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Environ trois quarts des ressources globales sont aujourd'hui consommés dans les aires urbaines. Le processus d'urbanisation induit des changements sévères du climat local, de la qualité environnementale des espaces, ainsi qu'une augmentation significative de la demande énergétique des bâtiments. Les projections statistiques sur la croissance de la population urbaine indiquent que cette situation tendra à s'aggraver dans les années à venir. Il devient donc impératif de chercher d'autres stratégies pour mieux adapter les environnements urbains aux nouvelles demandes énergétiques, afin de réduire l'empreinte environnementale des villes. Dans ce contexte, ce travail est une contribution à la recherche énergétique urbaine, plus particulièrement en ce qui concerne l'énergie consommée et potentiellement produite parles bâtiments à l'échelle urbaine locale. La morphologie urbaine est ici considérée comme un paramètre crucial dans le processus d'amélioration de l'efficacité énergétique du cadre bâti. Dans les zones de basses latitudes, sous climat tropical, l'énergie solaire incidente est extrêmement abondante. Toutefois, la bonne utilisation de cette ressource dans les bâtiments peut suggérer l'adoption de formes urbaines très peu denses et étales, en vue de réduire les obstructions produites par l'environnement proche. A rebours, ces formes urbaines très peu denses peuvent entrainer une augmentation des apports solaires sur les façades,élevant la demande énergétique. Le contrôle des gains solaires sur les façades pour la réduction de la demande énergétique peut ainsi représenter une perte potentielle en terme d'éclairement naturel des espaces, et une réduction du potentiel de production d'énergie solaire. Afin de quantifier le potentiel de ces stratégies conflictuelles, il devient indispensable de convoquer des modèles d'analyse pluridisciplinaires, permettant de mettre en oeuvre des approches multicritères dans le processus de conception de la forme urbaine. Cette thèse s'appuie sur une réflexion prospective sur les quartiers de la ville de Maceió, Alagoas, au Brésil. Dans un premier temps, un ensemble de paramètres morphologiques caractéristiques sont employés pour identifier et caractériser le potentiel solaire de typologies de référence de la ville. Ensuite, ces paramètres sont soumis à une analyse de sensibilité via un plan d'expérience. Les paramètres statistiquement significatifs sont alors intégrés à une méthode paramétrique d'optimisation dans laquelle l'algorithme génétique NSGA-II est couplé à un algorithme simplifiée de radiosité, visant à maximiser le potentiel de production d'énergie sur les toitures des bâtiments, tout en minimisant les apports solaires sur ses façades. Nous considérons des seuils d'éclairement naturel et intégrons des règles locales d'urbanisme comme contraintes aux projets. Cinq typologies représentatives du tissu urbain de Maceió ont ainsi été identifiées. L'ensemble des indicateurs les plus influents sur le potentiel solaire des formes urbaines a été hiérarchisé, en mettant l'accent notamment sur le rôle du prospect moyen ou de l'albédo des surfaces. La méthode d'optimisation a permis de tester plus de 80 000configurations d'ilots urbains et les résultats obtenus font apparaître une grande diversité de morphologies «optimum». Ces projets ont des performances solaires supérieures à celles des typologies existantes dans la ville. Cette intégration de stratégies énergétiques contradictoires montre qu'au-delà de l'intégration de contraintes variées et d'une meilleure adaptation à la complexité du processus de design urbain, l'approche utilisée ici apparaît très utile pour la recherche de solutions urbaines performantes à l'échelle des quartiers. Cette approche peut ainsi participer au renouvellement de l'Architecture de la Ville / At the beginning of 21th century, the world was faced with unprecedented environmental transformations. The urbanization process reached record levels and it keeps increasing, especiallyin developing countries. Around 3/4 of global resources are currently consumed in urban settlements, with corresponding adverse environmental consequences which leads to severe local climate changes, affecting environmental quality of spaces and leading to a significant increase of energy demand in buildings. A projection of the world urban population indicates that this situation will worsen in the coming years. It is therefore imperative that we understand how to design less resource intensive urban settlements. This research consists of a contribution to the energy debate in cities, focusing on the energy potentially consumed and produced by the built environment in the neighborhood scale. Urban morphology has been pointed out as a pivotal issue on shifting to climate adapted urban environments towards energy efficiency of buildings. In tropical climate regions, solar energy represents a high potential for renewable electric production in buildings, recording high levels of irradiation throughout the year. Though, engaging such a strategy may suggest applying sparsely low-density urban forms, aiming at reducing obstructions caused by the urban built surroundings. On one hand, scattered and less dense urban forms may result in significant increase of solar thermal load in buildings vertical facades, but on the other hand, the control of the solar heat gains in urban facades may represent significant losses on indoors daylight levels andalso reducing solar energy harness. Estimating the relative potential of these conflicting design strategies, taking into account the constrained parameters related to local building regulation, requires coupling multidisciplinary and multiobjective models of analysis in order to integrate multi-criteria approach in the urban design process. This thesis aims to contribute to a prospective energy debate toward sustainable urban districts for the city of Maceió in Brazil. Firstly, a set of energy-related morphological parameters are applied to identify, classify and characterize the solarpotential of local urban typologies. Then, these parameters are analyzed by means of a sensitivity analysis using a design of experiments reduced factorial method. The statistically most significant parameters are then submitted to a parametric design methodology via optimization, in which thenon-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is coupled with a simplified radiosity algorithm.The solar constraints are integrated as design criteria aiming at maximizing the solar energy potential on building roofs and minimizing solar gains on the their vertical facades. Daylight threshold levels as well as local building regulation parameters are taken into account as design constraints. Five representative types of urban fabric of Maceió were identified which allowed examining and adapting them from the use of energy-related indicators of the urban form. A set of most influential indicators of solar potential of urban forms was hierarchized, highlighting the role of the aspect ratio and albedo of urban surfaces. The application of optimization algorithm allowed testing more than 80,000 urban settings, pointing out a great diversity of "optimum" morphologies of urban blocks. The urban block designs obtained behaved better compared to the existing local typologies. Dealing with conflicting energy strategies by means of a constrained evolutionary optimization design process offered a great opportunity in searching for new solutions to the urban design in the neighborhood scale, helping to guide urban designers' decisions and allowing arenewal of the Architecture of the city

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG). / The Solomon Sea is a semi-closed sea located in the subtropical Pacific Ocean. It connects subtropical water masses to the equatorial one through the low latitude western boundary currents (LLWBCs) and could potentially modulate the tropical Pacific climate at decadal time-scales. This region is not well documented because of few available observations. One of the main objective of this study is to set up a high resolution realistic ocean model of the Solomon at 1/36° that will allow to resolve a broad range of scales, especially the mesoscale and partially the sub-mesoscale processes. The general circulation and the mesoscale and sub-mesoscale variabilities are studied. The representation of the high resolution circulation is consistent with the available observations and is better resolved than in previous coarser resolution models. The mesoscale variability in the high resolution model is strongly increased compared to that of previous models and is in a good agreement with the observations. SST, SSH and kinetic energy wavenumber spectra in the Solomon Sea show spectral slopes closed to the surface quasi-geostrophy SQG theory.

Le concept de « service écosystémique », en plein essor depuis la publication du Millenium Ecosystem Assessment en 2005, a permis de souligner l'importance des performances non-marchandes des écosystèmes. En arboriculture, assurer une bonne productivité tout en préservant les ressources naturelles et la santé humaine est aujourd’hui un défi majeur, qui peut être analysé sous l’angle des services écosystémiques. Quels sont ces services au sein d’un verger de pommiers ? Comment les analyser ? Quels sont les liens - conflits et synergies - entre services écosystémiques multiples et comment les systèmes de culture modifient-ils les profils de services multiples? Ce travail de thèse vise à répondre à ces questions avec une démarche novatrice combinant mesures expérimentales, modélisation et analyse statistique. Suite à une analyse bibliographique des services écosystémiques pouvant être délivrés dans des vergers, cinq services ont été sélectionnés. Il s’agit de la production de fruits, de la disponibilité de l’azote dans le sol, de la régulation du climat reposant sur la prévention de la dénitrification de l’azote et sur la séquestration du carbone, de la maintenance et de la régulation du cycle de l’eau y compris de sa qualité, et de la régulation des bioagresseurs. Conjointement à ces services nous avons considéré les nuisances environnementales dues aux pesticides. Pour chaque service nous avons identifié les fonctions écosystémiques sous-jacentes ainsi que les pratiques agricoles et les conditions pédoclimatiques ayant un impact sur ces fonctions. Les services et fonctions ont été décrits par un ou plusieurs indicateurs et quantifiés à l’aide de modèles dans les cas suivants : (i) neuf systèmes de culture réels sur deux dispositifs expérimentaux dans le sud-est de la France et (ii) 150 systèmes de culture fictifs conçus à partir de la combinaison de cinq leviers de pratiques et de leurs modalités, dans des conditions pédoclimatiques identiques. Les deux modèles utilisés ont été STICS, un modèle générique de simulation du fonctionnement du sol et des cultures sous l’influence des pratiques, qui a nécessité une paramétrisation et une évaluation sur pommier à partir de mesures expérimentales, et IPSIM, une plateforme de modélisation simulant les effets des pratiques et des conditions du milieu sur les dégâts aux cultures causés par les bioagresseurs. IPSIM a été paramétré sur pommier, sur la base d’une importante étude bibliographique et à dires d’experts. Les simulations des modèles ont fait l’objet d’analyses statistiques simples dans le cas des systèmes de culture réels, et d’analyses multivariées à deux tableaux (analyse en composantes principales avec variables instrumentales) pour les systèmes de culture fictifs. Pour les neufs systèmes de culture réels, 14 liens importants entre services écosystémiques ont été identifiés, notamment des conflits comme celui entre la prévention de la dénitrification ou de la lixiviation de l’azote et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme, et des synergies, comme celle entre l’humidité du sol ou la séquestration du carbone et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme. Ces liens entre services sont expliqués par les fonctions écosystémiques sous-jacentes. La comparaison de profils de services entre systèmes a mis en évidence l’impact de pratiques agricoles sur certains services. Ainsi, sur un même site, une forte densité de plantation augmente la production de fruits et la séquestration du carbone. La fertilisation exclusivement sous une forme organique diminue la production de fruits via un stress azoté mais diminue également la lixiviation. Par ailleurs, les profils de services sont fortement influencés par les caractéristiques pédoclimatiques de chaque site. Ces résultats confortent la nécessité d’une prise en compte explicite de l’interdépendance ‘pratiques x conditions du milieu’ pour analyser les services. / The concept of « ecosystem service », which has been used increasingly since the publication of the Millennium Ecosystem Assessment in 2005, has highlighted the importance of ecosystem’s non-marketed performances. In orchards, ensuring high productivity while preserving natural resources and human health has become a real challenge that could be analyzed with the concept of ecosystem service. Which ecosystem services are delivered in an apple orchard? How to analyze them? What are the relationships - conflicts or synergies – among multiple ecosystem services and how do cropping systems change multiple ecosystem service profiles? This PhD work aims at answering those questions with an innovative approach combining experimental measures, modeling and statistical analysis.Based on a literature review of ecosystem services in orchards, five services were selected: fruit production, nitrogen availability in soil, climate regulation based on the prevention of nitrogen denitrification and on carbon sequestration, maintenance and regulation of water cycle, including water quality, and pest control. We also considered the environmental disturbances caused by the use of pesticides. For each service, we identified the underlying ecosystem functions as well as the agricultural practices and soil and climate conditions affecting these functions. Services and functions were described by one or multiple indicators and quantified using models in the case of (i) nine existing cropping systems on two experimental sites in southeastern France differing in terms of soil and climate conditions, and (ii) 150 virtual cropping systems designed out of the combination of five major agricultural practice levers and their modalities, in identical soil and climate conditions. The two models used were STICS, a generic soil-crop simulation model under the influence of practices which required a parameterization and an evaluation on apple orchards based on experimental measures, and IPSIM, a generic modeling framework simulating the impacts of agricultural practices and local conditions on crop injuries caused by pests. IPSIM was parameterized on apple orchards, based on an important literature review and expert opinions. Model simulations were analyzed with simple statistics in the case of the nine existing cropping systems and with two-table multivariate analyses (principal component analysis with instrumental variables) for virtual cropping systems.Concerning the existing cropping systems, 14 important relationships were identified among ecosystem services, especially conflicts, like the one between nitrogen denitrification or leaching prevention and soil nitrogen availability on the short term, and synergies such as the one between soil humidity or carbon sequestration and nitrogen availability on the short term. These relationships are explained by the underlying ecosystem functions. Comparing service profiles among cropping systems highlighted the impacts of agricultural practices on some services. That way, on a same site, a high planting density increases fruit production and carbon sequestration. An exclusively organic fertilization decreases fruit production through nitrogen stress but also nitrogen leaching in drained water. Furthermore, service profiles are strongly influenced by the soil and climate conditions of each site. These results strengthen the need to explicitly consider the ‘agricultural practices x soil and climate conditions’ interdependence in order to analyze ecosystem services. The results obtained with the virtual cropping systems simulations confirmed those of the existing ones and gave precision on the impacts of fertilization, irrigation and pest control for codling moth, rosy apple aphid and apple scab on ecosystem functions and services.

Durant l’épisode de canicule-sécheresse de 2003, les peuplements de douglas et de hêtres en Bourgogne ont été lourdement affectés, présentant des symptômes de dépérissement et de surmortalité. Cet épisode semble être la première occurrence d’aléas climatiques attendus dans un futur proche et remet en question leur pérennité en Bourgogne puisque leur vulnérabilité au climat est attribuable à l'amplitude et au cumul des contraintes hydriques exercées durant leur cycle de végétation. Dans le contexte du changement climatique et en réponses aux demandes des gestionnaires forestiers qui s’appuient partiellement sur une cartographie de l’évolution des contraintes climatiques jusqu’à la fin de ce siècle, ce travail explore la capacité d’une chaîne de modélisation hydroclimatique haute résolution couplant le modèle de climat régional WRF alimenté par les réanalyses ERA-Interim au modèle de bilan hydrique Biljou© ˆ simuler des indices de déficit hydrique pour ces deux essences. La première partie de ce travail propose une analyse de la capacité du modèle WRF à simuler chacune des variables atmosphériques de surface qui sont utilisées en entrée du modèle du bilan hydrique. L’analyse de la capacité du modèle à simuler ces variables repose (i) sur une approche comparative directe entre les données simulées par WRF et les observations enregistrées par le réseau de stations Météo-France et les réanalyses SAFRAN à l’échelle de la région, de la station, et du peuplement forestier, (ii) sur une approche indirecte utilisant l’évapotranspiration potentielle (ETP) et la relation entre les indices de croissance radiale et les indices de déficit hydrique calculés par le modèle d’impact pour les deux essences. Les résultats montrent une amélioration significative des données ERA-Interim par le modèle WRF pour chacune des variables ainsi qu’une capacité certaine à les spatialiser à haute résolution. Toutefois, la bonne reproduction de l’ETP par WRF, combinée à la faible corrélation entre la moyenne annuelle des indices de déficit hydrique estimés avec les données WRF et la moyenne annuelle des indices de croissance radiale montrent que les difficultés de WRF à simuler le déficit hydrique sont principalement imputables à ses biais de précipitations. La seconde partie propose l’application d’une post-correction statistique aux données de précipitations WRF. Bien que cette méthode améliore significativement la distribution spatiale des précipitations, leurs variabilités saisonnière et interannuelle et surtout les cumuls précipités, les données post-corrigées ne permettent pas de reproduire un indice de déficit hydrique suffisamment proche de celui estimé à partir des observations ou des analyses SAFRAN. Deux nouvelles simulations résolvant explicitement les processus convectifs et utilisant un guidage spectral ont permis de montrer à partir de deux années types que cette déficience est imputable à l’incapacité de la méthode de correction à résoudre les différences de timing de la variabilité climatique transitoire simulée par WRF. Deux types d’erreurs de modélisation climatique, survenant indépendamment, sont donc d'une importance primordiale pour les études d'impact: (i) la chronologie des événements pluvieux ; (ii) la distribution statistique des précipitations quotidiennes. La combinaison de ces deux éléments contrôle le nombre de jours franchissant le seuil de 40% de réserve relative en eau du sol et indirectement l’intensité des indices de déficit hydrique. / During the 2003 drought and heat wave event, douglas-fir and common beech stands in Burgundy have been heavily affected, and presented symptoms of dieback and mortality. This event seems to be the first occurrence of expected climatic changes in the near future and questions their sustainability in Burgundy since their climate vulnerability is mainly due to the amplitude and accumulated water constraints exercised during their growing cycle. In the context of climate change and in order to provide information to forest managers who partly rely on a mapping of the climatic constraints until the end of this century, this work explores the ability of a high resolution hydroclimatic modelling chain, coupling the regional climate model WRF to the daily lumped water balance model Biljou© in order to simulate soil water deficit indices for these two species. The first part of this paper analyzes the capacity of WRF model to simulate each surface atmospheric variable used as input for the water balance computation. The analysis of model's ability to simulate these variables is based on (i) a direct and comparative approach between WRF simulated data and observations recorded by the Météo-France stations network and SAFRAN reanalyses across the whole region, over stations and forest stands, (ii) on an indirect approach using the potential evapotranspiration and soil water deficit index calculated by Biljou©. Results show a significant improvement upon the ERA-Interim data for each variable and a strong ability to produce reliable data at high resolution. However, the WRF capability to estimate a realist potential evapotranspiration, combined to the the low correlation between the average annual soil water deficit and radial growth indexes, show that the WRF deficiencies in simulating water deficit are mainly attributable to its precipitation biases. The second part proposes to apply a statistical post-correction to the WRF precipitation data. Although this method significantly improves the spatial distribution of precipitation, their seasonal and interannual variability and precipitation amounts, post-corrected data do not produce a water deficit index sufficiently close to those ones estimated from observations or SAFRAN reanalysis. Two new simulations explicitly solving convective processes and using a spectral nudging have shown that this deficiency is mainly attributable to the inability of the correction method to solve timing differences of the transient climate variability simulated by WRF. This work showed that two types of climate modeling errors occurring independently, are major issues for impact studies: (i) the timing of precipitations events ; (ii) the statistical distribution of daily precipitation. Combined together, they control the number of days crossing the 40% threshold of relative extractable water and indirectly the soil water deficit index intensity.

Alors que l’adaptation aux changements climatiques se présente comme une problématique fondamentale à l’échelle planétaire, nous avons choisi d’étudier les stratégies qui se développent aujourd’hui, réduisant la vulnérabilité des populations des pays en développement aux impacts du réchauffement global :ces populations sont souvent catégorisées comme étant les plus vulnérables aux changements climatiques. L’amplification de ces phénomènes au cours des prochaines années et décennies risque alors d’induire de nouvelles vulnérabilité à l’échelle locale. Il faut souligner que ces populations sont déjà confrontées aux impacts de la variabilité et du changements climatiques, face auxquels elles peuvent avoir développé certaines stratégies d’adaptation, mais peuvent également se trouver sans ressources.<p>Cette recherche s’intéresse essentiellement à l’aspect pragmatique du concept d’adaptation aux changements climatiques, questionnant la réalité de l’adaptation – ou de la non adaptation – des populations à l’échelle locale. Pour ce faire, nous avons axé l’étude autour d’enquêtes de terrain menées dans le sud du Bénin, au sein de communautés rurales agricoles. Nous avons analysé la vulnérabilité climatique des populations à des aléas relevant de la variabilité du climat, qui semble s’être accentuée récemment. L’analyse repose sur le recours à un cadre d’analyse s’inspirant des approches contextuelles et top-down utilisées, dans la littérature récente, pour étudier la vulnérabilité aux changements climatiques. Ces approchent complémentaires permettent d’étudier la vulnérabilité initiale d’une société, fragilisée alors par de nouveaux stress qui émergent dans le contexte du réchauffement global.<p>Au final de cette recherche, nous avons mis en évidence les causes de la vulnérabilité climatique de populations sud-béninoises, causes situées à différentes échelles (locales à internationales), ainsi que les facteurs favorisant l’émergence de stratégies d’adaptation au climat :l’étude de ces facteurs inclut l’impact des politiques internationales de soutien à l’adaptation aux changements climatiques sur des populations locales du Bénin. Il ressort, en conclusions, que la vulnérabilité des sociétés doit s’étudier en regard de facteurs situés aux échelles locales, nationales et internationales, influençant les conditions de vie au sein de villages et favorisant la vulnérabilité des populations aux stress climatiques pouvant relever du réchauffement global. Dans nos cas d’étude, les populations sont vulnérables de par certains facteurs socio-économiques influençant les conditions de vie dans les villages, et, sur le plan de l’encadrement institutionnel, de par la faiblesse des structures de l’Etat, décentralisées :celles-ci se sont révélées peu présentes dans les villages étudiés, n’assurant pas le développement socio-économique et agricole à l’échelle locale. La vulnérabilité des populations qui en résulte est alors amplifiée par certains aléas climatiques spécifiques, accentuant la variabilité climatique et provoquant une certaine imprévisibilité au niveau de la pluviométrie. Réduire la vulnérabilité climatique des populations, y compris à des aléas qui pourront s’amplifier au cours des prochaines années, implique dès lors des actions se situant à différentes échelles – l’échelle locale, mais également visant certains aspects du fonctionnement de l’Etat béninois – et relevant à la fois, spécifiquement, de l’adaptation aux changements climatiques et, plus généralement, du développement socio-économique et institutionnel. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les recherches récapitulées dans cette thèse de doctorat ont porté sur les causes de l’organisation spatiale des végétations périodiques. Ces structures paysagères aux motifs réguliers, tachetés, tigrés ou labyrinthiques, d’échelle décamétrique à hectométrique, couvrant des étendues considérables sur au moins trois continents, constituent un cas d’école dans l’étude des processus endogènes présidant à l’hétérogénéité du couvert végétal. Ces structures prennent place sur un substrat homogène, mis à part la rétroaction du couvert lui-même, et sont marquées par des écotones abrupts et la persistance d’une proportion considérable de sol nu. Plusieurs modèles ont mis en avant l’existence possible d’un phénomène d’auto-organisation du couvert, qui verrait une structure d’ensemble émerger des interactions locales entre individus. Ces modèles se basent sur le jeu simultané de la consommation de la ressource (compétition) et de l’amélioration de l’un ou l’autre des éléments du bilan de la même ressource par le couvert (facilitation). La condition à l’existence d’une structure d’ensemble spatialement périodique et stable réside dans une différence entre la portée de la compétition (plus grande) et celle de la facilitation. L’apparition de ces structures est modulée par le taux de croissance biologique, qui est le reflet des contraintes extérieures telles que l’aridité, le pâturage ou la coupe de bois. Le modus operandi des interactions spatiales supposées entre individus reste largement à préciser.<p>Nos recherches ont été menées au sud-ouest de la République du Niger, à l’intérieur et dans les environs du parc Régional du W. Trois axes ont été explorés :(i) Une étude de la dépendance spatiale entre la structure de la végétation (biovolumes cartographiés) et les paramètres du milieu abiotique (relief, sol), sur base d’analyses spectrales et cross-spectrales par transformée de Fourier (1D et 2D). (ii) Une étude diachronique (1956, 1975 et 1996) à large échelle (3000 km²) de l’influence de l’aridité et des pressions d’origine anthropique sur l’auto-organisation des végétations périodiques, basée sur la caractérisation de la structure spatiale des paysages sur photos aériennes via la transformée de Fourier en 2D. (iii) Trois études portant sur les interactions spatiales entre individus :En premier lieu, via l’excavation des systèmes racinaires (air pulsé) ;Ensuite, par un suivi spatio-temporel du bilan hydrique du sol (blocs de gypse) ;Enfin, via le marquage de la ressource par du deutérium. <p>Nous avons ainsi pu établir que les végétations périodiques constituent bien un mode d’auto-organisation pouvant survenir sur substrat homogène et modulé par les contraintes climatiques et anthropiques. Un ajustement rapide entre l’organisation des végétations périodiques et le climat a pu être montrée en zone protégée. La superficie et l’organisation des végétations périodiques y ont tour à tour progressé et régressé en fonction d’épisodes secs ou humides. Par contre, en dehors de l’aire protégée, la possibilité d’une restauration du couvert semble fortement liée au taux d’exploitation des ressources végétales. Ces résultats ont d’importantes implications quant à la compréhension des interactions entre climat et écosystèmes et à l’évaluation de leurs capacités de charge. La caractérisation de la structure spatiale des végétations arides, notamment par la transformée de Fourier d’images HR, devrait être généralisée comme outil de monitoring de l’état de ces écosystèmes. Nos études portant sur les modes d’interactions spatiales ont permis de confirmer l’existence d’une facilitation à courte portée du couvert végétal sur la ressource. Cependant, cette facilitation ne semble pas s’exercer sur le terme du bilan hydrique traditionnellement avancé, à savoir l’infiltration, mais plutôt sur le taux d’évaporation (deux fois moindre à l’ombre des canopées). Ce mécanisme exclut l’existence de transferts diffusifs souterrains entre sols nu et fourrés. Des transferts inverses semblent d’ailleurs montrés par le marquage isotopique. L’étude du bilan hydrique et la cartographie du micro-relief, ainsi que la profondeur fortement réduite de la zone d’exploitation racinaire, jettent de sérieux doutes quant au rôle communément admis des transferts d’eau par ruissellement/diffusion de surface en tant que processus clé dans la compétition à distance entre les plantes. L’alternative réside dans l’existence d’une compétition racinaire de portée supérieure aux canopées. Cette hypothèse trouve une confirmation tant par les rhizosphères excavées, superficielles et étendues, que dans le marquage isotopique, montrant des contaminations d’arbustes situés à plus de 15 m de la zone d’apport. De même, l’étude du bilan hydrique met en évidence les influences simultanées et contradictoires (facilitation/compétition) des ligneux sur l’évapotranspiration.<p>/<p><p>This PhD thesis gathers results of a research dealing with the causes of the spatial organisation of periodic vegetations. These landscape structures, featuring regular spotted, labyrinthine or banded patterns of decametric to hectometric scale, and extending over considerable areas on at least three continents, constitute a perfect study case to approach endogenous processes leading to vegetation heterogeneities. These patterns occur over homogeneous substratum, except for vegetation’s own feedbacks, and are marked by sharp ecotones and the persistence of a considerable amount of bare soil. A number of models suggested a possible case of self-organized patterning, in which the general structure would emerge from local interactions between individuals. Those models rest on the interplay of competitive and facilitative effects, relating to soil water consumption and to soil water budget enhancement by vegetation. A general necessary condition for pattern formation to occur is that negative interactions (competition) have a larger range than positive interactions (facilitation). Moreover, all models agree with the idea that patterning occurs when vegetation growth decreases, for instance as a result of reduced water availability, domestic grazing or wood cutting, therefore viewing patterns as a self-organised response to environmental constraints. However the modus operandi of the spatial interactions between individual plants remains largely to be specified.<p>We carried out a field research in South-West Niger, within and around the W Regional Park. Three research lines were explored: (i) The study of the spatial dependency between the vegetation pattern (mapped biovolumes) and the factors of the abiotic environment (soil, relief), on the basis of spectral and cross-spectral analyses with Fourier transform (1D and 2D). (ii) A broad scale diachronic study (1956, 1975, 1996) of the influence of aridity and human induced pressures on the vegetation self-patterning, based on the characterisation of patterns on high resolution remote sensing data via 2D Fourier transform. (iii) Three different approaches of the spatial interactions between individuals: via root systems excavation with pulsed air; via the monitoring in space and time of the soil water budget (gypsum blocks method); and via water resource labelling with deuterated water.<p>We could establish that periodic vegetations are indeed the result of a self-organisation process, occurring in homogeneous substratum conditions and modulated by climate and human constraints. A rapid adjustment between vegetation patterning and climate could be observed in protected zones. The area and patterning of the periodic vegetations successively progressed and regressed, following drier or wetter climate conditions. On the other hand, outside protected areas, the restoration ability of vegetation appeared to depend on the degree of vegetation resource exploitation. These results have important implications regarding the study of vegetation-climate interactions and the evaluation of ecosystems’ carrying capacities. Spatial pattern characterisation in arid vegetations using Fourier transform of HR remote sensing data should be generalised for the monitoring of those ecosystems. Our studies dealing with spatial interaction mechanisms confirmed the existence of a short range facilitation of the cover on water resource. However, this facilitation does not seem to act through the commonly accepted infiltration component, but rather on the evaporative rate (twice less within thickets). This mechanism excludes underground diffusive transfers between bare ground and vegetation. Inverse transfers were even shown by deuterium labelling. Water budget study and micro-elevation mapping, along with consistent soil shallowness, together cast serious doubts on the traditional mechanism of run-off/diffusion of surface water as a key process of the long range competition between plants. An alternative explanation lies in long range root competition. This hypothesis find support as well in the excavated root systems, shallow and wide, as in isotopic labelling, showing contaminations of shrubs located up to 15 m of the irrigated area. Water budget study also evidenced simultaneous contradictory effects (facilitation/competition) of shrubs on evapotranspiration.<p> / Doctorat en sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail a consisté à développer un modèle de canopée (CIM), qui pourrait servir d’interface entre des modèles méso-échelles de calcul du climat urbain et des modèles micro-échelles de besoin énergétique du bâtiment. Le développement est présenté en conditions atmosphériques variées, avec et sans obstacles, en s’appuyant sur les théories précédemment proposées. Il a été, par exemple, montré que, pour être en cohérence avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov, un terme correctif devait être rajouté au terme de flottabilité de la T.K.E. CIM a aussi été couplé au modèle méso-échelle WRF. Une méthodologie a été proposée pour profiter de leurs avantages respectifs (un plus résolu, l’autre intégrant des termes de transports horizontaux) et pour assurer la cohérence de leurs résultats. Ces derniers ont montré que ce système, en plus d’être plus précis que le modèle WRF à la même résolution, permettait, par l’intermédiaire de CIM, de fournir des profils plus résolus près de la surface. / This study consisted in the development of a canopy model (CIM), which could be use as an interface between meso-scale models used to simulate urban climate and micro-scale models used to evaluate building energy use. The development is based on previously proposed theories and is presented in different atmospheric conditions, with and without obstable. It has been shown, for example, that to be in coherence with the Monin-Obukhov Similarity Theory, that a correction term has to be added to the buoyancy term of the T.K.E. CIM has also been coupled with the meteorological meso-scale model WRF. A methodology was proposed to take advantage of both models (one being more resolved, the other one integrating horizontal transport terms) and to ensure a coherence of the results. Besides being more precise than the WRF model at the same resolution, this system allows, through CIM, to provide high resolved vertical profiles near the surface.

Les bâtiments représentent 40 pourcents de la consommation finale d'énergie. Ils sont ainsi le fer de lance des politiques de réduction des dépenses énergétiques. Récemment, des systèmes de modèles climatiques qui incluent un modèle atmosphérique régional et des paramétrisations urbaines sophistiquées ont été développés. Ils considèrent la complexité de l’îlot de chaleur urbain et ses interactions avec les besoins énergétiques des bâtiments. Dans quelle mesure ces systèmes constituent-ils des outils d’aide à la décision pour les autorités locales ? Cette étude menée sur le territoire de l'Eurodistrict (Strasbourg - Kehl) en 2010, puis en 2030, à l’aide du système de modèles de climat WRF/ARW-BEP+BEM a démontré que si le système de modèles estimait de manière fiable les besoins en chauffage des bâtiments, ces derniers étaient davantage sensibles aux caractéristiques intrinsèques des bâtiments qu'aux formes urbaines et à l'îlot de chaleur urbain induit par ces formes. / Buildings represent 40 percent of the end-use energy. Thus, they constitute a key point of the energy saving policies. Recently, climate modeling systems that include a mesoscale atmospheric model, sophisticated urban parameterizations have been developed to account for the complexity of the urban climate and its interactions with the building energy loads. This study aims to assess the capability of such climate modeling systems to provide climate and energy guidelines to urban planners. For this, we used the research collaborative WRF/ARW-BEP+BEM climate modeling system and performed sensitivity tests considering the territory of the Eurodistrict in 2010, and then in 2030. The results reveal that the climate modeling system achieves estimating the building energy needs over the study area, but also indicate that the building energy needs are more sensitive to the building intrinsic properties and occupant behavior than to the urban forms and their induced urban heat island.

De nombreuses études au cours des dernières décennies ont porté sur l'effet l’îlot de chaleur urbain (ICU). Les efforts initiaux visant à comprendre les facteurs qui influent sur l’ICU ont contribué à la mise en place de solutions et de stratégies d'atténuation adaptées. Les stratégies d'atténuation comprennent généralement l'augmentation de l'albédo urbain (réflectivité au rayonnement solaire) et l'évapotranspiration. Les augmentations d'albedo sont obtenues grâce à des technologies de toiture et de pavage ayant un albédo élevé. Une augmentation de l'évapotranspiration est obtenue par une combinaison de la diminution de la fraction de surfaces imperméables et la plantation de végétation dans les zones urbaines. Le confort thermique extérieur est défini à partir d’indices prenant en compte différents paramètres physiques et traduit la perception et la satisfaction des piétons. Ce confort est très difficile à obtenir en climat chaud et aride. Par conséquent, le travail présenté dans ce document met l'accent sur les méthodes appropriées pour réduire l’ICU et ainsi améliorer le confort thermique en plein air des piétons. Jusqu’à présent, peu de recherches ont été menées sur le confort thermique extérieur dans un climat chaud et aride. Les études sur l'atténuation de l'ICU et le confort thermique extérieur sont pratiquement inexistantes pour la ville de Bagdad. Bagdad a un tissu urbain complexe avec des constructions modernes, des maisons traditionnelles et des éléments caractéristiques du patrimoine local. Le climat en été est chaud, et les mois d'été sont considérés comme la plus longue saison avec près de 7 mois de l'année. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur l'étude des stratégies d'atténuation à envisager afin d’évaluer comment le confort des piétons est affecté par les choix de conception des constructions, en comparant un quartier traditionnel à un quartier moderne. L’étude envisage ensuite la façon dont la végétation et les ombrages contribuent à réduire l'effet de l'ICU et à améliorer le confort thermique extérieur. Quatre scénarios différents sont élaborés pour évaluer le rôle d’éléments végétaux tels que les arbres, l'herbe et les différents modèles d'ombrage. L'évaluation a été effectuée le jour le plus chaud de l'été, la température radiante moyenne, l'humidité spécifique, la température de l'air et les distributions de la vitesse du vent ont été analysées à l'aide du logiciel ENVI-met. Le confort thermique est ensuite évalué à l'aide des indices thermiques de la température équivalente physiologique PET et du PMV étendu aux ambiances extérieures. En outre, une proposition de solution est abordée afin d’étudier son impact sur le confort thermique pour la journée la plus chaude (situation extrême) et une journée typique d’été. Les résultats ont révélé une amélioration du confort thermique dans la journée typique d’été. L'étude montre comment les facteurs urbains tels que le rapport d'aspect, la couverture végétale, les ombres et la géométrie du quartier sont des éléments cruciaux que les urbanistes et les municipalités doivent prendre en compte, en particulier pour les nouveaux aménagements urbains dans un climat chaud et aride. Une proposition d’aménagement global pour atténuer les ICU dans le cas d’un nouveau quartier sous climat aride, est détaillée en fin de mémoire. / Numerous studies over the past several decades focused on the effect of the Urban Heat Island. Initial efforts on understanding the factors affecting UHI contributed to proceed the appropriate solutions and mitigation strategies. Mitigation strategies comprise increase both urban albedo (reflectivity to solar radiation), and evapotranspiration. Albedo increases are obtained through high albedo roofing and paving technologies. An increase in evapotranspiration is achieved through a combination of decreasing the fraction of impervious surfaces and planting vegetation in urban areas. The outdoor thermal comfort is influenced by the perception and satisfaction of the pedestrians, especially in hot and arid climates. Consequently, this work focuses on the appropriate methods for reducing the Urban Heat Island and thus to enhance the pedestrians outdoor thermal comfort. However, there is limited research conducted on the outdoor thermal comfort in hot and arid climate. The studies on the mitigation the Urban Heat Island and the outdoor thermal comfort are almost non-existent for Baghdad city. Baghdad has a complex urban fabric with modern design constructions buildings, traditional and heritage houses. The climate in summer is hot, and summer months are considered the longest season with nearly 7 months of the year. This study focuses on investigating possible mitigation strategies to ensure how pedestrian comfort is affected by the constructions design choices comparing a traditional district to a modern one, and on how vegetation and shading patterns contribute to reducing the effect of UHI and improving the outdoor thermal comfort. Four different scenarios are designed to assess the role of vegetation elements such as trees, grass, and different shading patterns. The evaluation was performed on the hottest day in summer, the mean radiant temperature, specific humidity, air temperature, and wind speed distributions have been analyzed using ENVI-met software. Thermal comfort is assessed using the thermal indices the Physiological Equivalent Temperature PET and the Predicted Mean Vote PMV. Also, a proposal model is designed to evaluate the thermal comfort on the hottest day and the typical day in summer. The results revealed an improvement on thermal comfort in the typical day in summer. The study shows how the urban factors such as the aspect ratio, vegetation cover, shadings, and geometry of the canyon are crucial elements that urban planners and municipalities have to take into account, especially for new urban developments in hot, arid climate.