La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières / The intraseasonal variability of the West African Monsoon is associated with persistent dry and wet periods over the Sahel, whose consequences can be dramatic for local populations. Its understanding, modelling and forecast still pose a challenge to the scientific community, notably because it involves a large number of space and timescales. The present study elaborates a few answers to these issues. The Saharan heat low is one of the major actors of the African monsoon. The characterization of its intraseasonal variability revealed the existence of interaction between the tropics and the extratropics, at the 15-day timescale. As it propagates eastward above the Atlantic and the Mediterranean, a Rossby wave train modulates the heat low ventilations, and thus its structure. Anomalous circulation, as well as temperature and humidity anomalies, can be induced over the Sahel, and lead to intraseasonal modulations of convection, especially to those, which originate from the Eastern Sahel, and which, then, propagate westward. Current state-of-the-art (CMIP3) climate models still have significant problems and display a wide range of skill in simulating the West African monsoon mean state and intraseasonal variability. The high frequency variability is particularly difficult to capture. However, the account for processes, which inhibit convection development, may be expected to be an important step in the improvement of the monsoon modelling and the forecast of its intraseasonal fluctuations

This study investigated the impact of changing climate and growing population on water supply and demand in one of the most rapidly growing cities in the semi-arid regions of western US, Las Vegas Valley (LVV), Nevada. Future scenarios of supply and demand using climate and hydrological models of Coupled Model Intercomparison Project phase 3 (CMIP3) and a more recent CMIP5 have been evaluated and a comparison of their results has been made. A system dynamics model for LVV was developed with a period of study from 1989 to 2049. For the study area, climate and hydrological data projections for the future period (2013-2049) were obtained from the outputs of 16 Global Climate Models (GCMs) of CMIP3 model ensemble with 3 emission scenarios and that from 37 GCMs of CMIP5 model ensemble with 4 Representative concentration pathways. Population growth forecast by Center for Business and Economic Research (CBER) and prevalent conservation practices by Southern Nevada Water Authority (SNWA) were used for the model. The water availability scenario in the future for LVV in the form of Lake Mead elevation was assessed and the water demand was also predicted. This study found that mean lake elevation for the future period (2013-2049) can go as low as 21.8% lesser than that for the historical period (1989-2012). 59 of 97 projections of CMIP5 models against 27 of 48 projections of CMIP3 models indicated that the future mean lake elevation would be lower than the historical mean. Demand forecasts showed Southern Nevada Water Authority conservation goal for 2035 could be met under prevalent conservation practices. This study can be very useful for the water managers and planners to predict the future water budget, plan accordingly, and make decisions to achieve water sustainability. This study has been performed as a part of the Thriving Earth Exchange (TEX) program to assess the current vulnerability of LVV to drought, and the impact on supply and demand of water resources for the future climate scenarios.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第12875号 / 論工博第4109号 / 新制||工||1611(附属図書館) / 31593 / (主査)教授 堀 智晴, 教授 角 哲也, 教授 中北 英一 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Sur les effets du changement climatique aux échelles globale et régionale. Il montre en particulierqu’aucun consensus ne peut être trouvé pour ce qui concerne l’évolution future de lapluviométrie — et de la dynamique atmosphérique associée — en région de mousson africaine.Ce mémoire revisite cette question à la lumière des nouvelles données disponibles et selon uneapproche évitant toute surreprésentation du nombre de simulations disponibles pour un type demodèle donné, tout en prenant en compte la diversité des modèles ainsi que leur évolution dansle temps : sorties de vingt modèles de circulation générale (MCGs) ayant participé aux exercicesCMIP3 (douze MCGs) et CMIP5 (huit MCGs) sous les scénarios d’émissions A1B et rcp4.5,respectivement. Les sorties sont analysées principalement sur deux fenêtres de quarante ans —périodes actuelle (1960-1999) et future (2031-2070) — et les résultats discutés au regard de leurvraisemblance selon une approche permettant à la fois de quantifier les différences futur moinsactuel, de mesurer les significativités et les robustesses statistiques et d’associer une probabilitémesurant le consensus des modèles en fonction des échelles et des variables considérées.Les analyses menées sur CMIP3 et CMIP5 montrent qu’un consensus sur l’effet du changementclimatique en Afrique de l’Ouest peut être obtenu si l’on ne fait pas de l’ensemble de labande sahélienne une entité homogène et qu’on raisonne à des échelles spatiales inférieures. Lesrésultats révèlent une évolution contrastée entre le centre et l’ouest du Sahel avec, pour le futur(i) une hausse des précipitations au centre s’expliquant surtout par une plus grande convergencedes flux dans les basses couches, ainsi qu’une pénétration plus au nord de la mousson ;(ii) une baisse des précipitations à l’ouest s’expliquant par le renforcement de la circulation detype Walker, du Jet d’Est Africain (JEA) et de la subsidence dans les couches moyennes. Parailleurs, on peut s’attendre à une modification du cycle annuel moyen avec un retrait retardé dela mousson. Ce retard est notamment lié aux apports supplémentaires d’humidité depuis l’Atlantique,dus au renforcement des contrastes thermiques et d’humidité entre océan et continent,mais aussi et surtout aux apports tardifs d’humidité depuis la Méditerranée et au renforcementdes flux de nord en septembre et octobre en direction du Sahel / The fourth IPCC report in 2007 established the synthesis of previously published work onthe effects of climate change on global and regional scales. It shows in particular that no consensuscan be found with regard to the future of rainfall — and atmospheric dynamics- associatedwith region — African monsoon. This dissertation revisits this issue in the light of new dataand using an approach avoiding over-representation of the number of simulations available forone type of model and taking into account the diversity of models and their evolution in time :twenty general circulation models (GCMs) participating in the exercises CMIP3 (twelve GCMs)and CMIP5 (eight GCMs) under the A1B emissions scenario and rcp4.5, respectively. Outputsare analyzed on two 40-year periods, — ‘Present’ (1960-1999) and ‘Future’ (2031-2070) — anddiscussed in terms of likelihood, through an approach allowing us to both quantify differences‘future’ minus ‘present’, measure robustness and statistical significances and associate a probabilitymeasuring the model consensus as a function of scales and variables.Analyzes conducted on CMIP3 and CMIP5 show that consensus on the effect of climatechange in West Africa can be achieved if we do not consider the Sahel as a whole and homogeneousentity but at lower scales. The results show contrasted responses over the centraland western Sahel, with for the future, (i) an increase in precipitation in the central regionexplained primarily by a greater convergence of flow in the lower layers and a most northerlymonsoon penetration over the continent, (ii) a rainfall decrease in the western Sahel explainedby increased Walker-type circulation, African easterly jet and mid-level subsidence. Moreover,we can expect a change in the mean annual cycle of the monsoon season with a delayed withdrawallinked to additional inputs of moisture from the Atlantic due to increasing thermal andmoisture contrasts between ocean and continent but also to a stronger contribution of moisturefluxes in September and October from the Mediterranean into the Sahel

La neige peut couvrir jusqu'à 40% des terres immergées de l'hémisphère Nord en hiver. De par son influence sur le bilan d'énergie en surface, elle constitue donc une source potentielle de variabilité et de prévisibilité climatique aux échelles mensuelles à saisonnières. Au-delà de ses effets locaux, la couverture neigeuse peut, à l'instar des surfaces océaniques, engendrer des téléconnexions et ainsi moduler le climat de régions plus lointaines. Cette thèse revisite plusieurs aspects des liens neige-climat en utilisant à la fois les jeux de données observées, les simulations réalisées pour le 4ème rapport du Groupe Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat (GIEC), ainsi que le modèle atmosphérique ARPEGE-Climat pour réaliser des tests de sensibilité. L'influence de la neige eurasiatique/himalayenne sur la mousson indienne d'été, largement évoquée dans la littérature, est remise en cause par l'analyse des données observées étendues à la période 1967-2006. Toutefois, un prédicteur lié à la circulation atmosphérique de grande échelle sur le Pacifique Nord est proposé pour améliorer les prévisions saisonnières statistiques de la mousson indienne. L'influence des étendues de neige sibériennes en automne sur la variabilité atmosphérique hivernale de l'hémisphère Nord semble quant à elle plus robuste dans les observations. Si les modèles couplés du GIEC sont incapables de reproduire cette téléconnexion, les expériences de sensibilité réalisées avec ARPEGE-Climat confirment le mécanisme physique proposé dans la littérature, à condition que la perturbation en surface soit importante et que l'état moyen de la circulation extratropicale simulé soit suffisamment réaliste. Finalement, la prévisibilité de l'atmosphère associée à l'enneigement est quantifiée de façon plus systématique avec ARPEGE-Climat. Si les résultats montrent un impact mitigé sur la circulation de grande échelle, la relaxation/initialisation du modèle vers/avec des masses de neige plus réalistes permet une meilleure prévisibilité des températures de surface sur l'Europe et l'Amérique du Nord. La neige représente donc une source de prévisibilité climatique non négligeable à l'échelle locale et peut influencer à distance la circulation atmosphérique extratropicale. Les téléconnexions neige-climat doivent être cependant être confirmées dans les années qui viennent, et constituent encore un exercice difficile pour l'état de l'art des modèles de climat.

Le Sud-Est de l'Amérique du Sud (SESA) est l'une des rares régions subtropicales où les modèles climatiques du WCRP/CMIP3 projettent une augmentation significative des précipitations en été austral pour la fin du XXIème siècle, dans un scénario de réchauffement climatique. Ce signal est associé à une augmentation de la fréquence des étés identifiés comme des phases positives du mode dominant de la variabilité des précipitations dans la région, ce mode étant défini par des précipitations au-dessus (en-dessous) de la normale dans le SESA (zone de convergence d'Atlantique Sud). Cette tendance est associée à une augmentation de la température de surface de la mer (SST) dans le Pacifique équatorial. Cela est confirmé par des expériences de simulation numérique effectuées avec le système interactif two-way nesting du LMDZ4, qui montrent aussi que l'augmentation projetée des précipitations dans le SESA est associée au signal zonalement asymétrique du réchauffement des SST.

Sur les effets du changement climatique aux échelles globale et régionale. Il montre en particulierqu'aucun consensus ne peut être trouvé pour ce qui concerne l'évolution future de lapluviométrie -- et de la dynamique atmosphérique associée -- en région de mousson africaine.Ce mémoire revisite cette question à la lumière des nouvelles données disponibles et selon uneapproche évitant toute surreprésentation du nombre de simulations disponibles pour un type demodèle donné, tout en prenant en compte la diversité des modèles ainsi que leur évolution dansle temps : sorties de vingt modèles de circulation générale (MCGs) ayant participé aux exercicesCMIP3 (douze MCGs) et CMIP5 (huit MCGs) sous les scénarios d'émissions A1B et rcp4.5,respectivement. Les sorties sont analysées principalement sur deux fenêtres de quarante ans --périodes actuelle (1960-1999) et future (2031-2070) -- et les résultats discutés au regard de leurvraisemblance selon une approche permettant à la fois de quantifier les différences futur moinsactuel, de mesurer les significativités et les robustesses statistiques et d'associer une probabilitémesurant le consensus des modèles en fonction des échelles et des variables considérées.Les analyses menées sur CMIP3 et CMIP5 montrent qu'un consensus sur l'effet du changementclimatique en Afrique de l'Ouest peut être obtenu si l'on ne fait pas de l'ensemble de labande sahélienne une entité homogène et qu'on raisonne à des échelles spatiales inférieures. Lesrésultats révèlent une évolution contrastée entre le centre et l'ouest du Sahel avec, pour le futur(i) une hausse des précipitations au centre s'expliquant surtout par une plus grande convergencedes flux dans les basses couches, ainsi qu'une pénétration plus au nord de la mousson ;(ii) une baisse des précipitations à l'ouest s'expliquant par le renforcement de la circulation detype Walker, du Jet d'Est Africain (JEA) et de la subsidence dans les couches moyennes. Parailleurs, on peut s'attendre à une modification du cycle annuel moyen avec un retrait retardé dela mousson. Ce retard est notamment lié aux apports supplémentaires d'humidité depuis l'Atlantique,dus au renforcement des contrastes thermiques et d'humidité entre océan et continent,mais aussi et surtout aux apports tardifs d'humidité depuis la Méditerranée et au renforcementdes flux de nord en septembre et octobre en direction du Sahel

La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières

As a result of increase in global average surface temperature, abnormalities in different hydroclimatic components such as evapotranspiration, stream flow and precipitation have been experienced. So investigation has to be carried out to assess the hidden abnormality subsisting in the hydroclimatological time series in the form of trend. This thesis broadly consists of following four parts. The first part comprises of a detailed review of various trend detection approaches. Approaches incorporating the effect of serial correlation for trend detection and interesting developments concerning various non parametric approaches are focused explicitly. Recent trends in annual, monthly, and seasonl (winter, pre-monsoon, monsoon and post-monsoon) Tmax and Tmin have been analyzed considering three time slots viz. 1901-2003, 1948-2003 and 1970-2003. For this purpose, time series of Tmax and Tmin of India as a whole and for seven homogeneous regions, viz. Western Himalaya (WH), Northwest (NW), Northeast (NE), North Central (NC), East coast (EC), West coast (WC) and Interior Peninsula (IP) were originally considered. During the last three decades significant upward trend in Tmin is found to be present in all regions considered either at annual or seasonal level. Sequential Mann Kendall test revealed that most of the significant upward trends both in Tmax and Tmin began after 1970. The second part discusses about numerous climate models from both Coupled Model Inter comparison Project-5 and 3 (i.e. CMIP5, CMIP3) and their skills in simulating Indian climate and assessing their performance using various evaluation measures. Performances of climate models were evaluated for whole of India and over all the individual grid points covering India. The newly defined metric symbolized as Skill_All is an intersection of the three metrics i.e. Skill_r, Skill_s and Skill_rmse, is used for overall model evaluation analysis. A notable enhancement of Skill_All for CMIP5 over CMIP3 was found. After overall model evaluation study, Compromise Programming, a distance based decision making technique, was employed to rank the GCMs gridwise. Entropy method was employed to obtain weights of the chosen indicators. Group decision making methodology was used to arrive at a consensus based on the ranking pattern obtained by individual grid points. In the third part, a detailed detection and attribution (D&A) analysis is performed to determine the causes of changes in seasonal Tmax and Tmin during the period 1950-2005. This formal D&A exercise helps in providing better insight (than trend detection analysis) into the nature of the observed seasonal temperature changes. It was noticed that the emergence of observed trend was more pronounced in Tmin compared to Tmax. Although observed changes were not solely associated with one specific causative factor, most of the changes in Tmin are above the bounds of natural internal climate variability. Finally in the fourth part, to understand the climate change impact on the hydrological cycle, a spatiotemporal change detection study of potential evapotranspiration (PET) along with Tmax and Tmin over India has been performed. Climatology patterns for PET confirmed a greater PET rate during the month of March, April, May and June. A significant increasing trend in both Tmax and Tmin (Tmin being more) was observed in more number of grid points compared to PET. Significant positive trends in Tmax, Tmin and PET were observed over most of the grid points in the IP region. Heterogeneities existed in the spatiotemporal variability of PET over all India. This spatio-temporal change detection study would be helpful for present and future water resources management.