Composition du jury

M. Francois Ravetta, Professeur SU (Président)
M. Jean-François Müller, Directeur de département IASB-BIRA (Rapporteur)
M. Jean-Christophe Calvet, Météorologue Météo-France (Rapporteur)
Mme Juliette Lathière, Chargée de recherche CNRS (Examinatrice)
Mme Samira Khodayar Pardo, Directrice de département CEAM (Examinatrice)
Mme Solène Turquety, Professeure SU (Directrice de Thèse)
M. Jan Polcher, Directeur de recherche CNRS (Co-Directeur de thèse)

Résumé

S’inscrivant dans un contexte global de réchauffement climatique, les sécheresses et vagues de chaleur ont augmenté à la fois en fréquence et en intensité au cours du siècle dernier dans la région méditerranéenne. Leurs effets, qu’ils soient directs ou indirects, peuvent entraîner des dommages économiques, sociaux et environnementaux considérables. Plus particulièrement, les sécheresses et vagues de chaleur peuvent induire un impact significatif sur l’état de la végétation ainsi que sur la chimie de l’atmosphère, notamment par l’intermédiaire d’interactions entre la surface et la troposphère.
L’objectif de cette thèse est d’analyser les interactions entre biosphère et troposphère pendant les sécheresses et vagues de chaleur en Méditerranée occidentale et, plus spécifiquement, d’évaluer leurs effets sur la biomasse, l’activité des incendies et la concentration en ozone à la surface. Ce travail se base principalement sur une approche de modélisation numérique tridimensionnelle de la surface terrestre et de l’atmosphère (météorologie et chimie atmosphérique) à l’échelle régionale. Par ailleurs, les recherches réalisées sont soutenues par différents ensembles de données d’observations (in-situ et satellitaires).
Tout d’abord, sécheresses et vagues de chaleur ont été identifiées sur la période 1979-2016 en appliquant la méthode des anomalies au percentile limite (PLA) sur une simulation du modèle régional RegIPSL. Ce dernier couple le modèle de surface et végétation ORCHIDEE avec le modèle météorologique WRF. On note une co-variabilité considérable entre sécheresses et vagues de chaleur en Méditerranée. Ensuite, l’impact sur la biomasse et les caractéristiques des incendies a été analysé en combinant l’indicateur PLA avec des observations satellitaires issues de l’instrument MODIS. Alors que le déclin de l’activité végétale, se manifestant par une diminution de la biomasse, est principalement attribuable aux sécheresses, l’augmentation en intensité des incendies résulte d’une synergie entre sécheresses et vagues de chaleur. Finalement, la chimie atmosphérique a été simulée à l’aide du modèle de chimie-transport CHIMERE utilisant les champs météorologiques de WRF sur plusieurs étés. Une analyse de sensibilité complète des émissions biogéniques, de la vitesse de dépôt sec et de la concentration de surface en ozone aux conditions extrêmes et plus particulièrement, aux effets de l’aridité du sol et de la diminution de la biomasse a été réalisée. Ces effets caractéristiques des sécheresses sont généralement ignorés dans les modèles de chimie-transport. Les vagues de chaleur et sécheresses, dans leur ensemble, mènent à une augmentation de la concentration en ozone incluant des pics de pollution (simulés et observés) qui s’expliquent en partie par une augmentation des émissions de précurseurs provenant de la canopée et une diminution du dépôt sec au sein de celle-ci.

Abstract

In line with what is expected in a context of global warming, droughts and heatwaves have increased in both frequency and intensity over the last century in the Mediterranean region. Their effects, whether direct or indirect, can cause considerable economic, social and environmental damage. In particular, droughts and heatwaves can induce a significant impact on the state of vegetation as well as the chemistry of the atmosphere, notably through interactions between the surface and the troposphere.
The objective of this thesis is to analyse the interactions between biosphere and troposphere during droughts and heatwaves in the western Mediterranean and, more specifically, to assess their effects on biomass, fire activity and surface ozone concentration. This work is mainly based on a three-dimensional numerical modeling approach of the land surface and the atmosphere (meteorology and atmospheric chemistry) at the regional scale. In addition, the research is supported by different observational datasets (in-situ and satellite).
Firstly, droughts and heatwaves have been identified over the period 1979-2016 by applying the percentile limit anomalies (PLA) method on a simulation of the regional model RegIPSL. The latter couples the ORCHIDEE surface and vegetation model with the WRF weather model. Considerable co-variability between droughts and heatwaves in the Mediterranean has been highlighted. Then, the impact on biomass and fire characteristics was analysed by combining the PLA indicator with satellite observations from the MODIS instrument. While the decline in plant activity, manifested by biomass decrease, is mainly attributable to droughts, the increase in fire intensity results from a synergy between droughts and heatwaves. Finally, atmospheric chemistry was simulated with the CHIMERE chemistry-transport model using WRF meteorological fields over several summers. A comprehensive sensitivity analysis of biogenic emissions, dry deposition velocity and surface ozone concentration to extreme conditions and, in particular, to the effects of soil dryness and biomass decrease was performed. These characteristic effects of droughts are usually ignored in chemistry-transport models. Heatwaves and droughts, as a whole, lead to an increase in ozone concentration including pollution peaks (both simulated and observed) that are partly explained by an increase in precursor emissions from the canopy and a decrease in dry deposition within the canopy.