Le feu de forêt est une perturbation naturelle extrêmement répandue sur la planète. Au Québec, les incendies de forêt ont affecté entre 1990 et 2013 une moyenne de 330 000 hectares par année contre une moyenne de 2,3 millions d’hectares pour le Canada. À l’heure des changements climatiques, dont les conséquences sont annoncées comme très coûteuses pour les sociétés humaines, il est important de développer des stratégies d’adaptations aux changements climatiques le plus tôt possible afin de minimiser les coûts, les impacts environnementaux et les impacts sur nos sociétés. Le climat et la météo influencent fortement les patrons spatiaux et temporels de l’activité des incendies de forêt. La couverture terrestre joue également un rôle important à court terme en modulant l’influence des conditions climatiques sur l’activité des feux et à plus long terme par des changements de composition dans la matrice forestière, graduels (succession forestière, changements climatiques) ou rapides (perturbations). Ainsi, il devient urgent de développer des projections fiables de l’activité future des incendies de forêt tout en réduisant l’incertitude autour de ces projections. Malgré le fait que ces besoins ont été identifiés depuis plus d’une décennie, les méthodes nécessaires à l’élaboration de ces projections restaient à être développées. La capacité de prédire ou de prévoir comment un système peut se comporter à l'avenir a toujours représenté un formidable défi pour la communauté scientifique. Dans mes deux premiers chapitres, j’ai modélisé l’influence des changements climatiques et de végétation sur la fréquence et la distribution des tailles des incendies de forêt à l’aide de modèles statistiques. Mon troisième et dernier chapitre utilise les modèles développés dans les deux premiers pour projeter de quelle manière l’activité des incendies de forêt évoluera dans un contexte où le climat (ou la météo) et la végétation (ou la couverture terrestre) sont dynamiques. Grâce à ces travaux on peut aujourd’hui projeter quelle sera l’activité future des incendies de forêt dans un contexte de changements dans la matrice forestière et climatiques. / Abstract Wildfire is an extremely widespread natural disturbance on the planet. In Quebec, forest fires have affected between 1990 and 2013 an average of 330,000 hectares per year against an average of 2.3 million hectares for Canada. In these times of climate change, whose effects are reported as very costly to human societies, it is important to develop adaptation strategies to climate change as soon as possible to minimize costs, environmental impacts and impacts on our societies. Climate and weather strongly influence the spatial and temporal patterns of forest fires activity. Land-cover plays an important role in the short term by modulating the effect of weather on fire activity and longer-term changes in forest composition matrix, gradual (forest succession, climate change), or rapid (disturbances). Thus, it is urgent to develop reliable projections of future activity of forest fires while reducing the uncertainty surrounding these projections. Despite the fact that these requirements have been identified for more than a decade, the methods for the preparation of these projections remained to be developed. The ability to forecast or predict how a system might behave in the future has always been a formidable challenge for the scientific community. In my first two chapters, I modeled the influence of climate change and vegetation on the frequency and size distribution of forest fires using statistical models. My third and final chapter uses models developed in the first two to project how the activity of forest fires will evolve in a context where the climate (or weather) and vegetation (or land-cover) are dynamic. Thanks to this work, we can now project what will be the future activity of forest fires in the context of climate and forest changes.

Les modèles hydrologiques traditionnels n’imposent pas la contrainte de conservation d’énergie à la surface. Lorsque soumis à des températures plus élevées, ils ont le potentiel de surestimer l’évapotranspiration. Le modèle de surface physique CLASS est couplé au modèle de routage RAPID, basé sur la méthode de Muskingum, pour former un modèle hydrologique plus robuste en contexte de réchauffement global. CLASS-RAPID est implanté sur le bassin versant du Haut-Montmorency (47.4°N, 71.1°O). CLASS est calibré et validé à l’aide d’observations hydrométéorologiques à la Forêt Montmorency ; RAPID est optimisé d’après les observations de débits de la Direction d’expertise hydrique du Québec. Des projections climatiques provenant des modèles CanESM2, CNRM-CM5, GFDL-ESM2M et MPI-ESM du Projet d’intercomparaison des modèles couplés et des scénarios climatiques RCP 4.5 et RCP 8.5 sont fournies en entrées à CLASS-RAPID afin de réaliser des simulations hydrologiques pour la période future de 2041 à 2070. Des projections climatiques provenant des mêmes modèles pour la période de référence de 1981 à 2005 sont également utilisées par CLASS-RAPID afin de générer une séquence de débits pouvant être comparée à celle de la période future. CLASS-RAPID obtient un score de NSE = 0, 66 au critère de performance de Nash-Sutcliffe. Le modèle reproduit fidèlement la séquence des évènements hydrologiques, mais sous-estime systématiquement les pointes de crue. Les simulations de CLASS-RAPID réalisées en condition de changements climatiques projettent que les crues printanières se produisent plusieurs dizaines de jours à l’avance pour la période future de 2041 à 2070 en comparaison à la période de référence. Pour les quatre modèles à l’étude, les simulations en condition de changements climatiques permettent de prévoir une diminution moyenne des débits d’étiage d’été de 40% pour le scénario climatique RCP 4.5 et de 50% pour le scénario climatique RCP 8.5. Pour les mêmes scénarios climatiques, l’Atlas hydroclimatique du Québec, qui repose sur une modélisation hydrologique traditionnelle, prévoit une diminution des débits de respectivement 37% et 45%. / Typical hydrological models do not impose energy conservation at the surface. Therefore, under higher temperatures they may overestimate evapotranspiration. Physical land surface model CLASS is paired to Muskingum based routing model RAPID in order to create a functional hydrological model under global warming context. CLASS-RAPID is set up on the Haut-Montmorency watershed (47.4°N, 71.1°W). The model is calibrated and validated with the ERA5 reanalysis and the flowrates observations from the Direction d’expertise hydrique du Québec. Climate projections from CanESM2, CNR-CM5, GFDL-ESM2M and MPI-ESM and climate scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5 are given as entries to CLASS-RAPID in order to simulate flowrates for 2041 to 2070. Climate projections from the same models and for the benchmark period of 1981 to 2005 are used by CLASS-RAPID in order to obtain hydrological simulations that can be compared to the flowrates of 2041 to 2070. CLASS-RAPID has a Nash-Sutcliffe coefficient of NSE = 0, 66. The model tends to replicate hydrological events sequence correctly but underestimate flood peaks. CLASS-RAPID simulations under climate changes conditions foresee that spring floods will tend to happen sooner in the years for 2041 to 2070 when compared to the benchmark period. For the four climate models, climate changes simulations foresee reductions of summer flowrates of 40% for climate scenario RCP 4.5 and of 50% for climate scenario RCP 8.5. For the same climate scenarios, the Atlas hydroclimatique du Québec foresees a reduction of the flowrates of respectively 37% and 45%.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Svalbarðstunga est un nom de lieu historique et officiel qui identifie le territoire entre les rivières Svalbarðsá et Sandá (nord-est de l’Islande). En aval du bassin versant de Svalbarðsá, se situe la ferme principale de la région, la ferme Svalbarð, qui est en activité depuis plus de 1000 ans. Depuis sa mise en place, de nombreuses fermes satellites, associées à la ferme Svalbarð, se sont établies dans la région Svalbarðstunga. La quasi-totalité des fermes fut abandonnée à divers moments et les motifs d’abandon restent nébuleux. Ils pourraient être associés à des facteurs naturels (p. ex.: changements climatiques, volcanisme) et/ou humains (p. ex.: dégradation des terres par le surpâturage, épidémies). L’objectif principal de cette étude est de documenter l’impact des changements climatiques et des activités humaines sur l’environnement de la vallée Svalbarðstunga. Pour atteindre cet objectif, nous nous sommes basées sur l’étude d’archives sédimentaires collectées au sein d’un étang et d’une tourbière, situés à proximité de vestiges d’anciennes fermes. Ces travaux de recherche incluent des analyses macrofossiles, diatomifères, géochimiques et sédimentologiques. La tourbière étudiée s'est mise en place rapidement après la déglaciation, vers 9190 ans étal. BP; les conditions locales étaient minérotrophes riches. Le site s’est ensuite relativement asséché et il est revenue à des conditions plus humides vers 470 ans étal. BP. D’autre part, l’étang étudié présente des signes de perturbations majeures entre 1000 et 1350 AD, telles que la déposition d’un niveau de tourbe non décomposée au sein d’une séquence sédimentaire constituée de gyttja entre 1100 et 1350 AD. En tenant compte de la localisation du site d’étude, l’élevage de bétails, principalement de moutons, aurait pu entraîner une déstabilisation des sols du bassin versant par le surpâturage des buttes de dépôt fluvio-glaciaire et glaciaire qui entourent l’étang, ce qui aurait provoqué une forte accumulation sédimentaire dans l’étang. / Svalbarðstunga is a historic and official region that spans the territory between the Svalbarðsá and Sandárivers (northeastern Iceland). The principal farm of the region is known as Svalbarð’s farm. It is located downstream of the Svalbarðstunga watershed and has been a functioning farm for over 1000 years. Many secondary farms were established in the regiona as satellites of Svalbarð’s farm. The majority of this farms site was abandoned at various times, but the reasons for that are still unknow. Natural factors (e.g.,climate change, volcanism) and/or human factors (e.g., land degradation from overgrazing, epidemics) were the most likely causes of abandonment. The principal goal of this research is to document the impact of climate change and human activities on the environment in Svalbarðstunga. To achieve this aim, we studied the sedimentary record in a pond and in a wetland situated near the ruins of the ancient farms. The research includes the study of macrofossils, diatoms, geochemicals and sedimentary analysis. The wetland in the study was established soon after deglaciation, by 9190 years cal. BP. The local conditions were rich minerotrophicat that time. Subsequently, the site became relatively dry, but wet conditions were re-established by 470 years cal. BP. On the other hand, the pond in the study shows evidence of major perturbations between 1000 and 1350 AD such as deposition of a non-decayed peat level in a sedimentary sequence formed by gyttja. Taking into account the location of the study site, the practice of livestock breeding (mainly sheep) would have destabilized the land on the wathersed due to the overgrazing of the fluvioglacial and glacial deposits knolls that surround the pond. This process would have caused significant sedimentary accumulation in the pond.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

Doctorat en Sciences politiques et sociales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Résoudre la crise climatique est un défi intrinsèquement économique. Il s’agit d’inventer une nouvelle économie, moins dépendante des énergies fossiles et capable, face à l’attrait de l’immédiat, de défendre suffisamment les intérêts des générations futures. Partant de ce constat, cette étude repose sur l’idée qu’une réponse normative crédible face aux changements climatiques ne peut passer que par un droit qui soit axé sur la promotion de la transition énergétique et qui garantisse une articulation équilibrée entre les préoccupations économiques de court terme et les préoccupations, à plus long terme, liées à la préservation du climat mondial. L’étude de La prise en compte des aspects économiques du défi climatique dans le régime juridique international du climat vise à déterminer l’importance que les membres du système multilatéral de lutte contre les changements climatiques accordent à la nécessité de promouvoir la transition énergétique et d’encadrer l’expression des préoccupations économiques nationales dans le cadre de leur coopération. Fondée sur une analyse de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques et du Protocole de Kyoto, ainsi que de leur droit dérivé, cette recherche s’attache tout d’abord à démontrer la portée limitée des outils qui ont spécifiquement été élaborés par les États afin de réformer les modes de développement. Elle met ensuite en lumière le haut niveau de protection que la norme internationale garantit aux intérêts économiques des États (ou qu’elle leur permet de garantir), en examinant les divers mécanismes qui les autorisent à invoquer des motifs économiques pour se soustraire ou moduler à la baisse l’ampleur de leurs engagements d’atténuation. Enfin, à partir d’une analyse des négociations menées au cours des dernières années, cette étude s’interroge sur l’avenir du régime juridique international du climat, dont les membres, cédant peu à peu à la tentation du repli sur soi, semblent s’engager dans un mouvement de renationalisation des questions relatives à la promotion de la transition énergétique et à l’articulation des valeurs économiques et environnementales.

Une nouvelle approche du traitement de l'image, appelée SOM-QE, qui exploite quantization error (QE) des self-organizing maps (SOM) est proposée dans cette thèse. Les SOM produisent des représentations discrètes de faible dimension des données d'entrée de haute dimension. QE est déterminée à partir des résultats du processus d'apprentissage non supervisé du SOM et des données d'entrée. SOM-QE d'une série chronologique d'images peut être utilisé comme indicateur de changements dans la série chronologique. Pour configurer SOM, on détermine la taille de la carte, la distance du voisinage, le rythme d'apprentissage et le nombre d'itérations dans le processus d'apprentissage. La combinaison de ces paramètres, qui donne la valeur la plus faible de QE, est considérée comme le jeu de paramètres optimal et est utilisée pour transformer l'ensemble de données. C'est l'utilisation de l'assouplissement quantitatif. La nouveauté de la technique SOM-QE est quadruple : d'abord dans l'usage. SOM-QE utilise un SOM pour déterminer la QE de différentes images - typiquement, dans un ensemble de données de séries temporelles - contrairement à l'utilisation traditionnelle où différents SOMs sont appliqués sur un ensemble de données. Deuxièmement, la valeur SOM-QE est introduite pour mesurer l'uniformité de l'image. Troisièmement, la valeur SOM-QE devient une étiquette spéciale et unique pour l'image dans l'ensemble de données et quatrièmement, cette étiquette est utilisée pour suivre les changements qui se produisent dans les images suivantes de la même scène. Ainsi, SOM-QE fournit une mesure des variations à l'intérieur de l'image à une instance dans le temps, et lorsqu'il est comparé aux valeurs des images subséquentes de la même scène, il révèle une visualisation transitoire des changements dans la scène à l'étude. Dans cette recherche, l'approche a été appliquée à l'imagerie artificielle, médicale et géographique pour démontrer sa performance. Les scientifiques et les ingénieurs s'intéressent aux changements qui se produisent dans les scènes géographiques d'intérêt, comme la construction de nouveaux bâtiments dans une ville ou le recul des lésions dans les images médicales. La technique SOM-QE offre un nouveau moyen de détection automatique de la croissance dans les espaces urbains ou de la progression des maladies, fournissant des informations opportunes pour une planification ou un traitement approprié. Dans ce travail, il est démontré que SOM-QE peut capturer de très petits changements dans les images. Les résultats confirment également qu'il est rapide et moins coûteux de faire la distinction entre le contenu modifié et le contenu inchangé dans les grands ensembles de données d'images. La corrélation de Pearson a confirmé qu'il y avait des corrélations statistiquement significatives entre les valeurs SOM-QE et les données réelles de vérité de terrain. Sur le plan de l'évaluation, cette technique a donné de meilleurs résultats que les autres approches existantes. Ce travail est important car il introduit une nouvelle façon d'envisager la détection rapide et automatique des changements, même lorsqu'il s'agit de petits changements locaux dans les images. Il introduit également une nouvelle méthode de détermination de QE, et les données qu'il génère peuvent être utilisées pour prédire les changements dans un ensemble de données de séries chronologiques. / A new approach for image processing, dubbed SOM-QE, that exploits the quantization error (QE) from self-organizing maps (SOM) is proposed in this thesis. SOM produce low-dimensional discrete representations of high-dimensional input data. QE is determined from the results of the unsupervised learning process of SOM and the input data. SOM-QE from a time-series of images can be used as an indicator of changes in the time series. To set-up SOM, a map size, the neighbourhood distance, the learning rate and the number of iterations in the learning process are determined. The combination of these parameters that gives the lowest value of QE, is taken to be the optimal parameter set and it is used to transform the dataset. This has been the use of QE. The novelty in SOM-QE technique is fourfold: first, in the usage. SOM-QE employs a SOM to determine QE for different images - typically, in a time series dataset - unlike the traditional usage where different SOMs are applied on one dataset. Secondly, the SOM-QE value is introduced as a measure of uniformity within the image. Thirdly, the SOM-QE value becomes a special, unique label for the image within the dataset and fourthly, this label is used to track changes that occur in subsequent images of the same scene. Thus, SOM-QE provides a measure of variations within the image at an instance in time, and when compared with the values from subsequent images of the same scene, it reveals a transient visualization of changes in the scene of study. In this research the approach was applied to artificial, medical and geographic imagery to demonstrate its performance. Changes that occur in geographic scenes of interest, such as new buildings being put up in a city or lesions receding in medical images are of interest to scientists and engineers. The SOM-QE technique provides a new way for automatic detection of growth in urban spaces or the progressions of diseases, giving timely information for appropriate planning or treatment. In this work, it is demonstrated that SOM-QE can capture very small changes in images. Results also confirm it to be fast and less computationally expensive in discriminating between changed and unchanged contents in large image datasets. Pearson's correlation confirmed that there was statistically significant correlations between SOM-QE values and the actual ground truth data. On evaluation, this technique performed better compared to other existing approaches. This work is important as it introduces a new way of looking at fast, automatic change detection even when dealing with small local changes within images. It also introduces a new method of determining QE, and the data it generates can be used to predict changes in a time series dataset.

Notre recherche a consisté à poser la politique internationale du climat comme une politique publique et à montrer quelles étaient les dynamiques et les acteurs étant intervenus dans sa construction. Nous nous sommes en particulier attelé à mettre en exergue l'univers de sens ( "référentiel") à partir duquel les dispositifs de cette politique ont été élaborés, ainsi que la manière dont la dynamique d'opposition des intérêts propre aux négociations internationales s'y articulait. / Doctorat en sciences politiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished