20 % des émissions totales en 2100 dans le contexte du changement climatique. Enfin, les émissions d’ammoniac actuelles et futures de CAMEO ont été prescrites au modèle global de chimie atmopshérique LMDZ-INCA pour évaluer leur impact sur la composition de l’atmosphère. Les colonnes d’ammoniac simulées ont été évaluées avec les données IASI et montrent une amélioration significative de la variabilité spatiale et temporelle par rapport à une simulation de référence. Les émissions futures de CAMEO pour le scénario d’émissions le plus élevé en 2100 ont également été testées dans différentes conditions d’émissions de sulfate et de nitrate. Indépendamment des niveaux des autres espèces émises dans le futur, l’impact des émissions de CAMEO sur la charge en nitrates est crucial et positif (+50 %). Cependant, parmi les scénarios, des variabilités régionales sont également observées dans la formation d’aérosols de surface et les flux de dépôt d’azote qui en découlent. Connaissant la propriété bidirectionnelle de l’ammoniac à l’interface entre l’atmosphère et la biosphère, j’ai souligné l’importance du couplage entre ces deux compartiments autour du cycle de l’azote au sein du modèle de système Terre de l’IPSL.
Ammonia is a key species in the atmosphere playing a crucial role in forming secondary aerosols and, thus, modifying the chemistry of the atmosphere. Mainly from agricultural practices such as livestock excreta and mineral fertilizer use, which vary worldwide, ammonia emission quantification is not straightforward. In addition, the volatilization process depends on environmental variables (temperature, humidity, wind speed) that make their estimation particularly complex. Most global Chemistry Transport Models rely on artificial-seasonal variation inventories, which can lead to uncertainties in the representation of ammonia and its related aerosols. My work takes part in this effort of better estimating ammonia emissions from agricultural practices at the global scale and study their impact on atmospheric chemistry.
Firstly, as a unique approach, I suggest to include a new module (CAMEO; Calculation of AMmonia Emissions in ORCHIDEE) dedicated to agricultural ammonia flow within the global Land Surface Model ORCHIDEE (Organising Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems). More specifically, a representation of livestock feeding, manure management chain, application of fertilizer (mineral and organic) along with soil physical processes for volatilization are developed and parameterized into ORCHIDEE. Global agricultural ammonia emissions from CAMEO reach 44 TgN/yr and the evaluation shows a highly correlated seasonal cycle with IASI derived-emissions (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer).  It results from the response of ammonia emissions to environmental changes (from land use and meteorology) in CAMEO.
The second step of my work consists in exploiting CAMEO for future Shared Socio-Economic Scenarios (SSPs; designed within the CMIP6 framework). However, livestock densities, a key input data for CAMEO are not available for the future in the literature. Therefore, an original downscaling method is proposed to retrieve future livestock densities at the grid-cell scale from 2015 to 2100 for three different SSPs.
To do so, Integrated Assessment Model (IAM) results for the distribution of grassland and regional livestock production trends are combined. CAMEO demonstrated a possible range of agricultural ammonia emissions situated between 50 to 70 TgN/yr in 2100, highlighting the future intensive use of fertilizer (synthetic and organic). Depending on the scenario and region, increased livestock numbers can have a substantial role, especially in Africa. The sensitivity of the future emissions to climate has been tested and estimated at 15 to 20 %. Finally, the present-day and future ammonia emissions from CAMEO have been prescribed to the global Chemistry Transport Model LMDZ-INCA to assess their impact on the atmospheric composition. Present-day simulated ammonia columns were evaluated against the IASI satellite observations and showed a significant improvement in the spatial and temporal variability compared to a reference simulation. Future CAMEO emissions for a specific SSP (highest emission scenario in 2100) were also tested under different sulfate and nitrate emission conditions (relatively high, low, and present-day levels). Independently from the other emitted species levels in the future, the impact of CAMEO emissions on the nitrate burden is crucial and positive (+50 %). However, among the scenarios, regional patterns are also observed in the surface aerosol formation and the subsequent N deposition fluxes. Knowing the bi-directional property of ammonia at the interface between the atmosphere and biosphere, I highlighted the importance of the coupling between the two compartments around the nitrogen cycle within the IPSL Earth System Model.

Processes affecting cirrus cloud life cycle at the tropical tropopause layer : contributions from the Stratéole-2 campaigns

10/03/2023 13:30

Cette thèse s’intéresse à l’observation des ondes de gravité dans la tropopause tropicale (TTL pour tropical tropopause layer) par ballons pressurisés, et à leur impact sur les cirrus. Dans un premier temps, l’activité des ondes de gravité est quantifiée grâce aux observations in-situ des ballons pressurisés des deux premières campagnes de Stratéole-2. Le lien entre la convection profonde tropicale et l’activité des ondes est démontré à l’échelle synoptique par la diminution de l’amplitude des ondes avec la distance aux cellules convectives. La variabilité géographique de l’activité des ondes de gravité, de leur intermittence, ainsi que leur variabilité inter-annuelle sont également évaluées.
Dans un second temps, l’impact des ondes de gravité sur les cirrus est étudié grâce à la combinaison des mesures lagrangiennes des fluctuations de températures avec un modèle de microphysique prenant en compte la nucléation homogène, la croissance et la sédimentation des cristaux de glace, ainsi qu’une représentation très simplifiée du cisaillement de vent. L’impact des ondes sur la population de glace et les conséquences sur l’évolution des cirrus ainsi que sur leur capacité à assécher les masses d’air lors de l’ascension dans la TTL est quantifié. Les résultats sont comparés avec les observations de la campagne ATTREX dans la TTL au-dessus de l’océan Pacifique, et démontrent l’importance de la représentation réaliste des ondes dans les simulations de microphysique. Enfin, une étude de sensibilité à l’amplitude des ondes de gravité est discutée pour la structure des cirrus et la population de cristaux.

 

This thesis focuses on the observation of gravity waves at the tropical tropopause layer (TTL) by superpressure balloons, and their impact on cirrus clouds. First, the gravity wave activity is quantified thanks to in-situ observations of superpressure balloons from the first two Stratéole-2 campaigns. The link between tropical deep convection and wave activity is demonstrated at a synoptic scale by the decrease of wave amplitude with distance to convective cell. The geographical variability of gravity wave activity, its intermittency, as well as its interannual variability are also studied. In a second step, the impact of gravity waves on cirrus clouds is studied thanks to the combination of Lagrangian measurements of temperature fluctuations with a microphysics model representing the homogeneous nucleation, growth and sedimentation of ice crystals, as well as a very simplified representation of the wind shear. The impact of the waves on ice crystals population and the consequences on the evolution of cirrus clouds and their capacity to dehydrate the air masses during the ascent in the TTL is quantified. The results are compared with observations from the ATTREX campaign in the TTL over the Pacific Ocean, and demonstrate the importance of realistic representation of waves in microphysics simulations. Finally, a sensitivity study to the amplitude of gravity waves is discussed for the cirrus structure and crystal population.

Compréhension du fonctionnement hydrologique et géochimique d'une zone humide riparienne : cas du marais de Jarcy (Essonne, France)

21/02/2023 14:00

Les zones humides ripariennes sont des environnements au potentiel écologique important que ce soit dans le maintien de la biodiversité, de la qualité des cours d’eau qui les longent ou encore comme réservoirs de carbone. Parmi la typologie de ces environnements très diversifiés, les tourbières sont des milieux fragiles qui reposent sur l’équilibre entre conditions hydrologiques saturées en eau et production primaire importante. Des variations de niveaux d’eau répétées et importantes peuvent être à l’origine de leur transformation. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre le fonctionnement hydrologique de ce type d’environnement particulier, à l’échelle d’un site pilote présentant de fortes variations piézométriques saisonnières, et d’en comprendre les implications sur les cycles biogéochimiques. L’approche développée dans ce travail pour répondre à cette problématique est multidisciplinaire : suivi piézométrique à haute fréquence (10 min) sur un réseau constitué d’une dizaine de puits d’observation installés de façon distribuée sur les 4,6 ha de la zone humide, campagnes de prélèvements géochimiques bimestriels sur ces ouvrages pour analyse des ions majeurs, des isotopes stables de l’eau et des sulfates, prospections géophysiques par tomographie de résistivité électrique, analyse d’échantillons non-remaniés issus de carottages, et enfin modélisation hydrologique sur un transect 2D à l’aide du code HydroGeoSphere (HGS).

Le couplage de ces différentes méthodes a permis de comprendre les processus qui pilotent les dynamiques de nappes observées sur le site : elles ont pour moteur le cycle annuel de croissance intensive de la végétation entre juin et octobre, et sont contrôlées par des apports d’eau latéraux provenant notamment de la rivière et circulant rapidement dans une couche de surface caractérisée par une forte conductivité hydraulique. Ces dynamiques sont à l’origine d’une transformation pédologique de la zone de battement de nappe par la stimulation des processus de dégradation de la matière organique, qui a pour effet l’augmentation de la minéralisation des eaux souterraines, et participe à la distinction de deux horizons aux propriétés très différentes. Les niveaux piézométriques en basses eaux jouent ainsi le rôle de frontière à la fois pédologique, hydrologique et géochimique.

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