Academic literature on the topic 'Interactions surface continentale et atmosphère'

La représentation des processus physiques associés aux surfaces continentales, incluant les échanges de chaleur, d'humidité et de quantité de mouvement avec l'atmosphère, ainsi que l'analyse des conditions initiales pour ses principales variables influencent de manière substantielle la prévision atmosphérique près de la surface, en plus d'avoir un impact sur la production de nuages et des précipitations. Comment les surfaces continentales sont-elles représentées dans les modèles de prévision numérique du temps ? Quelles sont les problématiques propres à la prévision numérique du temps dans cette représentation ? Ces questions sont examinées dans cet article en utilisant des exemples tirées du modèle Isba (Interactions solbiosphère-atmosphère) développé à Météo-France et du système d'assimilation de surface du Service météorologique du Canada. The representation of physical processes over land, including heat, humidity, and momentum exchanges with the atmosphere, as well as accurate initialisation of its main prognostic variables, has a substantial influence on numerical prediction of the near-surface atmosphere and on the formation of clouds and precipitation. How are continental surfaces represented in numerical weather prediction (NWP) models? What are the scientific issues specif ic to NWP for this representation? These are questions examined in this study using examples from the Isba (Interactions Soil-Biosphere-Atmosphere) land surface scheme developed at Météo-France and the land data assimilation system from the Meteorological Service of Canada.

Les surfaces continentales jouent un rôle non négligeable dans le système climatique de la Terre. Elles occupent d'ailleurs une place majeure dans les cycles globaux de l'eau et du carbone. Elles ont été prises en compte dès les premiers modèles numériques de climat et, avec l'évolution des connaissances, des capacités de calcul et de la demande sociétale, leur représentation s'est aujourd'hui considérablement complexifiée. Nous présentons ici une brève histoire de l'évolution du modèle de surfaces Isba (Interactions sol-biosphère-atmosphère) de Météo-France dans son utilisation à l'échelle du globe en la replaçant dans le contexte international de la modélisation climatique. Land surfaces play a significant role in the Earth climate system, and they are a major component of the global carbon and water cycles. The first numerical climate models took them into account in very simple ways. Through time the complexity of their representation has increased a lot owing to improved knowledge, larger computational resources and changing societal demands. We present here a brief history of the ISBA (Interactions Soil-Biosphere-Atmosphere) land surface model developed at Météo-France when used at the global scale and how it evolved in the context of international climate modelling.

Abstract. The continental tropics play a leading role in the terrestrial energy, water, and carbon cycles. Land–atmosphere interactions are integral in the regulation of these fluxes across multiple spatial and temporal scales over tropical continents. We review here some of the important characteristics of tropical continental climates and how land–atmosphere interactions regulate them. Along with a wide range of climates, the tropics manifest a diverse array of land–atmosphere interactions. Broadly speaking, in tropical rainforest climates, light and energy are typically more limiting than precipitation and water supply for photosynthesis and evapotranspiration (ET), whereas in savanna and semi-arid climates, water is the critical regulator of surface fluxes and land–atmosphere interactions. We discuss the impact of the land surface, how it affects shallow and deep clouds, and how these clouds in turn can feed back to the surface by modulating surface radiation and precipitation. Some results from recent research suggest that shallow clouds may be especially critical to land–atmosphere interactions. On the other hand, the impact of land-surface conditions on deep convection appears to occur over larger, nonlocal scales and may be a more relevant land–atmosphere feedback mechanism in transitional dry-to-wet regions and climate regimes.

La synergie entre campagnes de mesures et modélisation numérique a permis de faire fortement progresser notre compréhension des interactions sol-végétation-atmosphère. Ces progrès ont conduit à l'élaboration du modèle de surface Isba développé par Joël Noilhan et utilisé aujourd'hui encore dans les modèles de prévision opérationnelle de Météo-France. Cet article vise à illustrer l'apport des campagnes de mesures dans l'amélioration de nos connaissances des processus en surface à travers trois exemples, Hapex-Mobilhy pour l'étude du bilan hydrique, Carbo-Europe pour l'étude du bilan en carbone et l'étude du brouillard sur l'aéroport Paris-CdG pour l'influence des conditions de surface sur les nuages bas. The synergy between field experiments and numerical modeling has allowed to significantly advance our understanding of soil-vegetation-atmosphere interactions. This progress led to the ISBA surface model developed by Joël Noilhan and used today in Météo-France's operational forecasting models. This article aims to illustrate the contribution of field experiments in improving our knowledge of surface processes through three examples: Hapex-Mobilhy, Carbo-Europe, and the study of fog at Paris-CdG airport.

Plusieurs modèles météorologiques ont été utilisés pour simuler les interactions ville-atmosphère à différentes échelles. Cette chaîne de simulation implique l’utilisation de réanalyses globales d’une résolution de 16 km comme données de forçage météorologique. Ce forçage est utilisé pour contraindre un modèle de méso-échelle qui permet d’atteindre une résolution de 250 m sur la ville grâce à la technique du grid-nesting. Finalement les champs du modèle à 250 m ont été utilisés comme forçage météorologique pour un modèle de simulation de canopée urbaine en 3D qui fonctionne avec une résolution de quelques mètres. Les outils utilisés pour atteindre cet objectif sont : les réanalyses du CEPMMT, le modèle Méso-NH & SURFEX (de Météo-France et du Laboratoire d’Aérologie) et le modèle de canopée urbaine LASER/F (Icube). Une simulation a été réalisée sur Strasbourg pour tester cette chaîne sur une période qui va du 13 au 17 août 2002. Les validations montrent que les processus de surface et atmosphériques simulés par Méso-NH & SURFEX pour la résolution de 250 m sont en accord avec les mesures de terrain. Pour s’assurer que le modèle de canopée urbaine en 3D s’intègre bien dans la chaîne de simulation, ses résultats sont comparés à ceux de SURFEX pour un quartier. Les analyses montrent que les résultats obtenus par ce modèle sont en accord avec ceux de SURFEX. L’introduction de la géométrie réelle du quartier en 3D permet même un gain appréciable pour certaines variables. Vu la cohérence des résultats obtenus, l’adjonction du modèle de canopée urbaine se justifie dans cette chaîne. Et ceci d’autant plus que ce type de modèle permet l’accès à de nouvelles informations avec un haut niveau de détails.

Abstract. The stable isotopic composition of water vapour provides information about moisture sources and processes difficult to obtain with traditional measurement techniques. Recently, it has been proposed that the D-excess of water vapour (dv = δ2H − 8 × δ18O) can provide a diagnostic tracer of continental moisture recycling. However, D-excess exhibits a diurnal cycle that has been observed across a variety of ecosystems and may be influenced by a range of processes beyond regional-scale moisture recycling, including local evaporation (ET) fluxes. There is a lack of measurements of D-excess in evaporation (ET) fluxes, which has made it difficult to assess how ET fluxes modify the D-excess in water vapour (dv). With this in mind, we employed a chamber-based approach to directly measure D-excess in ET (dET) fluxes. We show that ET fluxes imposed a negative forcing on the ambient vapour and could not explain the higher daytime dv values. The low dET observed here was sourced from a soil water pool that had undergone an extended drying period, leading to low D-excess in the soil moisture pool. A strong correlation between daytime dv and locally measured relative humidity was consistent with an oceanic moisture source, suggesting that remote hydrological processes were the major contributor to daytime dv variability. During the early evening, ET fluxes into a shallow nocturnal inversion layer caused a lowering of dv values near the surface. In addition, transient mixing of vapour with a higher D-excess from above the nocturnal inversion modified these values, causing large variability during the night. These results indicate d

Le schéma de surface Isba a été conçu pour représenter aussi simplement que possible des processus complexes d'interactions entre le sol, la végétation et l'atmosphère. Les choix méthodologiques adoptés pour sa construction ont été guidés par son implémentation future dans des modèles atmosphériques de moyenne échelle, de prévision météorologique et de climat. Son développement initial a été grandement facilité par la disponibilité des données d'observation de la campagne Hapex-Mobilhy, permettant de valider les choix méthodologiques et d'ajuster certains des paramètres du schéma. Cette approche de développement s'appuyant sur les données de campagnes de mesures ne s'est pas démentie par la suite. The Isba surface scheme was designed to represent as simply as possible complex interaction process between the soil, the vegetation and the atmosphere. The methodological choices adopted to construct it were guided by its future implementation in mesoscale, weather and climate models. Its initial development was greatly facilitated by the availability of observational data from the Hapex-Mobilhy field, enabling the methodological choices to be validated and some parameters of the scheme to be adjusted. This development approach, based on field campaign data, was maintained later.

Abstract Currently, observations of key components of the earth's large-scale water and energy budgets are sparse or even nonexistent. One key component, precipitation minus evapotranspiration (P − ET), remains largely unmeasured due to the absence of observations of ET. Precipitation minus evapotranspiration describes the flux of water between the atmosphere and the earth's surface, and therefore provides important information regarding the interaction of the atmosphere with the land surface. In this paper, large-scale changes in continental water storage derived from satellite gravity data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) project are combined with river discharge data to obtain estimates of areally averaged P − ET. After constructing an equation describing the large-scale terrestrial water balance reflecting the temporal sampling of GRACE water storage estimates, GRACE-derived P − ET estimates are compared to those obtained from a reanalysis dataset [NCEP/Department of Energy (DOE) reanalysis-2] and a land surface model driven with observation-based forcing [Global Land Data Assimilation System (GLDAS)/Noah] for two large U.S. river basins. GRACE-derived P − ET compares quite favorably with the reanalysis-2 output, while P − ET from the Noah model shows significant differences. Because the uncertainties in the GRACE results can be computed rigorously, this comparison may be considered as a validation of the models. In addition to showing how GRACE P − ET estimates may be used to validate model output, the accuracy of GRACE estimates of both the seasonal cycle and the monthly averaged rate of P − ET is examined. Finally, the potential for estimating seasonal evapotranspiration is demonstrated by combining GRACE seasonal P − ET estimates with independent estimates of the seasonal cycle of precipitation.

Abstract Land–atmosphere interactions are a critical component of precipitation processes within the Amazon basin and La Plata River basin (LPRB) in South America. Two of the possible pathways through which the land surface can affect precipitation are 1) by changing the amount of moisture available for precipitation (moisture recycling) and 2) by changing the atmospheric thermal structure and consequently affecting circulation patterns. In this study, the Weather Research and Forecasting (WRF) Model with embedded water vapor tracers (WVT) is used to disentangle these relative contributions, with a particular focus on the precipitation of LPRB. Using WRF-WVT we track the moisture that originates from the Amazon basin over a 10-yr period. It is estimated that Amazon evapotranspiration (ET) contributes to around 30% of the total precipitation over the Amazon and around 16% over the LPRB. Focusing on large-scale circulation patterns that transport moisture into the LPRB, we show that land surface conditions in northwestern Argentina are critical for the meridional transport of moisture to higher latitudes via Chaco jet events (CJEs). Warm surface air temperature associated with dry soil moisture over northwestern Argentina is linked to enhanced CJE northerly low-level winds that intensify moisture transport by changing continental-scale circulation patterns. WRF sensitivity tests confirm that soil moisture variations over this region affect meridional moisture transport.

Abstract. Surface ozone observations with modern instrumentation have been made around the world for almost 50 years. Some of these observations have been made as one-off activities with short term, specific science objectives and some have been made as part of wider networks which have provided a foundational infrastructure of data collection, calibration, quality control and dissemination. These observations provide a fundamental underpinning to our understanding of tropospheric chemistry, air quality policy, atmosphere-biosphere interactions, etc. Sofen et al. (2015) brought together 8 of these networks to provide a single dataset of surface ozone observations. We investigate how representative this combined dataset is of global surface ozone using the output from a global atmospheric chemistry model. We estimate that on an area basis, 25 % of the globe is observed (34 % land, 21 % ocean). Whereas Europe and North America have almost complete coverage, other continents such as Africa, South America and Asia (12–17 %) show significant gaps. Antarctica is surprisingly well observed (78 %). Little monitoring occurs over the oceans with the tropical and southern oceans particularly poorly represented. The surface ozone over key biomes such as tropical forests and savanna is almost completely unmonitored. A chemical cluster analysis suggests that a significant number of observations are made of polluted air masses, but cleaner air masses whether over the land or ocean (especially again in the tropics) are significantly under observed. The current network is unlikely to see the impact of ENSO but may be capable of detecting other planetary scale signals. Model assessment and validation activities are hampered by a lack of observations in regions where they models differ substantially, as is the ability to monitor likely changes in surface ozone over the next century. Using our methodology we are able to suggest new sites which would help to close the gap in our ability to measure global surface ozone. An additional 20 surface ozone monitoring sites (a 20 % increase in the WMO GAW ozone sites or a 1 % increase in the total background network) located on 10 islands and in 10 continental regions would almost double the area observed. The cost of this addition to the network is small compared to other expenditure on atmospheric composition research infrastructure and would provide a significant long term benefit to our understanding of the composition of the atmosphere and in the development of policy.

ISBA-A-gs est une option du modèle de surface continentale du CNRM, ISBA, qui simule les échanges de carbone entre la biosphère terrestre et l'atmosphère. Au cours de cette thèse, le modèle est utilisé pour la première fois à l'échelle globale en mode forcé. Plusieurs simulations globales sont réalisées pour évaluer la sensibilité des flux turbulents et du LAI à un doublement de CO2 et au changement climatique prévu pour la fin du XXIe siècle.
Une nouvelle option du modèle, nommée ISBA-CC, est aussi développée afin de simuler de manière plus réaliste la respiration de l'écosystème, en distinguant la respiration autotrophe et la respiration hétérotrophe.
La validation de la dynamique de la végétation et des flux de carbone échangés, à la fois à l'échelle globale à l'aide de données satellitaires, et à l'échelle locale sur 26 sites de mesure du réseau FLUXNET, montre que le modèle de surface est suffisamment réaliste pour être couplé à un modèle de circulation générale, afin de simuler les interactions entre la surface continentale, l'atmosphère et le cycle du carbone.

Les objectifs de la présente thèse sont l'analyse des mécanismes de couplage surface-atmosphère contrôlant la température moyenne de surface et son cycle diurne dans les régions sèches, humides et de transition.Nous montrons le rôle clé de l'inertie thermique sur la température de surface dans les régions sèches. La sensibilité à l'inertie thermique de la température de nuit est plus élevée que la sensibilité de la température de jour, impactant la température moyenne journalière. Nous montrons que cet effet est directement lié à l'instabilité de la couche limite, plus forte le jour que la nuit. Nous mettons également en lumière le double rôle du forçage solaire : Le premier est d'être la source du contraste diurne de la couche limite, à l'origine de la dissymétrie de réponse de la température à l'inertie thermique, le second est d'atténuer cet effet, puisque la forte dissymétrie du forçage solaire favorise la sensibilité de la température de jour par rapport à la nuit.Dans les régions humides, nous constatons que la sensibilité de la température de surface à l'inertie thermique est très faible. Ceci est dû aux fortes valeurs du flux latent qui contrôle la température de surface. Néanmoins, nous signalons que l'inertie thermique peut impacter le bilan d'eau à la surface, comme dans la région de la mousson indienne par exemple.Dans les régions de transition, nous montrons que la relation entre la température et l'humidité de surface est atténuée de 20 à 50 \% environ, du fait de la dépendance de l'inertie thermique à l'humidité de surface. Nous suggérons ainsi d'intégrer l'effet de l'humidité sur l'inertie thermique en plus de son effet sur l'évaporation
The main objectives of this study are to analyze the surface-atmosphere coupling mechanisms controlling the mean temperature and its diurnal cycle in the dry, humid and transitional zones. We show that thermal inertia plays a key role on the surface temperature in dry regions. The sensitivity of surface temperature to thermal inertia is high during the night but low during the day, impacting the mean surface temperature. We demonstrate that this effect is directly related to the instability of the planetary boundary layer, which is higher during the day compared to the night.Moreover, we emphasize the dual role of the solar forcing. The first one is to be the source of the diurnal contrast of the planetary boundary layer, which is the origin of the diurnal asymmetry of the surface temperature response to thermal inertia. The second one is to attenuate this effect, since the high asymmetry of the solar forcing foster the sensitivity of the day temperature compared to the night. In humid regions, we notice that the sensitivity of the surface temperature to thermal inertia is weak. This is due to the high values of the latent heat flux which controls the surface temperature. Nevertheless, we should point out that the thermal inertia may have an impact on the water budget at the surface, as it is the case in the Indian Monsoon region. In the transitional regions, we show that the relation between surface temperature and soil moisture is attenuated by about 20 to 50 % because of the dependency of the thermal inertia to soil water content. Hence, we suggest to integrated the effect of soil moisture on the thermal inertia in addition to its effect on evaporation

Le but de cette thèse est de montrer que les mécanismes de couplage entre la convection profonde et son environnement local, au travers des processus sous nuageux et de surface, affectent son déclenchement, et par là non seulement le cycle diurne mais aussi la variabilité inter-diurne de la convection nuageuse. L'analyse de ces couplages à travers le prisme l'équilibre radiatif convectif, d'une part, et leur meilleure représentation par l'introduction d'une paramétrisation stochastique du déclenchement, d'autre part, sont exclusivement menées au moyen du GCM unicolonne du LMD (LMDZ). L'Equilibre Radiatif Convectif (ERC) nous permet d'identifier le signature climatique de la nouvelle paramétrisation. On pose en premier la question de savoir quelle est la sensibilité de la convection profonde aux conditions de surface à l'équilibre. On travaille d'abord dans un cadre idéalisé en Equilibre Radiatif Convectif et sans couplage avec le rayonnement et le sol (les conditions de surface sont prescrites en température et en coefficient d'évapo-transpiration). Ce cas très simplifié nous permet d'évaluer comment évolue le poids relatif de chaque processus sous-maille selon le partitionnement entre flux sensible et flux latent. Ensuite on se place dans un cadre plus réaliste, avec un ERC continental comportant un cycle diurne, un rayonnement et une surface couplés à l'atmosphère, et enfin une hydrologie simplifiée. Une analyse de sensibilité de la convection continentale à l'humidité de surface menées dans le SCM (Single Column Model) et comparée avec des données satellites montre un bon accord entre l'ERC continental et les observations. On se penche ensuite sur les interactions entre la convection profonde et les processus sous-nuageux aux échelles de temps courtes: en particulier sur la problématique de la transition vers la convection profonde sur continents. D'aprés l'analyse statistique d'une simulation LES d'un cas de déclenchement d'orage isolé sur sol semi-aride (cas AMMA), on propose une formulation stochastique du déclenchement. Cette dernière est ensuite intégrée, sous la forme d'une paramétrisation, au GCM du LMD (LMDZ) puis testée au travers de cas d'études 1D variés, sa valeur ajoutée par rapport à l'ancienne paramétrisation est aussi discutée. Enfin cette nouvelle paramétrisation est analysée dans le cadre de l'ERC continental, et on y retrouve le même effet sur la variabilité intra-diurne et inter-diurne de la convection que celui diagnostiqué avec les cas réalistes 1D et le modèle 3D. L'ERC contiendrait donc l'empreinte climatique de cette nouvelle paramétrisation
The purpose of this thesis is to show that the coupling mechanisms between deep convection and its local environment, through processes in clouds and surface affect its onset, and thus not only the diurnal cycle but also inter-diurnal variability of convection cloud. The analysis of these couplings through the prism radiative convective equilibrium, on the one hand, and their best representation by the introduction of a parameterization of the triggering stochastic, on the other hand, are conducted exclusively through the LMD GCM unicolonne (LMDZ). Radiative Convective Equilibrium (ERC) allows us to identify the signing of the new climate parameterization. We put the first issue of which is the sensitivity of deep convection conditions surface at equilibrium. We first worked in an idealized convective and radiative equilibrium without coupling with the radiation and soil (surface conditions are prescribed temperature coefficient and evapotranspiration). This very simplified case allows us to assess how changing the relative weight of each subgrid process according to the partitioning between sensible flux and latent flux. Then we place ourselves in a more realistic, with a continental ERC with a diurnal cycle, radiation and a surface coupled to the atmosphere, and finally a simplified hydrology. A sensitivity analysis of convection in continental surface moisture carried in SCM (Single Column Model) and compared with satellite data shows good agreement between the ERC Continental and observations. It then examines the interactions between deep convection and processes sub-cloud to short time scales: in particular the problem of transition to deep convection over continents. According to the statistical analysis of a simulation LES of a case of isolated thunderstorm trigger on semi-arid land (if AMMA) we propose a stochastic formulation of the outbreak. The latter is then integrated in the form of a parameterization, the LMD GCM (LMDZ) and then tested through case studies of various 1D, its added value compared to the previous parameterization is also discussed. Finally this new parameterization is analyzed within the framework of the ERC Continental, and we find the same effect on the intra-day and inter-diurnal convection than diagnosed realistic case with 1D and 3D model. The ERC would then include the footprint of the new parameterization

Ce travail présente et évalue quelques développements méthodologiques de changement d’échelle dans la description des échanges d’eau et d’énergie à la surface des continents. L’étude est motivée par deux objectifs principaux : i) évaluer l’impact dans la modélisation des Transferts S ol-Végétation-Atmosphère (TSVA) de l’hétérogénéité des couverts végétaux et de la variabilité des caractéristiques de l’interface SVA, et ii) proposer des méthodes de transfert des formalismes et des paramètres de l’échelle locale vers l’échelle régionale. Dans un premier temps, nous avons cherché une représentation adéquate de l’hétérogénéité à très petite échelle de la couverture végétale. Les couverts épars sont souvent décrits au moyen de modèles TSVA « double-source » où le substrat et la végétation épigée sont couplés dynamiquement et organisés en deux couches superposées. Un indice de rugosité a été utilisé pour discriminer le taux d’éparsité à partir duquel une description « mosaïque », où substrat et végétation fonctionnent comme de simples sources juxtaposées horizontalement, devient nécessaire. Une Analyse Statistique a ensuite été conduite à l’échelle du paysage et à l’aide du modèle SiSPAT (Simple Soil Plant Atmosphere Transfer model) pour évaluer la sensibilité sur la saison puis l’année des diverses composantes du cycle de l’eau aux variations des paramètres de l’interface SVA. Quelques règles d’agrégation des paramètres pour relier les paramètres locaux à un paramètre « effectif » représentatif de la région ont été vérifiées ou invalidées par cette méthode. Pour régionaliser la représentation m ono-dimensionnelle verticale, les distributions spatiales déterministes et stochastiques du modèle SiSPAT ont enfin été développés puis testés pour un bassin versant Australien au relief peu contrasté. Pour s’affranchir de la complexité analytique du modèle SiSPAT lorsque l’on s’intéresse à la spatialisation des processus, un schéma analytique simple de type capacitif a été construit et partiellement évalué
This study presents and evaluates a few methodologies for scaling the water and energy balance processes at the surface of the continents. The main objectives are i) to evaluate the impact of partial surface vegetation cover and surface parameters variability on the Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer (SVAT) modelling and ii) to introduce some scaling methods to link the model formalism and parameters between the point scale and the regional scale ( upscaling). We first tried to find the appropriate representation of patchy vegetated surface functioning (small-scale heterogeneity). Partially vegetated surfaces are classically described by “dual source” SVAT models where standing vegetation and the underlying substrate are organised the one above the other. This proves to be unrealistic when large fractions of bare soil interact directly with the atmosphere. We investigated the threshold value of a roughness index for which the substrate and the vegetation have to be described as a “mosaic”, i. E. Side by side. On a larger scale, a Statistical Analysis has been performed to evaluate the impact of parameter variability on the seasonal and annual water balance for a medium size water catchment located in Australia. Aggregation rules aiming at deriving effective parameters representative of the regional scale have been verified or invalidated. Then the one-dimensional representation of the SiSPAT (Simple Soil Vegetation Atmosphere Transfer) SVAT model has been extended with the help of a stochastic and a deterministic distributions and compared with equivalent hydrological representations. As an alternative to the complexity of the SiSPAT SVAT model, a simple parameterisation of the main land surface processes has been developed and partially evaluated. This analytical scheme holds some promise for scaling applications

La nécessité d'effectuer des prévisions climatiques fiables renforce le besoin de représenter correctement notre système Terre dans les modèles de climat. Or, les interactions entre la surface continentale et l'atmosphère restent simplistes dans la plupart des modèles de circulation générale atmosphérique (MCGAs). L'objectif de cette thèse était ainsi de contribuer à la compréhension du rôle de la surface sur le climat des régions boréales, particulièrement sensibles aux changements climatiques, et sur leur sensibilité climatique. L'introduction dans le MCGA LMDz de deux caractéristiques des terres boréales, les sols gelés et les zones inondées (lacs et zones humides), a permis de quantifier leurs impacts respectifs sur différents climats (présent, Dernier Maximum Glaciaire, futur). Les émissions de méthane atmosphérique provenant des zones humides simulées par LMDz ont été estimées depuis le DMG. Le régime thermique des sols gelés a été examiné dans les récentes réanalyses européennes.

Les épisodes de sécheresse et de canicule qui frappent épisodiquement les régions tempérées ont des conséquences préjudiciables sur les plans sanitaire, économique, social et écologique. Afin de pouvoir enclencher des stratégies de préparation et de prévention avec quelques semaines ou mois d'anticipation, les attentes sociétales en matière de prévision sont élevées, et ce d'autant plus que les projections climatiques font craindre la multiplication de ces épisodes au cours du 21ème siècle. Néanmoins, la saison d'été est la plus difficile à prévoir aux moyennes latitudes. Les sources connues de prévisibilité sont plus ténues qu'en hiver et les systèmes de prévision climatique actuels peinent à représenter correctement les mécanismes de téléconnexion associés. Un nombre croissant d'études a mis en évidence un lien statistique dans certaines régions entre l'humidité du sol au printemps et les températures et précipitations de l'été qui suit. Ce lien a été partiellement confirmé dans des modèles numériques de climat mais de nombreuses interrogations subsistent. L'objectif de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle joué par l'humidité du sol sur les caractéristiques et la prévisibilité du climat de l'été dans les régions tempérées. Grâce notamment au modèle couplé de circulation générale CNRM-CM, nous avons mis en œuvre des ensembles de simulations numériques qui nous ont permis d'évaluer le degré de persistance des anomalies d'humidité du sol printanière. En effet, une longue persistance est une condition nécessaire pour que ces anomalies influencent le climat à l'échelle de la saison, via le processus d'évapotranspiration de la surface. En imposant dans notre modèle des conditions initiales et aux limitées idéalisées d'humidité du sol, nous avons mis en évidence des régions du globe pour lesquelles l'état moyen et la variabilité des températures et des précipitations en été sont particulièrement sensibles à ces conditions. C'est notamment le cas sur une grande partie de l'Europe et de l'Amérique du nord, y compris à des latitudes élevées. Pour toutes ces régions, l'humidité du sol est une source prometteuse de prévisibilité potentielle du climat à l'horizon saisonnier, bien que de fortes incertitudes demeurent localement sur le degré de persistance de ses anomalies. Une expérience de prévisibilité effective coordonnée avec plusieurs systèmes de prévision montre qu'une initialisation réaliste de l'humidité du sol améliore la prévision de températures estivales principalement dans le sud-est de l'Europe. Dans d'autres régions, comme l'Europe du Nord, le désaccord des modèles provient de l'incertitude sur la persistance des anomalies d'humidité du sol. En revanche, sur les Grandes Plaines américaines, aucun modèle n'améliore ses prévisions qui restent donc très médiocres. La littérature ainsi que nos évaluations de sensibilité du climat à l'humidité du sol ont pourtant identifié cette région comme un "hotspot" du couplage entre l'humidité du sol et l'atmosphère. Nous supposons que l'échec de ces prévisions est une conséquence des forts biais chauds et secs présents dans tous les modèles sur cette région en été, qui conduisent à un dessèchement excessif des sols. Pour le vérifier, nous avons développé une méthode qui corrige ces biais au cours de l'intégration des prévisions avec CNRM-CM6. Les prévisions qui en résultent sont nettement améliorées sur les Grandes Plaines. La compréhension de l'origine des biais continentaux en été et leur réduction dans les prochaines générations de modèles de climat sont des étapes essentielles pour tirer le meilleur parti de l'humidité du sol comme source de prévisibilité saisonnière dans les régions tempérées
Severe heat waves and droughts that episodically hit temperate regions have detrimental consequences on health, economy and society. The design and deployment of efficient preparedness strategies foster high expectations for the prediction of such events a few weeks or months ahead. Their likely increased frequency throughout the 21st century, as envisaged by climate projections, further emphasizes these expectations. Nevertheless, the summer season is the most difficult to predict over mid-latitudes. Well-known sources of predictability are weaker than in winter and current climate prediction systems struggle to adequately represent associated teleconnection mechanisms. An increasing number of studies have shown a statistical link over some regions between spring soil moisture and subsequent summer temperature and precipitation. This link has been partly confirmed in climate numerical models, but many questions remain. The purpose of this PhD thesis is to better understand the role played by soil moisture onthe characteristics and predictability of the summer climate in temperate regions. By means of the CNRM-CM coupled general circulation model, we have designed a range of numerical simulations which help us evaluate the persistence level of spring soil moisture anomalies. Indeed, a long persistence is a necessary condition for these anomalies to influence the climate at the seasonal scale, through the process of evapotranspiration. By imposing in our model idealized initial and boundary soil moisture conditions, we have highlighted areas of the globe for which the average state and the variability of temperatures and precipitation in summer is particularly sensitive to these conditions. This is the case in particular for Europe and North America, including over high latitudes. Soil moisture is therefore a promising source of potential seasonal climate predictability for these regions, although the persistence of soil moisture anomalies remains locally very uncertain. An effective predictability coordinated experiment, bringing together several prediction systems, shows that a realistic soil moisture initialization improves the forecast skill of summer temperatures mainly over southeast Europe. In other regions, such as Northern Europe, the disagreement between models comes from uncertainty about the persistence of soil moisture anomalies. On the other hand, over the American Great Plains, even the forecasts with improved soil moisture initialization remain unsuccessful. Yet, the literature as well as our assessment of climate sensitivity to soil moisture have identified this region as a "hotspot" of soil moisture - atmosphere coupling. We assume that the failure of these predictions relates to the strong hot and dry bias present in all models over this region in summer, which leads to excessive soil drying. To verify this assumption, we developed a method that corrects these biases during the forecast integration based on the CNRM-CM6 model. The resulting forecasts are significantly improved over the Great Plains. Understanding the origin of continental biases in the summer and reducing them in future generations of climate models are essential steps to making the most of soil moisture as a source of seasonal predictability in temperate regions

Malgré de nombreuses études, le lien de causalité entre vent et vagues fait toujours l’objet de controverses : cela est dû entre autres au caractère multi-échelle d'une surface océanique réaliste, et à la présence de déferlements, qui modifient radicalement sa topologie. Dans cette thèse, ces deux questions sont abordées sous un angle théorique, à travers un modèle phénoménologique, qui relie les propriétés spectrales et moyennées de la turbulence proche de paroi en utilisant la géométrie de tourbillons attachés à celle-ci. La première partie de la thèse revisite ce modèle phénoménologique en questionnant ses hypothèses sous-jacentes et révèle, en particulier, des incohérences dans les modèles utilisés pour décrire le terme de redistribution d'énergie entre composantes turbulentes (modèle de Rotta). Le modèle phénoménologique est ensuite utilisé pour étudier le couplage entre vagues de vent longues (de l'ordre de 10m) et turbulence. Les résultats démontrent que la déformation des tourbillons attachés induite par cette interaction pourrait expliquer une partie de la variabilité des flux de quantité de mouvement à un vent moyen donné. Finalement, le couplage entre la turbulence et les vagues courtes et déferlantes est abordé en définissant une sous-couche rugueuse dans laquelle les propriétés des tourbillons attachés sont définies par la vitesse des fronts déferlants dominants pour un vent donné. Ces deux études posent les bases d'un nouveau paradigme, permettant d'étudier le couplage multi-échelle entre le spectre turbulent et le spectre des vagues. Celui-ci pourrait permettre de mieux prendre en compte l'influence de paramètres environnementaux sur les flux de quantité de mouvement et de chaleur. Il ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour les études théoriques et pour l’exploration des données expérimentales
Despite numerous works, the causal link between wind and waves is still a controversial subject. This is due, among others, to the multi-scale nature of a realistic ocean surface and to wave breaking, which changes its topology. In this thesis, such problems are studied from a theoretical perspective, using a phenomenological model linking the spectral and averaged properties of wall-bounded turbulence through the geometry attached eddies.The first part of the thesis revisits this phenomenological model by questioning its underlying assumptions and, in particular, reveals inconsistencies in the models used for the energy redistribution between turbulence components (the Rotta model). The phenomenological model is then used to study the coupling between long wind-waves (of order 10m) and turbulence. Results indicate that the deformation of attached eddies, induced by this interaction, could explain some of the variability in momentum fluxes for a given mean wind. Finally, the study of the coupling between turbulence and short breaking waves is approached by defining a roughness sublayer, in which the properties of the attached eddies depend solely on the speed of the dominant breaking fronts for a given wind. These two studies from the basis of a new paradigm to study the multi-scale coupling between the turbulent and wave spectra. This would allow accounting for the influence of environmental parameters on momentum and heat fluxes, and opens new paths both from a theoretical perspective and for the analysis of experimental data

Cette thèse analyse (i) la variabilité pluviométrique contemporaine en Nouvelle-Calédonie et ses téléconnexions avec les températures de surface océanique (TSO) du Pacifique tropical et (ii) l'impact des anomalies atmosphériques sur l'activité des incendies estimés par satellites. La Nouvelle-Calédonie figure aujourd'hui parmi les 34 " points chauds " de la biodiversité à l'échelle planétaire. A ce titre, l'un de nos objectifs est de construire un modèle permettant de prévoir l'intensité de la saison des feux entre septembre et décembre, qui correspond au maximum annuel. Le croisement de trois bases de données de feux détectés par satellites (MODIS, ATSR et LANDSAT) avec le réseau des stations météorologiques de Météo-France a montré qu'aucune anomalie thermique significative n'est détectée avant un feu, tandis que de forts déficits pluviométriques par rapport à la normale sont enregistrés jusqu'à trois mois avant le départ des feux. Ces déficits pluviométriques sont partiellement liés aux phases chaudes du phénomène El Niño Southern Oscillation (ENSO) et plus particulièrement à celles durant lesquelles les anomalies thermiques se situent à proximité de la ligne de changement de date équatoriale lors du printemps austral. Ces anomalies renforcent la circulation moyenne de Hadley (via le dégagement de chaleur latente dans la moyenne et haute troposphère) et la subsidence au niveau des latitudes néo-calédoniennes, tandis que les épisodes les plus intenses du siècle dernier (i.e. 1982-83 et 1997-98) dont les anomalies thermiques les plus importantes sont localisées dans le Pacifique oriental, sont associés à des conditions pluviométriques proches de la normale dans le Pacifique sud-ouest (SW). La téléconnexion entre les TSO du Pacifique central et les précipitations du Pacifique SW s'affaiblit à partir du mois de décembre au moment où l'ENSO atteint, paradoxalement, son intensité maximale. Cette modulation saisonnière est le produit d'une interaction entre (i) le cycle saisonnier des TSO brutes dans le Pacifique central, (ii) le cycle de vie des anomalies thermiques des épisodes chauds et (iii) l'intensité du gradient zonal des TSO le long de l'équateur. Par ailleurs, la convection profonde semble particulièrement sensible à la propagation vers l'est des anomalies de TSO faibles-à-modérées au niveau de la ligne de changement de date équatoriale (soit légèrement à l'ouest de la boîte Niño 3.4), modifiant significativement la position et l'intensité de la courroie de transmission des téléconnexions. Une analyse en ondelettes montre que les pluies néo-calédoniennes sont également sensibles à des modes de variations plus lents (> 8 ans) du Pacifique central entre septembre et novembre. La synchronisation entre la saisonnalité des feux et la prévisibilité saisonnière liée à l'ENSO permet d'estimer la surface brûlée totale en septembre-décembre à partir des états thermiques de l'océan Pacifique en juin-août, dont la polarité est clairement établie plusieurs mois à l'avance. La corrélation entre l'observation et la simulation du logarithme du total des surfaces brûlées en Nouvelle-Calédonie est de 0.87 sur la période 2000-2010 selon un modèle linéaire en validation croisée.

L'océan est le siège de mouvements complexes à toutes échelles spatiales et temporelles. Au sein d'une circulation moyenne et globale existe une circulation secondaire peuplée de fronts, de méandres, de jets étroits, de tourbillons, que l'on nomme circulation à mésoéchelle. L'observation spatiale permet une description et une évaluation synoptique de cette dynamique à mésoéchelle au moyen de l'altimétrie et la diffusiométrie. Cette évaluation a été le premier objectif de cette thèse et a permis de développer un produit distribué à la communauté scientifique internationale : le produit GEKCO. Cependant la description des processus submésoéchelle à plus fine résolution nécessite l'utilisation de données à super-résolution (couleur de l'eau, température de surface) qui ont la possibilité de représenter toute la complexité d'un océan en régime de turbulence pleinement développée. Une méthode à la croisée de l'océanographie physique et de la "science de la complexité" utilisant la formulation microcanonique de la cascade multiplicative, le produit GEKCO et des images de température de la mer, a fait l'objet de la seconde partie de ce manuscrit. La dynamique océanique étant la clef de voûte de tout le monde marin du vivant, la dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'impact de la circulation à mésoéchelle et à submésoéchelle sur la chaîne trophique marine en se focalisant sur ses deux extrémités. L'étude de la circulation à submésoéchelle a permis de montrer qu'elle joue un rôle prépondérant pour la biomasse marine ; un rôle d'activateur en océan ouvert et un rôle d'inhibiteur dans les systèmes d'upwelling de bord Est. Différentes études sur les trajets de prédateurs marins supérieurs ont démontré la nécessité de prendre en compte la dynamique océanique pour interpréter leur comportement de navigation.

The coastal ocean is a dynamic region where the rivers, estuaries, ocean, land, and the atmosphere interact (Walsh, 1988; Mantoura et al., 1991; Alongi, 1998; Wollast, 1998). Coastlines extend over an estimated 350,000 km worldwide, and the coastal ocean, typically defined as a region that extends from the high water mark to the shelf break (figure 16.1; Alongi, 1998), covers approximately 7% (26 × 106 km2) of the surface global ocean (Gattuso et al., 1998). Although relatively small in area, this highly productive region (30% of the total net oceanic productivity) supports as much as 90% of the global fish catch (Holligan, 1992). In recent years, the coastal ocean has been recognized for its global importance with both national and international programs such as the Land–Ocean Interactions in the Coastal Zone (LOICZ) program, a subprogram of the International Global Change Program (IGBP) started in 1993 (Pernetta and Milliman, 1995), the European Union coastal core project (European Land–Ocean Interaction Studies, ELOISE) (Cadée et al., 1994), and in the U.S. Shelf Edge Exchange Processes Program (SEEP I and SEEP II) (Walsh et al., 1988; Anderson et al., 1994), the Coastal Ocean Processes (CoOP) program, Ocean Margins Program (OMP), and Land–Margin Ecosystem Research (LMER), to name a few. SEEP I and SEEP II were designed to test the Walsh et al. (1985) hypothesis that increased anthropogenic nutrient supply to the coastal ocean would result in enhanced burial of organic matter in continental margins due to higher offshore export of new productivity in the nearshore waters. While the hypothesis of offshore transport and burial was shown to be valid along certain regions of the eastern U.S. coast, other regions showed a more along-shelf transport (Walsh, 1994). More recent work in the OMP, which revisited some of the objectives of SEEP I and SEEP II, found that the accumulation of organic matter in upper slope sediments was only <1% of the total primary production in the entire continental margin of North Carolina (DeMaster et al., 2002). There are many factors that will ultimately determine if and how much nearshore production is exported offshore from the coastal ocean.

The hydrologic cycle has received considerable attention in recent years with particular interest in the dynamics of land–atmosphere exchanges as it relates to global climate change and the need for more accurate numbers in global circulation models (GCMs). Recent advance in remote sensing and operational weather forecasts have significantly improved the ability to monitor the hydrologic cycle over broad regions (Vörösmarty and Peterson, 2000). The application of hydrologic models in understanding interactions between the watersheds and estuaries is critical when examining seasonal changes in the biogeochemical cycles of estuaries. Water is the most abundant substance on the Earth’s surface with liquid water covering approximately 70% of the Earth. Most of the water (96%) in the reservoir on the Earth’s surface is in the global ocean. The remaining water, predominantly stored in the form of ice in polar regions, is distributed throughout the continents and atmosphere—estuaries represent a very small fraction of this total reservoir as a subcomponent of rivers. Water is moving continuously through these reservoirs. For example, there is a greater amount of evaporation than precipitation over the oceans; this imbalance is compensated by inputs from continental runoff. The most prolific surface runoff to the oceans is from rivers which discharge approximately 37,500 km3 y−1 (Shiklomanov and Sokolov, 1983). The 10 most significant rivers, in rank of water discharge, account for approximately 30% of the total discharge to the oceans (Milliman and Meade, 1983; Meade, 1996). The most significant source of evaporation to the global hydrologic cycle occurs over the oceans; this occurs nonuniformly and is well correlated with latitudinal gradients of incident radiation and temperature. The flow of water from the atmosphere to the ocean and continents occurs in the form of rain, snow, and ice. Average turnover times of water in these reservoirs can range from 2640 y in the oceans to 8.2 d (days) in the atmosphere (Henshaw et al., 2000; table 3.1). The aqueous constituents of organic materials, such as overall biomass, have an even shorter turnover time (5.3 d). These differences in turnover rate are critical in controlling rates of biogeochemical processes in aquatic systems.

Regional variations in South America’s weather and climate reflect the atmospheric circulation over the continent and adjacent oceans, involving mean climatic conditions and regular cycles, as well as their variability on timescales ranging from less than a few months to longer than a year. Rather than surveying mean climatic conditions and variability over different parts of South America, as provided by Schwerdtfeger and Landsberg (1976) and Hobbs et al. (1998), this chapter presents a physical understanding of the atmospheric phenomena and precipitation patterns that explain the continent’s weather and climate. These atmospheric phenomena are strongly affected by the topographic features and vegetation patterns over the continent, as well as by the slowly varying boundary conditions provided by the adjacent oceans. The diverse patterns of weather, climate, and climatic variability over South America, including tropical, subtropical, and midlatitude features, arise from the long meridional span of the continent, from north of the equator south to 55°S. The Andes cordillera, running continuously along the west coast of the continent, reaches elevations in excess of 4 km from the equator to about 40°S and, therefore, represents a formidable obstacle for tropospheric flow. As shown later, the Andes not only acts as a “climatic wall” with dry conditions to the west and moist conditions to the east in the subtropics (the pattern is reversed in midlatitudes), but it also fosters tropical-extratropical interactions, especially along its eastern side. The Brazilian plateau also tends to block the low-level circulation over subtropical South America. Another important feature is the large area of continental landmass at low latitudes (10°N–20°S), conducive to the development of intense convective activity that supports the world’s largest rain forest in the Amazon basin. The El Niño–Southern Oscillation phenomenon, rooted in the ocean-atmosphere system of the tropical Pacific, has a direct strong influence over most of tropical and subtropical South America. Similarly, sea surface temperature anomalies over the Atlantic Ocean have a profound impact on the climate and weather along the eastern coast of the continent. In this section we describe the long-term annual and monthly mean fields of several meteorological variables.