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Carbon dioxide is the largest anthropogenic contributor to global warming and atmospheric concentrations have rapidly increased since the start of the industrial revolution. Networks of surface in-situ carbon dioxide sensors provide precise and accurate measurements of the global carbon dioxide concentration, including large scale temporal, seasonal and latitudinal variations. However, these observations are too sparse to allow the establishment of sub-continental carbon budgets, limiting the accuracy of climate change projections and the ability to mitigate future levels of atmospheric carbon dioxide. Satellite observations can provide data with dense spatial and temporal coverage over regions poorly sampled by surface networks. Specifically, observations in the shortwave infrared region are well suited for constraining carbon fluxes as they can provide total column carbon dioxide with high sensitivity to the source and sink locations at the surface. The first dedicated greenhouse gases sensor, the Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT), was launched in January 2009 by the Japanese Aerospace eXploration Agency (JAXA) and has successfully started to acquire global observations of greenhouse gases, including carbon dioxide. The University of Leicester Full Physics (UOL-FP) retrieval algorithm has been designed to estimate total column carbon dioxide from GOSAT shortwave infrared observations. The initial results were compared to coincident ground based measurements for a number of locations and compared on a global scale to a model. This showed an accuracy and precison that should provide improved surface flux estimates. Additionally, a bias correction scheme was developed that reduced observed geographical biases, allowing surface flux uncertainties to be potentially reduced further. To further develop the UOL-FP retrieval algorithm, a simulator capable of creating realistic GOSAT observations was built, allowing the investigation of different retrieval algorithm modifications, which may lead to reduced source and sink flux uncertainties and therefore aid future climate change forecasts.

Ces dernières années, de nombreuses études ont mis en évidence que le cycle de vie et le comportement des organismes sont en train de changer en réponse au réchauffement climatique. Le modèle d’étude des oiseaux apparaît être un excellent témoin de ces changements et présente l’avantage d’être particulièrement bien documenté, grâce notamment à l’existence de séries de données biologiques sur de longues périodes. Parmi ces séries, celles recueillies sur les sites de suivi de la migration active sont particulièrement appropriées pour détecter les changements phénologiques et la tendance populationnelle des oiseaux migrateurs sur le long terme, et n’ont jusque là que très peu été considérées. Au cours de cette thèse, après avoir réalisé un inventaire exhaustif des sites de suivi de la migration active en France, nous avons déterminé les critères d’exploitabilité de ces données et les méthodes adaptées à leur utilisation. En analysant ces données, il a été mis en évidence chez les migrateurs courte-distance un allongement du temps de présence sur les sites de reproduction ainsi qu’un raccourcissement des distances de migration, laissant supposer une tendance à la sédentarisation à proximité des sites de reproduction. De plus, nous avons montré que ces changements du comportement migratoire ne s’opèrent pas systématiquement de façon linéaire, progressive, mais souvent de façon abrupte, soudaine, et synchrone (e.g. circa 1995). Une telle modification est à la fois la cause et la conséquence d’une réorganisation dynamique des écosystèmes qui opère notamment au travers des réseaux trophiques, témoignant d’une réponse à grande échelle des écosystèmes face au changement climatique. / In recent years, a number of studies have highlighted that the life cycle and behaviour of organisms are changing as a result of global warming. Birds appear to be suitable models to detect these changes because this taxonomic group is particularly well documented, with a large amount of biological datasets available over long periods. Among them, those collected at migration watchsites are particularly valuable to detect long term phenological changes and population trends of migratory birds, but these data have been poorly considered so far. In this thesis, an exhaustive inventory of monitoring watchsites in France is first performed; we then determined the minimum requirements to use such heterogeneous datasets in order to reliably estimate changes in bird phenology and population. We showed that short-distance migrants have lengthened their breeding area residence time and have shortened their migration distances. It suggests that these birds may become resident close to their breeding sites. In addition, we demonstrated that these changes in migratory behaviour do not always occur linearly or gradually, but often abruptly, suddenly, and in a synchronous way (e.g. circa 1995). Such changes are both the cause and the consequence of a dynamical reorganization of ecosystems identified through food webs, indicating a large-scale response of ecosystems to climate change.

Coastal fishermen and whalers on the island of Qeqertarsuaq in Disko Bay, west Greenland, rely on the harvest of marine resources for the continuation of subsistence livelihoods. Over the years, however, Qeqertarsuarmiut have witnessed increasingly stringent whaling quotas and, more recently, a global crisis-narrative about climate change which ignores the reality of coastal livelihoods in the Arctic. In popular debates about whaling, aboriginal subsistence whalers (ASWs) are generally portrayed as 'uncivilised' while the climate crisis-narrative features arctic coastal dwellers as somehow more 'exposed' or 'vulnerable' to environmental fluctuations than the rest of the world. Qeqertarsuarmiut tell a different story about their relationship and ways of engaging with non-human persons (such as winds, sea ice and marine mammals) as these are encountered in the course of seasonal harvesting efforts along the coast and wider bay waters. So while ecological fluctuations have certainly been observed, interactions with a familiar coastal environment continue to foster a relationship that presupposes a sense of patience and flexibility towards shifting sea ice conditions, local weather vagaries and the moods of non- human persons and forces. Coastal dwellers attentiveness towards the liveliness of fiords, mulls and inlets is anchored in stories about both previous encounters, and contemporary experiences, with wilful environmental agents, which reflect an enduring ontology of openness towards the sea. The chapter argues that coastal - as opposed to crisis - narratives about Qeqertarsuarmiut seascape making reflect the complexities of arctic livelihoods in ways that conflict with imposed whaling regulations and the otherwise dominant vocabulary of risk associated with climate change in the Arctic today.

Klimawandel und Luftverschmutzung stellen zwei der größten Herausforderungen zum Schutz der Ökosysteme und zum Erhalt der biologischen Vielfalt dar. Zur Bewertung der Auswirkungen im polnisch-sächsischen Grenzraum dient das Konzept der ökologischen Belastungsgrenzen – Critical Loads (CL) genannt. CL beschreiben Grenzwerte für luftgetragene Schadstoffeinträge (Stickstoff und Schwefel), bei deren Einhaltung keine schädigenden Wirkungen auf empfindliche Ökosysteme zu erwarten sind. Der Bericht dokumentiert die für verschiedene Ökosystemtypen in Abhängigkeit von Klima- und Depositionsänderungen ermittelten CL sowie deren Überschreitung. Während die Belastungssituation durch versauernd wirkende Stoffeinträge zu vernachlässigen ist, stellt die Eutrophierung aufgrund von Stickstoffeinträgen ein hohes Risiko für die Ökosysteme dar. Maßnahmen zur Luftreinhaltung der letzten Jahrzehnte bewirken, dass der Anteil von Ökosystemen zunimmt, in denen CL eingehalten werden. Dem gegenüber erhöht sich allerdings die Empfindlichkeit der Ökosysteme hinsichtlich Eutrophierung durch die prognostizierten klimatischen Änderungen deutlich.

Der Einfluss des Klimawandels auf die Biodiversität wird wahrscheinlich zunehmen. Das zeigen Modellierungen der zukünftigen Verbreitungsgebiete von klimasensitiven Arten und Biotoptypen. In der Broschüre werden die Grundlagen eines Monitoringkonzeptes zur Erfassung und Auswertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die natürliche biologische Vielfalt in Sachsen vorgestellt. Sie umfassen u. a. die Ziele und Rechtsgrundlagen eines solchen Monitorings, diesbezügliche Aktivitäten des Bundes und ausgewählter Bundesländer sowie den Kenntnisstand zu Wirkungen des Klimawandels auf 13 Artengruppen und auf Biotoptypen. 272 klimasensitive Arten und 32 entsprechende FFH-Lebensraumtypen (LRT) wurden als besonders monitoringrelevant ausgewählt und deren Verbreitung in Sachsen untersucht. Für diese Arten und LRT, die sowohl wahrscheinliche »Gewinner« als auch »Verlierer« des Klimawandels umfassen, werden die geeigneten Monitoringmethoden beschrieben.

Die im Heft 24 der Schriftenreihe präsentierten Grundlagen werden im vorliegenden Heft 25 zu einer Konzeption vervollständigt. Teilbereiche der folgenden bestehenden Monitoringprogramme sind für eine Einbeziehung in das konzipierte Monitoring Klimawandel und Biodiversität besonders geeignet: FFH-, SPA-, Tagfalter-, Brutvogel- und Wasserrahmenrichtlinien-Monitoring sowie Forstliches Umweltmonitoring. Es werden acht Module vorgestellt, welche bestehende Monitoringprogramme für ein umfassendes Klimawandel-Biodiversitätsmonitoring ergänzen bzw. bisher nicht untersuchte Aspekte abdecken können. Für die Auswertung der Daten wurden zwei komplexe Kernindikatoren entwickelt und anhand realer Datensets getestet, der Community Temperature Index (CTI) und der Areal Index (AI). Beide zeigen für die Artengruppen der Tagfalter und Libellen innerhalb Sachsens einen Anstieg, der unterstreicht, dass die Erhöhung der Jahresmitteltemperaturen in den letzten Jahrzehnten bereits zu Veränderungen in diesen Artengemeinschaften geführt hat.

La réponse des arbres à l'augmentation des sécheresses liées au réchauffement climatique dépend de leur capacité d'adaptation, c’est-à-dire de la variation génétique et de l’héritabilité de caractères adaptatifs impliqués dans la résistance à la sécheresse. Dans le chapitre I, nous identifions des proxys facilement mesurables de caractères adaptatifs impliqués dans la résistance à la sécheresse en comparant la microdensité du bois d’individus morts et survivants après la sécheresse de 2003. Les variables les plus discriminantes sont les densités moyennes de segments de haute et basse densité, la proportion du segment de haute densité et le coefficient de variation du segment de haute densité. Les arbres survivants ont toujours une densité plus élevée et des profils généralement plus hétérogènes. Si ces traits sont suffisamment variables génétiquement et héritables, alors il est possible de sélectionner des arbres plus résistants à la sécheresse dans les populations d'amélioration et dans les peuplements forestiers destinés à être régénérées naturellement. Nos résultats suggèrent qu’une sélection naturelle directionnelle pour la densité du bois du douglas se produit dans des environnements plus ou moins limités en eau. Cette sélection agit dans des directions différentes selon les caractéristiques des pressions de sélections subies dans les régions étudiées. Dans le chapitre II, nous évaluons le potentiel d’adaptation à la sécheresse du douglas introduit en France. Ce potentiel d’adaptation dépend de la variation génétique et de l'héritabilité des caractères adaptatifs mis en évidence dans le chapitre I. Nous trouvons une grande variabilité des estimations d’héritabilité et d’AGCV entre variables, provenances, sites et, dans une faible mesure, entre cernes annuels. La plupart des variables possèdent des héritabilités élevées à assez élevées au moins pour certaines provenances dans certains sites. Certaines variables tendent à avoir des héritabilités et AGCV généralement plus élevées : ce sont plutôt des variables de la partie de faible densité du cerne. Certaines variables de résistance à la sécheresse possèdent à la fois une héritabilité et une AGCV élevées : ce sont de bons critères de sélection pour la résistance à la sécheresse en amélioration génétique ou en régénération naturelle. Les estimations différentes entre sites suggèrent que les estimations d’héritabilités augmentent avec le caractère favorable du milieu. Les estimations sont significativement différentes entre provenances, avec de forts effets d’interaction avec les sites. En revanche il y a peu ou pas de différences significatives entre cernes. Dans le chapitre III, nous avons tenu compte de la variation associée aux cernes de croissance pour étudier les relations entre les estimations annuelles de paramètres génétiques et des variables climatiques et édaphiques. Les estimations d'héritabilité et de variation génétique de la plupart des variables de microdensité sont corrélées significativement avec la plupart des variables environnementales testées. De rares variables n’ont montré aucune corrélation significative dans aucun cas. Les caractéristiques des relations significatives sont variables entre les caractères, les sites et les provenances. Les prédicteurs climatiques les plus importants sont la température, l'évapotranspiration, la réserve en eau du sol et le déficit en eau. Les précipitations affectent peu l´estimation des paramètres génétiques. De façon générale, meilleures sont les conditions de croissance, plus élevées sont les estimations. Toutes les composantes des essais expérimentaux modifient les estimations des paramètres génétiques. Certaines peuvent être fortement déterminées par le choix du matériel végétal et du site. D'autres, comme la variation climatique temporelle, sont moins contrôlées et peuvent affecter de façon plus ou moins aléatoire les estimations. / Forest response to the drought increase associated to the climatic warming relies on tree adaptive potential, i.e. the genetic variation and the heritability of adaptive traits involved in resistance to drought. In the first chapter, we identify easy-to-measure proxies of adaptive traits for resistance to drought. We compare the wood microdensity of dead and surviving trees after the 2003 heat wave in France. The most discriminating variables are the mean density of high and lowdensity segments, high-density proportion and coefficient of variation of the lowdensity segment. The wood of the surviving trees is always denser and more heterogeneous. If these adaptive traits are variable and heritable, then it is possible to select for improved resistance to drought in the breeding population as well as in natural regeneration. Our results also suggest that directional selection is going on in more or less water-stressed environments. The direction is variable according to the nature of the selection pressure in the different regions. In the Chapter II, we estimate the evolutionary potential to drought of the introduced Douglas-fir in France. This evolutionary potential relies on the magnitude of the genetic variation and of the heritability of the adaptive traits found in the first chapter. The heritability and the genetic variation are highly variable between provenances, sites and, to a much lower extent, between annual rings. Most variables have moderate to high heritability estimates for at least some provenances in some sites. Some traits tend to have generally higher heritability and genetic variation estimates. These are mostly variables of the density part of the annual ring. The variables having at the same time relatively high estimates of heritability and genetic variation are good candidates for becoming efficient selection traits for resistance to drought in tree breeding as well as in natural regeneration. The significant between-site variation suggests that the heritability estimates increase with site quality. The estimates are also significantly different between provenances with a strong provenance × site interaction. Conversely there is little significant between annual-ring variation. The chapter III takes advantage of the annual-ring variation to study the relationships between the genetic parameter estimates and climatic and soil variables. The heritability and genetic variation estimates of most variables significantly relates with most tested environmental variables. Very few variables never correlates with any environmental variable. The significant relationships are very variable between traits, provenances and sites. The most important predictors are temperature, evapotranspiration, and soil water reserve and water deficit. Rainfall marginally influences the genetic parameter estimates. Generally, the better the growing conditions, the higher the estimates. All components of the experimental trials affect the genetic parameters estimates. Thus, the choice of the plant material and of the experimental site strongly determines the genetic parameter estimates. The uncontrolled climatic variation may randomly affect the estimates.

Der Einfluss des Klimawandels auf die Biodiversität wird wahrscheinlich zunehmen. Das zeigen Modellierungen der zukünftigen Verbreitungsgebiete von klimasensitiven Arten und Biotoptypen. In der Broschüre werden die Grundlagen eines Monitoringkonzeptes zur Erfassung und Auswertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die natürliche biologische Vielfalt in Sachsen vorgestellt. Sie umfassen u. a. die Ziele und Rechtsgrundlagen eines solchen Monitorings, diesbezügliche Aktivitäten des Bundes und ausgewählter Bundesländer sowie den Kenntnisstand zu Wirkungen des Klimawandels auf 13 Artengruppen und auf Biotoptypen. 272 klimasensitive Arten und 32 entsprechende FFH-Lebensraumtypen (LRT) wurden als besonders monitoringrelevant ausgewählt und deren Verbreitung in Sachsen untersucht. Für diese Arten und LRT, die sowohl wahrscheinliche »Gewinner« als auch »Verlierer« des Klimawandels umfassen, werden die geeigneten Monitoringmethoden beschrieben.

Die im Heft 24 der Schriftenreihe präsentierten Grundlagen werden im vorliegenden Heft 25 zu einer Konzeption vervollständigt. Teilbereiche der folgenden bestehenden Monitoringprogramme sind für eine Einbeziehung in das konzipierte Monitoring Klimawandel und Biodiversität besonders geeignet: FFH-, SPA-, Tagfalter-, Brutvogel- und Wasserrahmenrichtlinien-Monitoring sowie Forstliches Umweltmonitoring. Es werden acht Module vorgestellt, welche bestehende Monitoringprogramme für ein umfassendes Klimawandel-Biodiversitätsmonitoring ergänzen bzw. bisher nicht untersuchte Aspekte abdecken können. Für die Auswertung der Daten wurden zwei komplexe Kernindikatoren entwickelt und anhand realer Datensets getestet, der Community Temperature Index (CTI) und der Areal Index (AI). Beide zeigen für die Artengruppen der Tagfalter und Libellen innerhalb Sachsens einen Anstieg, der unterstreicht, dass die Erhöhung der Jahresmitteltemperaturen in den letzten Jahrzehnten bereits zu Veränderungen in diesen Artengemeinschaften geführt hat.