Cette thèse propose une analyse épistémologique des théories de la complexité, une évaluation de leur portée générale et de leur utilité dans des domaines particuliers, et la mise au jour de leur contribution décisive à la question centrale du changement climatique. L’objectif est de cerner la nature de la complexité à travers tout l’éventail des disciplines, car les théories de la complexité ne cessent de s’éteindre et la liste des bénéfices qu’on leur attribue de s’allonger. L’étude de cas du changement climatique est riche, y sont impliqués de nombreux systèmes complexes d’importance décisive pour le genre humain, parmi lesquels l’agriculture, l’énergie, l’eau et l’économie. Le présent travail propose d’abord une définition de la complexité généralisée, comprise comme cadre général de la pensée fondé sur six grandes catégories. Il procède ensuite à l’analyse à travers ce cadre, des dimensions scientifiques, politiques et éthiques du changement climatique. Notre point de départ est constitué par un examen attentif du trois corpus importants : le rapport du GEIC « Climate Change 2007, » « le Millennium Ecosystem Assessment, » et l’éthique du changement climatique. Il s’avère que la mise en œuvre des théories de la complexité est nécessaire pour mesurer de manière rigoureuse la portée non seulement des aspects multiples des différents systèmes complexes impliqués, mais aussi de l’ensemble dans toutes sa signification polyvalente. En s’interrogeant sur le rôle et l’utilité des théories de la complexité dans des domaines et à des échelles multiples, nous mettons en lumière une série de principes-clés sur la nature et l’usage de ces théories. / This dissertation presents an epistemological analysis of complexity theories, an evaluation of their contribution, both generally and to specific domains, and a demonstration of their important contribution to climate change. The objective is to provide a description of complexity theories across the whole range of disciplines, as complexity theories continue to expand and the list of their proposed benefits continue to grow. The case study of climate change is rich, as it touches on a number of complex systems of primary significance to humanity, such as agriculture, energy, water, and the economy. The present work proposes first a definition of generalized complexity, comprised of a general framework of the field based upon six major categories. It proceeds to analyze, in light of this framework, the scientific, ethical and political dimensions of climate change. Our point of departure consists in a thorough examination of three important bodies of literature: the IPCC report “Climate Change 2007,” the “Millennium Ecosystem Assessment,” and the ethics of climate change. The dissertation shows that the use of complexity theories is necessary in order to measure in a rigorous manner the contribution, not only of the multiple aspects of different complex systems involved, but also of the framework as an ensemble, with its polyvalent signification. By examining the role and the utility of complexity theories in multiple fields at multiple scales, we reveal a series of key principles regarding the nature and usage of these theories.

La Corée est régulièrement touchée par des inondations et des sécheresses majeures qui affectent l’environnement naturel et impactent très sérieusement les activités économiques du pays. La mise en réseau des différentes ressources et infrastructures selon le concept des Smart Water Grid peut permettre d’atténuer l’impact de ces évènements. Gérer de manière dynamique les réservoirs, collecter les précipitations en milieu urbain à l’aide de réservoirs qui peuvent être utilisés pour stocker et limiter l’effet du ruissellement sont des mesures qui peuvent contribuer significativement à améliorer la gestion de l’eau. De même, les ressources de surfaces, souterraines et issues des unités de purification ou de désalinisation peuvent être combinées et associées pour répondre à la demande. Cette approche est celle du concept de Smart Water Grid qui est l’objet de ce travail de recherche. La majorité des sites urbains en Corée sont alimentés à partir de ressources superficielles. Dans le cas de l’île de Youngiongdo qui accueille l’aéroport international d’Incheon et toutes les installations aéroportuaires, l’alimentation en eau est réalisé à partir du fleuve Han et après traitement. Cependant, le système d'approvisionnement en eau est particulièrement vulnérable puisque l’eau est acheminée à partir de la ville d’Incheon située sur le littoral continental. Aucune ressource n’est mobilisée sur l’ile. Cette recherche a permis de préciser le concept de Smart Water Grid et de développer un modèle global permettant d’évaluer la disponibilité des différentes ressources à l’aide de différents modèles hydrologiques et hydrauliques. Cette approche a été appliquée sur le site de Youngiongdo. / Korea repeatedly experiences floods and droughts that cause traumatic environmental conditions with huge economic impact. With an approach and solution such as Smart Water Grid these problems can be alleviated. Tapping into the retention ponds behind dams, rainfall harvest facilities in urban areas and any other structures installed to store rainfall water during flood events will mitigate the damage of flooding and provide a new source of national water resources. Similarly, purified waste water, ground water and desalinated sea water can also be feasible to use as alternative water resources. In this research, the water balance assessment model is being developed as a Smart Water Grid concept. In fact, large proportions of water resources in Korea rely on a river fresh water. Also in the Youngjongdo Island, tap water from water purification plant which use original source from the Han river. However the water supply system in the island is quite dangerous since the water purification plant is located in Incheon city and the water comes to island through the sea and no other source is used in the island. Therefore, once the accident at main water pipe in the sea, no water is available in this island. Information on water availability and water needs are crucial to identify hot spots of quantitative pressures on water resources. In this study, all available alternative water sources are calculated by the model developed through this study. Several physical and stochastic models on hydraulic and hydrological approaches are nominated to investigate physical characteristics of catchments.

La présente thèse s’inscrit dans le cadre théorique de l’Européanisation qui peut être saisi à travers la notion d’usages instrumentaux, stratégiques, cognitifs et légitimant. L’objet de l’étude est un examen comparatif de l’adaptation des deux régions au nouveau contexte politique, légal et financier qui résulte du développement et de l’extension de l’intégration de l’UE dans le domaine de l’énergie et du changement climatique. Les ‘usages’ réfèrent à la capacité et à la volonté des acteurs de saisir des opportunités et des contraintes européennes pour formuler des politiques nationales (et dans ce cas régionales) traduisant l’impératif de la décarbonisation. Nous avons cherché à mesurer jusqu’à quel point des exécutifs régionaux étaient capables de mobiliser des ressources de l’UE dans le but de poursuivre leurs stratégies dans le domaine de la décarbonisation, ainsi que de déterminer si leur capacité d’utiliser des ressources européennes dépend de leur appartenance à un ‘ancien’ ou à un ‘nouvel’ Etat membre de l’UE. Au final, il s’agit d’évaluer jusqu’à quel point leur capacité d’innover et d’organiser la résilience territoriale à l’aide d’outils européens est liée à la division Est/Ouest. L’analyse est conduite sur deux cas d’études : deux régions européennes qui sont aujourd’hui des émettrices majeures en CO2, parce qu’elles sont encore industrialisées, densément peuplées, qu’elles abritent des sites de production en énergie, et que les bâtiments et les logements (publics et privés) sur leurs territoires sont des passoires énergétiques. La haute Silésie en Pologne et le Nord-Pas de Calais en France peuvent toujours être considérés comme des territoires industrialisés et peuvent être comparés dans une perspective « nouveau/ancien » Etat membre de l’UE. La présente recherche examine les différences dans les usages dans les deux cas d’études. Nous recherchons des variables explicatives pour ces divergences qui peuvent être trouvées dans le passé de chacune des régions. En procédant de cette manière, nous plaçons notre modèle dans une perspective de dépendance au sentier et nous regardons ce qui est pertinent dans le dispositif régional. / The object of the study is a comparative examination of two regions' adaptation to the new political, legal and financial context that results from the development and extension of the EU integration in the field of energy and climate change – or decarbonisation agenda. The ‘usages’ refer to stakeholders’ ability and willingness to take advantage of the European opportunities and constraints provided to them to shape national (and in this case regional) policies. In addition to the intentional dimensions ‘usages’ also cover the actual practices observed in each region. We search to determine to what extent the ability of the regional executives to mobilise EU resources for the purpose of pursuing their strategies in the field of decarbonisation depends on whether they are situated in an ‘old’ or a ‘new’ member state of the EU. We attempt to assess to what extent their ability to innovate and to organise a territorial resilience is related to the East/West divide.The analysis is conduced on two case studies: two European regions that are today major CO2 emitters, because they are still industrialized, densely populated, they host energy production sites, and their housing requires deep and extensive thermal renovation. Two regions in Europe appeared particularly fitting that description, and cumulate all disadvantages (as regards the importance of CO2 emissions). Upper Silesia in Poland and Nord-Pas-de-Calais in France can still be considered as industrialized territories that can be compared in a “new/old” member state of the EU perspective. The present research looks at differences in usages in the two case studies. We search for pertinent explanatory variables for those divergences to be found in each region’s past, deconstructed in institutional, interest-related and ideational components. We place our model in a path-dependence perspective and we look at how it is relevant in a regional setting.

Le domaine principal de cette thèse s’intéresse aux conséquences du changement climatique et des actions de rénovation dans le bâtiment sur les réseaux urbains de chaleur, ainsi qu’aux performances environnementales de ces derniers afin d’évaluer leur potentiel dans le futur. Dans ce but, deux modèles complémentaires ont été développés :•Un modèle dynamique de prévision de la demande de chaleur d’un bâtiment. Ce modèle repose sur une analogie thermoélectrique et a comme entrées, non exclusivement, des données climatiques et des scénarii de rénovation. Les résultats de ce modèle ont été comparés avec ceux d’un logiciel de référence (Energie Plus) : les erreurs sont acceptables. Ce modèle est générique et peut être utilisé dans différentes zones géographiques à l’échelle du quartier. Il a été appliqué sur des quartiers à Nantes et Lisbonne;•Un modèle d’évaluation environnementale (reposant sur le concept d’empreinte énergétique, éMergie) de réseau urbain de chauffage a été conçu. Ce modèle est générique et permet de tester différentes technologies de production et de distribution de chaleur. Il a été appliqué sur des applications en Suède et en Serbie;Les résultats des différentes applications indiquent que la nouvelle génération des réseaux urbains de chaleur ayant une infrastructure compacte (utilisant des matériaux à faible impact environnemental) et une production de chaleur à base de ressources renouvelables ou assimilées pourraient être une solution porteuse d’avenir. Cependant, pour maintenir la rentabilité de tels projets, la réduction de la consommation de chaleur des clients, conséquence en direct du changement climatique et en indirect des incitations aux rénovations du bâti, devrait être considérée dès la phase de conception, et intégrée dans de nouveaux business-plan afin de maintenir des prix de vente de la chaleur attractifs. / The main scope of this thesis is to assess the impacts of changed weather conditions and building renovation on district heating systems in the future, as well as the environmental performance of such systems within the urban environment, in order to evaluate the potential of district heating in the future. In order to do so, two models were developed:•A dynamic model for heat demand forecast, based on the thermo-electrical analogy, that takes into account weather and building renovation scenarios. The model had a satisfactory precision, and it can be applied on any location for a given number of buildings, which was proved on the example of multiple case studies;•An environmental assessment model (based onemergy theory) for the assessment of district heating systems environmental performance within the urban environment. The approach can be applied on any type of district heating systems, as well as on competitive urban heating technologies, which was proved by the application on multiple systems within the case studies considered;The results from case studies indicate that the new generation of district heating systems with compact infrastructure (made of non-environmentally intensive materials) and renewable heat production could be a solution for providing sustainable heating services to urban environments. However, in order to maintain the feasibility of these projects, potential heat demand reductions caused by the direct and indirect impacts of climate change should be considered during the design phase, along with the development of new business plans in order to maintain relatively low prices of district heating services. Moreover, the difference between these impacts in different climate types should be considered.

Les eaux souterraines constituent 95% de l'eau douce accessible sur le globe. Les rapports de ``UNEP'' prédisent qu'en année 2020, 75% de la population mondiale vivra dans des zones côtières. Ces deux informations nous montrent l'importance des aquifères côtiers qui sont aujourd'hui surexploités. Cette surexploitation conduit à l'aggravation du phénomène naturel de l'intrusion saline. Sa modélisation est nécessaire pour évaluer et prédire l'étendue des zones impactées. Ce travail concerne la modélisation de l'intrusion saline dans l'aquifère de Tripoli-Liban. Cette ville est sur la mer Méditerranée et dans laquelle habite un huitième de la population libanaise (600,000). Dans cette étude, un modèle mathématique de l'intrusion saline dans l'aquifère de Tripoli est développé, en se basant sur l'implémentation de l'approche de l'interface abrupte dans ``Freefem++''. Ce modèle fournit principalement la profondeur de l'interface eau douce/eau salée. Les limites du modèle sont exposées et le modèle est validé avec la solution analytique, avec le code de calcul BFSWIM et avec les mesures de terrain où l'erreur quadratique moyenne varie entre 0.1 et 2m. La zone d'étude souffre d'un manque de données nécessaires pour élaborer la modélisation. Pour surmonter ce problème, nous avons eu recours aux mesures piézométriques effectuées par l'``UNDP'' dans des dizaines des puits de pompage dans la zone d'étude. Ces mesures sont utilisées dans un premier temps pour calibrer le flux d'eau douce entrant dans le domaine, puis pour valider le modèle expérimentalement. En plus, des compteurs volumétriques installés dans 38 puits de pompage ont montré que les habitants à Tripoli consomment la double quantité d'eau recommandée par le ministère des ressources en eau au Liban. Quatre scénarios de pompage basés sur le taux de croissance démographique, donné par le ministère des affaires sociales ont été étudiés. La hauteur de l'interface eau douce/eau salée associée à chaque scénario est calculée et comparée avec sa hauteur actuelle. Les résultats montrent que, avec la quantité d'eau pompée actuellement (250 litres par habitant par jour), la zone de pompage sera salinisée dans 20 ans, tandis que le respect des limites proposées par le ministère des ressources en eau (120 litres par habitant par jour) peut protéger l'aquifère à court terme. L'étude de scénario de croissance démographique est ensuite mise dans le contexte de changement climatique prédit dans le rapport du ``GIEC 2014'' pour la zone d'étude. Les évolutions pour les 25 prochaines années et pour trois phénomènes sont ainsi considérées: l'élévation du niveau de la mer, la variation du flux entrant d'eau douce et la variation du taux d'extraction d'eau douce de l'aquifère. La variation du flux entrant est imputée à la variation des régimes de précipitation dans les futures années. La variation de la couverture neigeuse est utilisée comme estimateur indirect pour la calibration du modèle. Le critère d'évaluation choisi est la position de la ligne de niveau 100m de l'interface eau douce/eau salée correspondant à la profondeur maximale des puits de pompage. L'étude montre que cette ligne avancera de 140m dans les 25 prochaines années. Les résultats montrent que l'impact de l'élévation du niveau de la mer (<1%) est très petit en comparaison avec celui de la variation de recharge (45%) et celui du taux d'extraction (54%). / The ground water resources represent 95% of the fresh water available in the world. ``UNEP'' reports predict that, 75% of people will live in coastal cities in 2020. These two informations show that coastal aquifers are essential in the elaboration of a water management strategy. Nowadays, coastal aquifers are subject to an over-exploitation that is leading to the aggravation of seawater intrusion phenomenon. Thus seawater intrusion modelling is necessary to assess and forecast the salinization of coastal aquifers. This work concerns the seawater intrusion modelling in Tripoli aquifer, Lebanon. Tripoli city lies on the Mediterranean coast and is home to one eighth of the Lebanese population (600,000). In this study, a mathematical model of sea water intrusion in Tripoli aquifer has been developed, based on the implementation of the sharp interface approximation in ``Freefem++''. This model provides primarily the depth of the freshwater/saltwater interface. The limitations of the model are exposed and the model is validated against analytic solution, against the numerical code ``BFSWIM'' and against terrain measurements where the root mean square error varies between 0.1 and 2m. The study zone suffers from scarceness of data necessary to elaborate the model. To overcome this problem, we use the piezometric measurements performed by the ``UNDP'' in tens of private wells in the studied zone. At first, we use these measurements to calibrate the flux of freshwater entering in the domain, then to validate experimentally the model. In addition, volumetric meters that have installed in $38$ buildings showed that water consumption through well extraction exceeds the recommendation of the Lebanese ministry of Energy and Water, which is 120 liters per capita per day. Four scenarios of pump basing on demographic growth rate given by the ministry of social affairs have been studied. Seawater intrusion height associated to each scenario has been calculated, then compared with its actual height. The results show that with this pumping rate (250 liters per capita per day), the pumping zone will be salinized within 20 years, while the respect of limitation proposed by the ministry of water resources and Energy can protect the aquifer for short time. This study of demographic growth scenario is then combined with the context of climate change predicted by ``IPCC2014'' and research studies in the region. Assessment of seawater intrusion for the 25 next years has been done, based on the following three phenomena: sea water rise, variation of fresh water flux entering in the domain and variation of freshwater extraction rate from the wells in the aquifer. The variation of snow cover is used as an indirect estimator to calibrate the model. The isocline 100m of saltwater/freshwater interface, which represents the maximal depth of pumping well, has been chosen as a criterion of evolution. Our study shows that this line will move forward about 140 m in the next 25 years leading to the salinization of the aquifer at the position of the pumping wells. The contribution of each parameter is assessed. We estimate that the sea water rise will contribute to less than 1% of this advance while the rate of recharge decrease and the rate of freshwater extraction increase contribute to 45% and 54% respectively of the isocline advance.

De nombreuses études portant sur les impacts du changement climatique sur la ressource en eau ont été réalisées à l'échelle des grands bassins versants continentaux, celle des petits bassins versants demeurant peu étudiée. La région Bourgogne se situe à la croisée de plusieurs bassins hydrographiques (Seine, Loire, Rhône), et offre une grande diversité de contextes hydrogéologiques. Les impacts du changement climatique sont susceptibles de varier localement et leur détermination requiert l'implémentation d'une chaîne de modélisation hydroclimatique à l'échelle locale. L'objectif de cette thèse a consisté en la mise en place d'un tel outil de modélisation à l'échelle des petits bassins versants de Bourgogne. Un échantillon de bassins versants et deux modèles hydrologiques de conceptualisation différente ont été choisis : un modèle pluie-débit global (GR4J) et un modèle semi-distribué à base physique (SWAT). Ces modèles ont permis d'approcher les différents aspects des impacts sur la ressource en eau (débit à l'exutoire, ressource spatialisée, qualité de l'eau). Les modèles ont été calibrés, et leur robustesse a été testée en contexte de changement climatique, validant ainsi leur utilisation sur une période future. Une désagrégation spatiale des données climatiques a été nécessaire afin d'alimenter les modèles hydrologiques sur la période de projection. L'analyse de données observées a permis de mettre en évidence une rupture dans les températures de surface en 1987/88 (en Bourgogne comme en France métropolitaine), et une modification des régimes hydrologiques de part et d'autre de cette rupture. Les projections réalisées sur la période 1980-2100 ont permis de montrer : i) peu d'évolution des débits moyens annuels mais une accentuation de la saisonnalité, via une augmentation des débits hivernaux et une diminution des débits estivaux, en lien avec le régime des précipitations et avec l'augmentation de l'évapotranspiration. ii) des indicateurs d'étiages montrant une aggravation de leur sévérité et une emprise temporelle plus grande durant l'année hydrologique, iii) une qualité de l'eau dégradée. Afin d'ouvrir de nouvelles perspectives grâce à cette chaîne de modélisation (en termes aide à la décision), l'aptitude de la chaîne de modélisation à évaluer les impacts de divers scénarios de changement de pratiques agricoles a été testée. / Numerous studies dealing with climate change impacts on water ressources have been done at global scale, but the moderated size watersheds scale is less studied. The Burgundy region is located over several hydrographical basins (Seine, Loire and Rhône river), and provides a great diversity of hydrogeological and climate contexts. For these reasons, impacts of climate change on water resources are expected to be very different in space, and require an entire hydroclimatic modelling chain at local scale to be assessed. The main objective of this thesis consisted of the implementation of a modelling tool at the moderated-size watersheds scale of Burgundy. In this way, several watersheds and two hydrological models have been chosen : a global and empirical rainfall-runoff model (GR4J) and a physical based and semi-spatialised model (SWAT). These two models allow us to assess every aspects of climate change impacts : quantitative (streamflow and spatialised ressource) and qualitative impacts.Models have been calibrated, including a cross calibration/validation test in climate contrasted periods, to confirm their robustness. A disaggregation of global climate data has been done in order to feed models during projection.Observations analysis highlighted a climate shift (in Burgundy as well as over the entire french territory), resulting in a modification of hydrological regime. Models projection over the XXIth century showed i) not much evolution of annual streamflow, but an accented seasonality, with an increase of winter streamflow, and a decrease of summer streamflow, linked with the rainfall regime and the evapotranspiration increase, ii) drought flow indices showing an increase of severity of the drought flow period, iii) a decrease in water quality. In order to explore the capacities of the modelling chain, several sensibility tests have been done, based on management practices scenarios.

Cette thèse étudie l'évaporation et l'humidité du sol, deux paramètres clefs du cycle hydrologique et du système climatique.L'évaporation potentielle (ETP) est un paramètre clef pour les modèles hydrologiques et agronomiques qui décrit les interactions entre la surface et l'atmosphère. Il constitue la base des estimations de l'évaporation réelle. Nous avons évalué, à l'échelle globale et pour le climat actuel ainsi que pour les changements attendus, des estimations de l'ETP basées sur des principes physiques ainsi que des approches empiriques. La méthode d'estimation du flux potentiel conseillée par la Food and Agriculture Organization (FAO) montre une sous évaluation par rapport au schéma de surface, ce qui a pu être relié à certaines hypothèses faites. Ceci implique aussi une sensibilité plus faible au changement climatique de la formulation proposée par la FAO. Nous avons aussi constaté que les méthodes empiriques ne représentent pas correctement l'impact du changement climatique sur l'ETP.L'humidité du sol est analysée du point de vue de la température de brillance en Bande-L (TB). Cette mesure du rayonnement émis par la surface dans une bande spectrale sensible à l'eau dans les premiers centimètres du sol, constitue une des pistes pour l'estimation de l'humidité de surface depuis l'espace. Des mesures de TB ont été comparées, au dessus de la Péninsule Ibérique, à des données simulées par deux schémas de surface. Un bon accord a été trouvé entre les observations et les simulations sur l'évolution temporelle des signaux. Par contre, les structures spatiales peuvent être très différentes au cours de l'automne et l'hiver à cause de cycles annuels très contrastés. / This thesis deals with the study of evaporation and soil moisture, t wo main parameters of the hydrological cycle, and thus the climate system. First, potential evaporation (ET P ) is analysed. It is an important input to hydrological and agronomic models, key to describe the interactions between the surface e and the atmosphere, and the basis of most of the estimations of actual evapora tion. Physically-based and empirical methods to estimate ET P are evaluated, at a global scale, under current climate conditions and in a changing climate. The former methods correspond to those implemented in land surface models (LSM) and the Food and Agriculture Organization (F AO) reference evapotranspiration equation. The assumptions made in FAO's method underest imate ET P if compared to LSM methods. They also result in a lower sensitive ty of ET P to climate change. In addition, empirical equations are not able to reproduce the impact of climate change on ET P if compared to that from LSM methods. Soil moisture is the second aim of this thesis. It is treated t hrough the analysis of brightness temperatures (TB). These are a measure of the radiation emitted by the surface , and thus an optimum parameter to use in remote sensing techniques for soi l moisture retrieval. Measured TB from the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission are compared, over the Iberian Peninsula, to two sets of TB modelled estimates from two LSM. There is a good agreement in the temporal evolution between them. However, discrepancy es are found regarding the spatial structures, which become more evident during fall and winter and are mainly explained by differences in the annual cycle of measured and modelled TB.

Le travail de recherche appliquée réalisé au cours du doctorat s’intéresse aux tempêtes hivernales à fort potentiel d’impact économique en Europe et comprend deux parties. La première partie vise à quantifier l’impact du changement climatique sur les tempêtes de vent hivernales extrêmes en Europe et s’appuie sur des données couvrant des périodes supérieures à 30 ans. La seconde partie du travail est plus opérationnelle et a pour objectif l’élaboration et la mise en place d’un outil de détection des tempêtes de vent hivernales en Europe à partir de prévisions météorologiques actualisées toutes les six heures. L’objectif général de la première partie du travail de recherche est d’apporter une vision moyen-terme de ce que pourraient être les tempêtes de vent hivernales en Europe au cours du XXIe siècle. Ce travail vient compléter la vision pour l’instant principalement court-terme du risque proposée par les modèles CatNat, utilisés par les (ré)assureurs pour connaître le coût du risque sur leur portefeuille. Au cours du travail de recherche, une nouvelle méthode a été proposée pour définir le potentiel de dommages associés à une tempête de vent en Europe. L’idée originale développée au cours du projet est l’utilisation de plusieurs variables capturant différentes échelles spatio-temporelles et prenant en compte la relation entre plusieurs variables caractéristiques d’un même cyclone extratropical. La recherche d’événements partageant une signature similaire et intense, simultanément dans la vorticité relative à 850 hPa, la pression au niveau de la mer et le vent de surface, conduit à la détection d’un nombre réduit d’événements. La comparaison du nombre d’événements qui constituent ce groupe et de leur intensité entre des données issues de réanalyses et celles issues de différentes simulations du climat futur peut apporter des réponses suffisantes aux compagnies d’assurance sur l’évolution de ce risque dans un climat dont les conditions climatiques sont différentes de celui d’aujourd’hui. Un premier article sur la méthode a été accepté dans le journal Natural Hazard and Earth Science System. La méthode a été appliquée aux données issues des modèles participant au projet CMIP5. Il s’agit d’évaluer la capacité des modèles de climat à reproduire les événements type « tempête de vent hivernales en Europe » et d’estimer l’impact du changement climatique sur la fréquence et l’intensité des tempêtes de vent hivernales en Europe. Un second article reprenant les résultats de cette étude est en préparation. La seconde partie de la thèse est focalisée sur le projet opérationnel Severe WIndstorms Forecasting Tool (SWIFT) dont le but est de développer un outil permettant, à partir de prévisions météorologiques issues toutes les six heures, de détecter un événement type tempête de vent pouvant causer des dégâts majeurs en Europe et de proposer aux entités du groupe AXA concernées une estimation du montant des pertes et du nombre de sinistres associés à l’événement à venir ainsi que leurs localisations. / The research carried out during the PhD deals with winter windstorms with high economic damage potential in Europe and can be divided in two parts. The first part aims at quantifying the impact of climate change on European winter windstorms and relies on datasets covering long periods of time (>30 years) either in the past or in the future. The objective of the second part is to forecast potential losses and claims associated with an upcoming extreme windstorm by using forecast data updated every six hours. The overall objective of the first part is to provide a medium-term view of what could be the winter windstorms in Europe during the 21st century. It thus completes the short-term vision of the risk given by the Catastrophe Models used by the (re)insurers to assess the cost of the risk on their portfolio. A new methodology has been developed to define the damage potential associated with European winter windstorms. The novelty of the methodology relies in the use of several variables capturing different spatiotemporal scales and the coupling that exists between variables during the cyclogenesis. Seeking for events sharing a similar intense signature simultaneously in the relative vorticity at 850 hPa, the mean sea level pressure and the surface wind speed lead to the detection of a small group of events. Comparing the number of events that belong to this group and their intensity in reanalysis datasets and different simulations of the future climate can provide enough information to insurance companies on the potential evolution of this hazard in a future climate. A first paper on the methodology has been accepted in the journal of Natural Hazard and Earth Science System.The methodology has been applied to the datasets provided by Global Climate Models (GCM) participating to the CMIP5 project. The goal is to assess the ability of GCMs to reproduce winter windstorms in Europe and the potential impact of climate change on the frequency and intensity of such events. A second paper presenting the results obtained from this second study will be submitted.The second part of the PhD focuses on the project Severe WIndstorms Forecasting Tool (SWIFT). The objective is to develop an early warning tool that detects an upcoming winter windstorms in meteorological forecasts updated every six hours and provides interested AXA entities with an alert on the upcoming windstorm as well as an estimate of the potential losses and claims.The tool has been developed in parallel of the research project and consists in two modules. In the first module, particularly intense systems are detected in meteorological forecasts and the associated gust footprint is extracted. In the second module, wind speeds are translated into a loss and a number of claims thanks to vulnerability curves. When a system is detected, an alert is sent with the appropriate information on the event propagation and the associated loss. The tool has been running automatically for the 2013 – 2014 winter season and detected most of the events that passed over Europe.

La production primaire (PP) dans l'Océan Austral joue un rôle crucial dans la capacité des océans à absorber le carbon atmosphérique. Elle est caractérisée par une forte limitation en Fer et par un cycle saisonnier très marqué, présentant un bloom planctonique en fin d'hiver, plus ou moins intense selon les régions. Ma thèse est centrée sur la compréhension des mécanismes qui contrôlent ce bloom et sa variabilité, ainsi que sur les éléments, présents et futurs, qui contrôlent son intensité. J'ai abordé le premier aspect (phénologie et mécanismes) en mettant en place une approche mécaniste basée sur une nouvelle configuration du modèle biogéochimique PISCES forcé par un environnement physique 1D idéalisé. Cette méthodologie m'a permis de réconcilier les différentes théories sur la formation des blooms aux hautes-latitudes, d'identifier les spécificités du bloom de l'Océan Austral et de proposer des critères adaptés à sa détection dans les observations. En outre, les résultats de cette étude de modélisation ont été confrontés à ceux issues d'une deuxième approche, basée sur des observations satellitaires, ce qui a permis la localisation géographique des différentes phénologies de bloom que j'ai identifiées dans l'Océan Austral. Pour répondre au deuxième aspect (altération et changements futurs), j'ai également suivi une double approche. J'ai d'abord examiné comment les limitations par la lumière et par le fer se combinent, via la variabilité du cycle saisonnier du mélange vertical, et pilotent ainsi la production primaire dans l'Océan Austral actuel à l'aide de la configuration idéalisée présentée plus haut. Dans un deuxième temps, cette analyse a permis d'aider à l’interprétation des variations de PP observées dans les projections climatiques issues de 8 modèles couplés (CMIP5). L'ensemble de mes résultats permet de mieux comprendre les processus physiques et biologiques qui contrôlent la croissance du phytoplancton dans l'Océan Austral et d'appréhender comment la modification de ces processus peut entraîner des altérations de la PP dans une région clé pour l'évolution future du climat. / Primary production (PP) in the Southern Ocean (SO) plays a crucial role on atmospheric carbon uptake. PP in this ocean is highly iron-limited and presents a marked seasonal cycle. Such a seasonal cycle has a strong productive phase in late winter, called bloom, which distribution and intensity is highly variable. My PhD focus on two specific aspects of the PP in the SO: first, the mechanisms that drive such a bloom and its dynamics and, second, the elements able to control the bloom intensity at present and in the future. The first aspect (bloom phenology and mechanisms) was addressed by setting up a mechanistic approach based on a novel model configuration: a complex biogeochemical model (PISCES) forced by a 1D idealised physical framework. This methodology allowed me to conciliate the different bloom formation theories and to identify the SO bloom specificities. Moreover, I proposed how to use different bloom detection criteria to properly identify bloom from observations. Such criteria were then tested in a complementary observation-based approach (with satellite and in-situ data) to characterise different bloom phenologies and its spatial distribution in the SO. The second aspect (bloom intensity and future change) was also addressed by a twofold approach. First, using the 1D model, I studied how seasonal variability of vertical mixing combine light and Fe limitation to drive PP. Secondly, I used such an analysis to interpret PP trends observed in 8 coupled model climatic projections (CMIP5 models). My PhD thesis results allow for a better understanding of the physical and biological processes controlling phytoplankton growth. My conclusions also suggest how an alteration of these processes by Climate Change may influence PP in the whole SO, a key region for future climate evolution.

Dans cet étude, un modèle de complexité réduite des interactions et rétroactions du système couplé climat-économie-biosphère est construit avec le minimum de variables et d'équations nécessaires. Le Coupled Climate-Economy-Biosphere (CoCEB) est un modèle d’évaluation intégrée (IAM pour Integrated assessment model) du changement globale. Alors que beaucoup IAM traitent les coûts de réduction des émissions (abattement) simplement comme une perte non productive de revenu, cet étude considère également les activités d’abattement comme un investissement dans l'efficacité énergétique globale de l'économie et dans la diminution de l’ « intensité carbone » du système énergétique. L’étude montre que ces efforts aident à l’abattement du changement climatique et ont un effet positif sur l’économie. La plupart des IAM actuels se concentrent principalement sur le secteur énergétique pour les mesures d’abattement, et ne tiennent compte des émissions provenant de l'utilisation des terres que comme un forçage exogène. Le CoCEB a donc été étendu en ajoutant une équation pour la biomasse ses échanges de carbone. Cela permet d’étudier les aspects économiques de la séquestration de carbone du au contrôle du déboisement dans les forêts, et aussi à l’application généralisée des technologies de capture et stockage du carbone (CCS). L’étude confirme que ces mesures réduisent l’impact du changement climatique sur la croissance économique, mais ces résultats restent très dépendants des grandes incertitudes sur le cout des CCS et du contrôle de la deforestation. Ce modèle est un cadre formel qui représente de façon simple les différents éléments du système couplé et leurs interactions, il rassemble les différentes estimations des coûts afférents aux mesures de mitigation et permet de les comparer de façon cohérente. / The goal of this study is to build a global reduced-complexity model of coupled climate-economy-biosphere interactions, which uses the minimum number of variables and equations needed to capture the fundamental mechanisms involved and can thus help clarify the role of the different mechanisms and parameters. The Coupled Climate-Economy-Biosphere (CoCEB) model takes an integrated assessment approach to simulating global change. While many integrated assessment models treat abatement costs merely as an unproductive loss of income, the study considered abatement activities also as an investment in overall energy efficiency of the economy and decrease of overall carbon intensity of the energy system. The study shows that these efforts help to abate climate change and lead to positive effects in economic growth. Due to the fact that integrated assessment models in the literature mainly focus on mitigation in the energy sector and consider emissions from land-use as exogenous, the global climate-economy-biosphere (CoCEB) model was extended by adding a biomass equation and the related exchanges of CO2 and used to investigate the relationship between the effects of using carbon capture and storage (CCS) and deforestation control, and the economy growth rate. These measures are found to reduce the impacts of climate change and positively affect the economy growth. These results remain nevertheless sensitive to the formulation of CCS costs while those for deforestation control were less sensitive. The model developed brings together and summarizes information from diverse estimates of climate change mitigation measures and their associated costs, and allows comparing them in a coherent way.