Institut Pierre-Simon Laplace

Sciences du climat

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Atelier national sur les nuages polaires

24/06/2025 09:00

Alors que la recherche sur les nuages polaires connaît un dynamisme croissant dans nos laboratoires, avec des élans impulsés par différents projets sur les deux pôles, nous organisons un atelier pour aider à faire vivre et rassembler la communauté nationale travaillant sur cette thématique.

SIRTA / ICEO : Journée Scientifique 2025

24/06/2025 09:00

Le SIRTA, Observatoire de Recherche Atmosphérique de l’Institut Pierre Simon Laplace, organise cette année sa 24e Journée Scientifique.

Evénement de clôture projet FAIR-EASE

12/06/2025 09:00

Événement de clôture du projet européen FAIR-EASE.

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Climat, notebook et données SIRTA

22/11/2023 14:00

Dans le cours « Hydrologie et ressources en eau » de l’École Polytechnique, nous sommes passés pour les travaux pratiques à des Jupyther Notebook. Ils permettent d’illustrer pour les étudiants un certain nombre de notions du climat et de l’hydrologie.

Sortir de notre impuissance

21/11/2023 17:00

Séminaire du cycle « Partager & Agir »

COP28 : Is this COP held in Dubai doomed to be a failure ?

21/11/2023 11:00

Séminaire du LOCEAN.

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Impacts d'une déstabilisation des calottes polaires sur le climat et les maladies vectorielles au XXIème siècle

17/03/2023 10:00

Les moustiques, vecteurs majeurs de maladies, sont sensibles aux précipitations nécessaires au développement de leurs stades immatures aquatiques, et aux températures qui conditionnent leur cycle de vie. Le changement climatique impacte la transmission des maladies vectorielles, telles que le paludisme, première maladie parasitaire mondiale, et la Fièvre de la Vallée du Rift (FVR), zoonose décimant les troupeaux, entraînant un risque sanitaire et causant des pertes économiques en Afrique.

Les rapports du Groupe Intergouvernemental d’Experts du Climat (GIEC) présentent des projections climatiques pour le XXIème siècle avec différents scénarios d’émissions de gaz à effet de serre standards appelés « Representative Concentration Pathway » (RCP). Ceux-ci démontrent que d’ici 2080, avec le scénario RCP8.5, le risque de transmission du paludisme est estimé à la baisse dans la région du Sahel et à la hausse sur les plateaux est-africains, suite à l’augmentation des températures. Par ailleurs, les paléoclimats indiquent que la fonte des calottes de glace peut induire des changements climatiques abrupts. Cependant, les projections standards du GIEC ne considèrent pas une potentielle déstabilisation de ces calottes. L’Antarctique et le Groenland sont pourtant vulnérables aux dérèglements climatiques et une fonte rapide de ces calottes, même partielle, provoquerait des changements climatiques majeurs même en régions tropicales. Aucune étude n’avait jusque-là quantifié l’impact d’une fonte même partielle de celles-ci sur la distribution des moussons et sur le risque de transmission du paludisme et de la FVR en Afrique.

Ce travail repose sur des simulations numériques du climat futur réalisées à partir du modèle climatique global couplé IPSL-CM5A-LR avec pour forçage radiatif le scénario RCP8.5. Des simulations de relâchement d’eau douce correspondant à la fonte accélérée et partielle des calottes polaires ont été réalisées avec différentes hypothèses de fonte :

  • pour le Groenland, un flux d’eau douce équivalent à une augmentation globale du niveau marin de 0.5, 1, 1.5 et 3m est libéré en Atlantique Nord ;
  • pour l’Antarctique, une quantité d’eau douce équivalente à une hausse globale du niveau des mers de 3m (fonte de tout l’Antarctique de l’Ouest) est relâchée au large de sa région Ouest.

Ces apports d’eau douce ont lieu de 2020 à 2070, en flux continu.

Cette étude a démontré que les impacts, océaniques et atmosphériques, liés à la fonte du Groenland sont plus forts sur le climat global, particulièrement sur les systèmes de mousson en Afrique, que ceux liés à la fonte de tout l’Ouest Antarctique, ce qui est certainement dû au courant circumpolaire. Par la suite, seuls les scénarios considérant une fonte partielle du Groenland ont été utilisés pour étudier leurs impacts potentiels sur le paludisme. Les températures et précipitations simulées et/ou observées permettent de piloter des modèles mathématiques du risque de transmission. Cinq modèles mathématiques de paludisme ont été utilisés. Une fonte accélérée du Groenland induit un décalage des zones de mousson américaines et africaines vers le sud. Le risque de paludisme augmente dans le sud de l’Afrique, diminue au Sahel et augmente modérément sur les plateaux d’Afrique de l’Est. Pour l’étude de la FVR, le modèle Liverpool Rift Valley Fever (LVRF) a été validé par pays en comparant les simulations, obtenues à partir des températures et précipitations journalières issues des réanalyses climatiques, avec différents jeux de données. Puis, un travail exploratoire a permis de déterminer une corrélation entre le risque de transmission simulé et les principaux modes de variabilité climatique régionaux (ENSO et DMI). Les résultats montrent que le modèle reproduit correctement les épidémies de FVR au Kenya, Somalie et Zambie, et plus modérément au Sénégal et en Mauritanie. Une augmentation du risque de FVR est montrée sur les zones épidémiques d’Afrique de l’Est lors du phénomène El Niño.

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.

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