We propose a mathematical procedure to derive a stochastic parameterization for the bulk warm cloud micro-physical properties of collision and coalescence. Unlike previous bulk parameterizations, the stochastic parameterization does not assume any particular droplet size distribution, all parameters have physical meanings which are recoverable from data, all equations are independently derived making conservation of mass intrinsic, the auto conversion parameter is finely controllable, and the resultant parameterization has the flexibility to utilize a variety of collision kernels. This new approach to modelling the kinetic collection equation (KCE) decouples the choice of a droplet size distribution and a collision kernel from a cloud microphysical parameterization employed by the governing climate model. In essence, a climate model utilizing this new parameterization of cloud microphysics could have different distributions and different kernels in different climate model cells, yet employ a single parameterization scheme. This stochastic bulk model is validated theoretically and empirically against an existing bulk model that contains a simple enough (toy) collision kernel such that the KCE can be solved analytically. Theoretically, the stochastic model reproduces all the terms of each equation in the existing model and precisely reproduces the power law dependence for all of the evolving cloud properties. Empirically, values of stochastic parameters can be chosen graphically which will precisely reproduce the coefficients of the existing model, save for some ad-hoc non-dimensional time functions. Furthermore values of stochastic parameters are chosen graphically. The values selected for the stochastic parameters effect the conversion rate of mass cloud to rain. This conversion rate is compared against (i) an existing bulk model, and (ii) a detailed solution that is used as a benchmark. The utility of the stochastic bulk model is extended to include hydrodynamic and turbulent collision kernels for both clean and polluted clouds. The validation and extension compares the time required to convert 50\% of cloud mass to rain mass, compares the mean rain radius at that time, and used detailed simulations as benchmarks. Stochastic parameters can be chosen graphically to replicate the 50\% conversion time in all cases. The curves showing the evolution of mass conversion that are generated by the stochastic model with realistic kernels do not match corresponding benchmark curves at all times during the evolution for constant parameter values. The degree to which the benchmark curves represent ground truth, i.e. atmospheric observations, is unknown. Finally, among alternate methods of acquiring parameter values, getting a set of sequential values for a single parameter has a stronger physical foundation than getting one value per parameter, and a stochastic simulation is preferable to a higher order detailed method due to the presence of bias in the latter. / Graduate / 0725 0608 0405 / davidc@uvic.ca

The Earth's climate system is driven by varying insolation from the Sun. The dominant variations in insolation are at 23 and 40 thousand year periods, yet for the past million years the Earth's climate has glacial cycles at approximately 100 kyr periodicity. These cycles are a coupled variation in temperature, ice volume, and atmospheric CO₂. Somehow the Earth system's collective response to 23 and 40 kyr insolation forcing produces 100 kyr glacial-interglacial cycles. Generally it has been assumed that the causative mechanisms are a combination of ice dynamics (high ice reflectivity controlling temperature) and ocean circulation (changing carbon partitioning between the deep ocean and the atmosphere, and heat transport to the poles). However, these proposed mechanisms have not yet resulted in a compelling theory for all three variations, particularly CO₂. This thesis explores the role of volcanic CO₂ emissions in glacial cycles. I calculate that glacial-driven sea level change alters the pressure on mid-ocean ridges (MORs), changing their CO₂ emissions by approximately 10%. This occurs because pressure affects the thermodynamics of melt generation. The delay between sea level change and the consequent change in MOR CO₂ emissions is several tens-of-thousands-of-years, conceptually consistent with a coupled non-linear oscillation that could disrupt glacial cycles from a 40 kyr mode to a multiple of that period. I develop an Earth system model to investigate this possibility, running for approximately one million years and explicitly calculating global temperatures, ice sheet configuration, and CO₂ concentration in the atmosphere. The model is driven by insolation, with all other components varying in response (and according to their own interactions). This model calculates that volcanism is capable of causing a transition to ̃100 kyr glacial cycles, however the required average volcanic CO₂ emissions are barely within the 95% confidence interval. Therefore it is possible for volcanic systems and glacial cycles to form a 100 kyr coupled oscillation.

L’évolution du climat sur les prochaines dizaines voire centaines d’années pose de nombreuses interrogations, du fait de l’impact de l’homme. Les émissions de gaz à effet de serre depuis le début de l’ère industrielle entrainent une augmentation des températures. Celle-ci est susceptible d’affecter les écosystèmes terrestres, notamment dans les régions boréales où les augmentations de température observées et projetées sont plus importantes. Une évolution de ces écosystèmes peut entrainer des rétroactions sur le climat. Ainsi le phénomène actuel observé de verdissement des régions boréales (ou « Arctic greening ») peut augmenter ce réchauffement via une diminution de l’albédo. Afin de répondre à ces interrogations, des modèles climatiques ont été développés, intégrant des modèles de surface continentale représentant les flux de matière et d’énergie. Le travail effectué dans cette thèse a été mené à partir de l’un d’eux, le modèle de surface continentale ORCHIDEE, qui comprend une description succincte de la végétation boréale. L’objectif de cette thèse était donc l’implémentation puis la modélisation de la végétation boréale.Afin de décrire la végétation présente au niveau des hautes latitudes, i.e. les toundras et les steppes, de nouveaux types de végétation (PFTs) ont été intégrés au modèle à partir des PFTs déjà présents. Tout d’abord, les plantes non vasculaires (NVPs) ont été introduites pour représenter les lichens et les bryophytes, ensuite les buissons pour représenter une strate intermédiaire entre les arbres et les herbacées, et enfin des herbacées C3 boréales pour distinguer la végétation considérée dans les steppes boréales et les prairies tempérées. La description de cette végétation boréale s’est accompagnée de l’intégration de nouveaux processus caractéristiques, allant de l’implémentation d’interactions nouvelles telles que la protection des buissons par la neige en hiver, au simple choix de nouveaux paramètres du PFT, en passant par la modification de processus déjà présents dans le modèle comme la conductance stomatique des NVPs. D’autres processus en lien avec la végétation ont également été mis à jour ou corrigés. Enfin, pour modéliser la dynamique de la végétation boréale, les nouveaux PFTs ont été intégrés à la description initialement présente dans le modèle.Ces modifications ont permis de modéliser la végétation boréale et ses impacts sur les autres variables du système (flux de matière ou d’énergie), soit avec une végétation prescrite (simulations de la période récente), soit avec une végétation dynamique (simulations présentes et futures, à partir des scénarios RCPs 4.5 et 8.5). Les simulations effectuées avec la végétation prescrite montrent que l’on représente mieux le comportement de la végétation avec les nouveaux PFTs. Avec les PFTs originaux la productivité et la biomasse étaient surestimées dans les régions boréales et entrainaient une sous-estimation de l’albédo et une surestimation de la transpiration. Les simulations avec une végétation dynamique ont démontré la capacité du modèle à représenter avec la nouvelle végétation boréale les biomes actuels ainsi que l’« Arctic greening ». Par contre, l’embuissonement observé dans plusieurs études n’a pas été reproduit. Globalement l’introduction des PFTs boréaux s’est traduite par une meilleure description des écosystèmes arctiques et des échanges d’énergie et de matière avec l’atmosphère. Par contre, la protection du pergélisol par les NVPs n’a pas été aussi importante qu’attendu et a été compensée par une augmentation de l’humidité du sol.L’introduction de la nouvelle végétation boréale dans le modèle ORCHIDEE semble donc pertinente et met en évidence l’importance de la représentation de ces écosystèmes. Ce travail ouvre donc des perspectives pour améliorer les simulations climatiques, tant futures que passées. Comme la modélisation de la végétation depuis l’Holocène afin de simuler la quantité de carbone contenu aujourd’hui dans le pergélisol. / Climate evolution over the next ten to hundred years involves many questions, linked to the impact of man. Indeed, greenhouse gases emissions since the beginning of the industrial era lead to an increase in temperature. The latter can affect terrestrial ecosystems, particularly in boreal regions where observed and projected temperature increase is larger than in mid-latitudes. Evolution of these ecosystems can trigger climate feedbacks. For example, the currently observed « Arctic greening » phenomenon could enhance the warming via a decrease in albedo due to the increase in vegetation cover. In order to address these questions, climate models were developped, including continental surface models taking into account the fluxes of mass and energy. In this thesis, such a model was used, the continental surface scheme ORCHIDEE, which includes a succinct description of boreal vegetation. The aim of this work was thus the implementation and the modeling of boreal vegetation.In order to describe high-latitude vegetation, i.e. toundras and steppes, new plant functional types (PFTs) were integrated into the model based on existing PFTs. First, non-vascular plants (NVPs) were integrated to represent lichens and bryophytes found in desert toundras and peatlands, then shrubs to represent an intermediate stratum between trees and grasses in toundras, and finally boreal C3 grasses to distinguish vegetation found in boreal steppes and temperate grasslands. The description of this boreal vegetation was accompanied by the integration of new charachteristic processes, from the implementation of new interactions such as the protection of shrubs by snow in winter, to the simple choice of new PFT parameters such as the lower photosynthetic capacity of boreal C3 grasses compared to temperate C3 grasses, through the modification of existing processes such as the stomatal conductance of NVPs. Other processes linked to vegetation were also updated or corrected. Finally, to model the dynamics of boreal vegetation, new PFTs were integrated into the initial description in the model.Those changes enabled the modeling of boreal vegetation and its impact on other variables (mass or energy fluxes), either using a prescribed vegetation (simulations on the recent period), or using a dynamical vegetation (recent and future simulations using RCPs 4.5 and 8.5). Simulations using the prescribed vegetation indicated that vegetation behaviour is better represented with the new PFTs. With original PFTs, productivity and biomass were overestimated in boreal regions, and lead to an underestimation of albedo and an overestimation of transpiration. Simulations using a dynamical vegetation demonstrated the ability of the model, using the new boreal vegetation, to represent current-day biomes as well as « Arctic greening ». However, the shrubification observed in several studies was not reproduced. Similarly, the impact of new PFTs on other model outputs is important, with for example a decrease in productivity or albedo in winter compared to the original vegetation. Thus, the introduction of boreal PFTs generally resulted in a better description of Arctic ecosystems and of the exchanges of energy and mass with the atmosphere. On the other hand, the protection of permafrost by NVPs was not as substantial as expected and was compensated by an increase in soil humidity (due to shrubs and boreal grasses).The introduction of the new boreal vegetation in the ORCHIDEE model thus seems relevant, and highlights the importance of representing these ecosystems. This work opens up new perspectives to improve future and past climate simulations. The next step consists in modeling vegetation since the Holocene into the future in order to simulate the current amounts of carbone in the permafrost, and to project the outcome of these stocks in the context of climate change and permafrost melt.

Le climat du Quaternaire est défini par une succession de périodes glaciaires et interglaciaires enregistrées dans les archives climatiques à différentes latitudes. La carotte de glace d’EPICA Dome C fournit un enregistrement haute résolution sur les derniers 800 ka du δ18Oatm (i.e. δ18O de la molécule d’oxygène de l’air) qui combine les variations passées du cycle hydrologique des basses latitudes et de la productivité de la biosphère. En l’absence du comptage des couches annuelles, ce proxy peut être utilisé comme méthode de datation orbitale des carottes de glace, en lien avec l’insolation au 21 juin à 65°N. Cependant, un décalage de 6 ka entre le δ18Oatm et l’insolation, généralement observé lors des terminaisons glaciaires-interglaciaires, est appliqué sur l’ensemble de l’enregistrement lors de la construction de l’échelle d’âge. Ce décalage et la complexité du signal du δ18Oatm expliquent l’incertitude élevée de 6 ka des carottes de glace, ce qui limite leur interprétation en termes de variations climatiques et environnementales conjointement à d’autres archives. J’ai donc développé une nouvelle chronologie pour les carottes de glace, basée sur le lien entre le δ18Oatm et le δ18Ocalcite des spéléothèmes est-asiatiques, à partir de nouvelles mesures isotopiques permettant d’avoir pour la première fois un enregistrement complet sur les derniers 800 ka à Dome C. Cette nouvelle chronologie permet de réduire les incertitudes par rapport à la chronologie actuelle et d’avoir une meilleure séquence des évènements entre les hautes et basses latitudes. J’ai ensuite développé un modèle simulant la composition isotopique de l’oxygène atmosphérique afin de répondre au manque d’interprétations quantitatives de ce proxy ainsi que pour vérifier son lien avec le δ18Ocalcite sur plusieurs cycles climatiques. Pour modéliser le δ18Oatm nous avons dû coupler le modèle climatique de complexité intermédiaire iLOVECLIM avec le modèle de végétation CARAIB. Le δ18Oatm simulé par le modèle couplé sur plusieurs dizaines de milliers d’années confirme que ses variations sont en phase avec celles de l’insolation de l’hémisphère Nord (hormis lors d’évènements de Heinrich) et avec celles du δ18Ocalcite via des modifications du cycle hydrologique des basses latitudes, impactant la composition isotopique de l’eau de pluie utilisée par la biosphère terrestre lors de la photosynthèse. / Quaternary glacial-interglacial cycles are recorded in various climatic archives from high to low latitudes. The EPICA Dome C ice core provides a high-resolution record over the last 800 ka of δ18Oatm (i.e. δ18O of atmospheric O2) which combines past variations of the low latitude water cycle and of the biosphere productivity. In absence of annual layer counting, this proxy can be used for orbital dating in association with the June 21st insolation at 65°N to build an ice core chronology. However a lag of 6 ka between the δ18Oatm and the insolation, classically observed during glacial-interglacial terminations, is applied to the entire record during the chronology construction. This lag and the complexity of the δ18Oatm signal are the main reasons why the ice core chronology presents a high 6 ka uncertainty which limits their interpretation, jointly with other paleoclimate archives, in terms of past climate and environmental variations. To solve this issue I have developed a new ice core chronology based on the relation between the δ18Oatm and the δ18Ocalcite of east-asian speleothems, using new isotope measurements allowing for the first time a complete record over the last 800 ka at Dome C. This new chronology reduces the uncertainties compared to the actual ice core chronology strongly based on δ18Oatm and shows a better sequence of events between the high and low latitudes records. Then, I have developed a model to reproduce the isotopic composition of atmospheric O2 to address the lack of quantitative interpretations of this proxy and to check our assumption of synchronicity with the δ18Ocalcite over several climatic cycles. To reproduce the variations of the δ18Oatm, it was necessary to couple the intermediate complexity climate model iLOVECLIM and the vegetation model CARAIB. Finally, the δ18Oatm variations simulated with the new coupled model over several thousand years are in phase with the insolation of the Northern hemisphere (except during Heinrich events) and with low latitudes δ18Ocalcite variations. This can be explained by changes in the low latitude water cycle related to changes in the isotopic composition of meteoric water used by the terrestrial biosphere during photosynthesis.

La vitesse de surrection du l’Himalaya et du plateau tibétain tout au long du Cénozoïque reste encore aujourd’hui largement débattue. L’analyse des isotopes stables de l’oxygène pour reconstruire les paléo-altitudes est considérée comme une technique très efficace et a été largement utilisée. Néanmoins, cette méthode a deux limites principales: 1) les relations entre δ18O et climat ne sont pas bien établies et 2) le climat Cénozoïque en Asie est mal contraint. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le lien entre la surrection des montagnes, les changements climatiques associés et le δ18O dans la paléo-précipitation. Nous utilisons le modèle de circulation générale atmosphérique isotopique LMDZ-iso. Nos simulations climatiques montrent que le retrait de la Paratéthys, le déplacement latitudinal de l’Inde et l’altitude du plateau tibétain contrôlent les précipitations et la variabilité de la mousson en Asie. Afin de comprendre où et comment ces changements climatiques liés à la surrection des montagnes affectent le δ18O, nous avons proposé une expression théorique de la composition isotopique des précipitations fondée sur la distillation de Rayleigh. Nous avons montré que seulement 40 % des sites échantillonnés de l’Himalaya et du plateau tibétain contiennent une signature isotopique représentant la topographie. Les résultats obtenus dans cette étude montrent que l’Himalaya pourrait avoir atteint son altitude actuelle plus tardivement que précédemment proposé. Des conditions aux limites réalistes nous permettent de reconstruire le δ18O des paléo-précipitations pour quatre époques du Cénozoïque (55, 42, 30 et 15 Ma). Dans la mesure où les reconstructions des paléo-altitudes sont particulièrement controversées pour les premières étapes de l’évolution du plateau tibétain, nous avons ensuite approfondi notre étude en nous focalisant sur l’Eocène (en utilisant une paléogéographie qui correspond à 42 Ma). Pour ce cas, nous montrons que le δ18O des précipitations est insensible à l’altitude en Asie, tandis que le δ18O dans les archives naturelles (carbonates) enregistre le signal de la paléo-élévation puisque le fractionnement entre la calcite et l’eau est sensible à la température, qui elle-même dépend en partie de l’altitude. La comparaison du δ18O simulé pour l’Eocène avec les données du δ18O mesuré dans les carbonates suggère que, pendant l’Eocène, l’Himalaya et le plateau tibétain n’avaient pas encore atteint leur élévation actuelle (> 3000 m). / The timing and rate of surface elevations of the Himalayas and the Tibetan Plateau remain controversial and their impact on Asian climate and the onset of monsoon systems in this area is highly debated. Stable oxygen paleoaltimetry is considered to be a very efficient and widely applied technique, but has limitations from two sides: 1) the link between stable oxygen composition of precipitation and climate is not well established, 2) Cenozoic climate over Asia is poorly reconstructed. With a purpose of filling the gap in our knowledge of climate variability over Asia during the Cenozoic, we use the isotope-enabled atmospheric general circulation model LMDZ-iso to understand the links between the growth of mountains, associated climate changes and δ18O in paleo-precipitation. Our results show a significant influence of the Paratethys retreat, the latitudinal displacement of India and the height of the Tibetan Plateau on Asian hydrological cycle. For the purpose of understanding where and how the climatic changes linked with the growth of mountains affect δ18O in precipitation, we develop a theoretical expression for the precipitation composition based on the Rayleigh distillation and show that only 40% of sampled sites for paleoaltimetry depict signal attributed to topography changes. We conclude that the Himalayas may have attained their current elevation later than expected. Realistic Cenozoic boundary conditions allow us reconstructing δ18O in paleoprecipitation for several periods during the Cenozoic (for 55 Ma, 42 Ma, 30 Ma and 15 Ma). The focus has been put on the Eocene (42 Ma), since paleoelevation reconstructions are particularly controversial for this time. We show that Eocene precipitation δ18O is rather insensitive to topographic height in Asia. However, carbonate δ18O still records paleo-elevation because the fractionation between calcite and water is sensitive to temperature, which partly depends on altitude. Comparison of simulated Eocene δ18O patterns with data from the carbonate archives suggest that the Himalayas and the Tibetan Plateau did not reach present-day (> 3000 m) elevations during the Eocene.

Depuis la fermeture du passage qui reliait la proto-Méditerranée à l’océan indien, il y a environ 14 Ma, celle-ci devient une mer semi fermée avec une seule connexion à l’océan mondial par Gibraltar. C’est dans ce contexte que se produisent des crises anoxiques régulières, les sapropèles. La forte concentration de matière organique caractérisant les dépôts de sapropèle, suggère une réduction drastique de la ventilation océanique profonde, ainsi qu'une activité biologique accrue permettant l’accumulation de la matière organique pendant plusieurs milliers d’années. Depuis leur découverte, il a été admis que l'amplification de la mousson africaine, associée aux changements d’insolation par la variation de la précession orbitale, permettait de déclencher les sapropèles. En effet de fortes précipitations sur le bassin versant du Nil, auraient permis au fleuve de déverser une importante quantité d'eau douce dans la Méditerranée orientale. Cette apport en eau douce, dans une mer très salée, aurait augmenté la stratification verticale, empêchant la convection et menant à une anoxie des eaux de fonds. Cependant, même si cette explication semble robuste, notamment par la corrélation entre la fréquence des sapropèles et celle de l'indice de précession, ces épisodes se produisent dans des contextes climatiques très différents, du Miocène à nos jours. Même en se limitant à ceux des derniers cycles glaciaires, ils laissent une empreinte sédimentaire variable que l'amplification du Nil seule ne peut expliquer. C'est particulièrement le cas du dernier sapropèle, le « S1 », le plus étudié, intervenu entre 10.5 et 7 ka BP, se produisant à la fin du dernier épisode glaciaire. De récents travaux, notamment de modélisation, ont montré que la chronologie des enregistrements entre la variation de la précession et l’amplification de la mousson Africaine, ne concordait pas avec celui du dépôt du S1. Ainsi d’autres facteurs, notamment la montée du niveau marin et les perturbations hydrologiques associées à la fonte non linéaire des calottes glaciaires, auraient favorisé la crise anoxique des eaux profondes du bassin Est méditerranéen. Dans cette thèse nous nous proposons, avec l’outil de la modélisation numérique, de revisiter le rôle de la contribution du Nil pendant le S1 mais aussi d’autres facteurs potentiellement plus déterminants. D’une part nous avons tiré avantage des récentes recherches effectuées sur l’εNd pendant la période du S1. Nous avons modélisé ce traceur (adapté à l’enregistrement des changements de la circulation océanique passé), dans un modèle couplé océan-atmosphère à haute résolution (1/8°) en Méditerranée, afin de représenter au mieux les changements de convection. D’autre part, afin d’inclure le plus de mécanismes contributeurs au S1, nous avons développé une plateforme de modélisation globale-régionale pour représenter le climat du bassin Méditerranéen, ainsi que sa circulation océanique pendant le début de l’Holocène, période du dépôt du S1. Enfin, grâce à cette plateforme, nous avons évalué la contribution de la fonte de la calotte glaciaire eurasiatique via la mer Noire, et son impact sur le bassin Méditerranéen oriental. Les résultats de cette thèse montrent premièrement comment la modélisation de l’εNd est un indicateur approprié des changements de circulation initiés par le Nil, et dont le signal simulé est corroboré par les données existantes. Notre plateforme de modèle a permis la simulation et l’identification, à un coût numérique moins important que le couplage océan-atmosphère, des changements hydrologiques majeurs du bassin Méditerranéen pendant le début de l’Holocène. Enfin, le sapropèle S1 est directement affecté par les perturbations hydrologiques associées à la fonte de la calotte eurasiatique préalablement à l’augmentation des moussons. Nous avons quantifié leur rôle respectif dans la déstabilisation de la ventilation profonde, et permis l’installation de conditions favorables au développement du sapropèle S1. / Sapropel events are anoxic crisis occurring quasi-periodically (21000 years) since the Mediterranean Sea became semi enclosed around 14 Ma ago, with only one connection to the global ocean through the Gibraltar strait. The high level of organic content found in sapropels suggests the shutdown of the deep ventilation, and an enhanced biological activity leading to the accumulation of organic material in sediments for thousands of years. Numerous studies highlighted the role of African monsoon enhancement, linked to precession variation, as the trigger of sapropels. The increased precipitation over the Nile catchment provided a huge amount of freshwater through the Nile River into the salty Eastern Mediterranean, leading to a strong stratification of the water column, the reduction of intermediate and deep convection and ultimately to the development of anoxic environment. This hypothesis was robust enough to explain the sapropels due to the correlation between their frequency and precession variation. However, the diversity of these events in strength, duration and cyclicality cannot be entirely explained with this sole hypothesis. This is the case, for instance, of the last sapropel event, “S1”, which occurred between 10.5 and 7 ka BP, at the end of the last glacial episode. Recent works depicted the non-synchronous timing of the precession, monsoon enhancement and S1 deposition, and invoked other factors, such as sea level rise and climate variation to drive the establishment of anoxic environment in Mediterranean Sea. In this thesis, we investigate, with the help of climate modeling, the contribution of the Nile River during S1 but also other factors potentially more important. First, we took advantage of recent εNd data investigation during S1 to include this tracer, which is appropriate to assess the paleo-oceanic circulation, in a coupled ocean-atmosphere model at 1/8° to represent properly the changes in convection. In a second part, to account for other hydrological changes linked with the Early Holocene climate, we developed a global-regional model architecture to represent the Mediterranean region climate and its oceanic circulation. Finally, we use this model to evaluate the deglaciation of the Eurasian ice-sheet through the Black Sea toward the Eastern Mediterranean Sea. The main results show the capability of simulated εNd to capture the convection changes in response to high freshwater input, validated by data. Our model architecture allows the simulation of the Mediterranean Early Holocene climate and associated hydrological changes with a numerical cost lower than the coupled configuration. Finally, the continental deglaciation would be complementary to the sea level rise to destabilize the deep ventilation and lead to favorable condition to the development of S1. In summary, we developed three different approaches and dedicated tools to investigate the hydrological perturbations occurring prior to Early Holocene over the Mediterranean basin, which drastically modified the ocean dynamics to favor anoxia crisis.

No description available.

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.

L’Ordovicien (485–444 Ma) est une période géologique caractérisée par laconcomitance d’une glaciation majeure et de l’une des 5 plus grandes extinctions de masse del’histoire de la Terre. Cette thèse avait pour objectif d’améliorer la compréhension de l’évolutiondu climat à cette époque à l’aide de la modélisation numérique, ain de fournir une imagecohérente de la glaciation. Nous avons d’abord démontré que la coniguration continentaleordovicienne induit une dynamique océanique particulière, à l’origine d’une instabilité climatiquepermettant un refroidissement brutal du climat global sans variation importante de laconcentration atmosphérique en CO2 (pCO2). Dans un deuxième temps, un modèle innovantcouplé climat-calotte a permis de produire la première simulation de la mise en place de la glaciationsupportée par les données géologiques, sous un scénario cohérent de baisse de la pCO2.Les résultats indiquent que les premières glaces continentales se seraient mises en place dèsl’Ordovicien Moyen (465 Ma), quelque 20 millions d’années plus tôt qu’initialement envisagé.Dans ce scénario, le franchissement de l’instabilité climatique ordovicienne marque la miseen place du maximum glaciaire au cours de l’Ordovicien terminal Hirnantien (445–444 Ma).Des expériences réalisées avec un modèle de végétation primitive montrent que le développementdes plantes non-vasculaires a pu constituer le mécanisme à l’origine de la chute de lapCO2, via une intensiication de l’altération des surfaces continentales. Enin, les interactionsentre climat et biosphère marine ont été envisagées selon 2 axes complémentaires. (i) De nouvellescontraintes ont été fournies pour comprendre la paléobiogéographie des communautésmarines, par la publication de cartes de la circulation océanique de surface modélisée sousdiférentes pCO2 au cours de l’Ordovicien Inférieur, Moyen et Supérieur. (ii) Les relationsentre variations climatiques et état redox de l’océan ont été étudiées avec un modèle d’océanrécent bénéiciant d’un module de biogéochimie marine (MITgcm). Les simulations suggèrentdes anoxies partielles (durant le Katien) ou globales (durant le Silurien inférieur) au cours dela transition Ordovicien–Silurien. Elles démontrent également que l’extinction de l’Ordovicienterminal ne serait pas liée à un évènement d’anoxie. / The Ordovician (485–444 Ma) is a geological period characterized by theconcomitance of a major glaciation and one of the “Big Five” mass extinction events thatpunctuated the Earth’s history. This dissertation aimed at developing a better understandingof the climatic evolution at that time through numerical modeling, in order to providea consistent picture of the glaciation. First, it was shown that the Ordovician continentalconiguration leads to a particular ocean dynamics, which induces in turn the development ofa climatic instability that allows global climate to cool suddenly in response to subtle changesin the atmospheric partial pressure of CO2 (pCO2). Secondly, an innovative climate-ice sheetcoupled model produced the irst simulation of the glaciation that is supported by geologicaldata, in the context of a decrease in pCO2. Results show that glacial onset may have occurredas early as the Mid Ordovician (465 Ma), i.e., some 20 million years earlier than thoughtinitially. In this scenario, the climatic instability is reached during the latest Ordovician andaccounts for the onset of the Hirnantian glacial maximum (445–444 Ma). Experiments conductedwith a non-vascular vegetation model reveal that the origination and expansion of theirst land plants signiicantly intensiied continental weathering during the Ordovician andpotentially drove the drop in atmospheric CO2. Finally, the interactions between climate andthe marine biosphere were investigated based on 2 complementary axes. (i) News constraintson the paleobiogeography of marine living communities were brought through the publicationof maps showing the ocean surface circulation modeled at various pCO2 levels during theEarly, Middle and Late Ordovician. (ii) The relationships between climatic variations andthe redox state of the ocean were studied using a recent ocean model with biogeochemical capabilities(MITgcm). The simulations suggest partial and global oceanic anoxic events duringthe Katian and the early Silurian respectively. They also show that anoxia is probably notresponsible for the latest Ordovician mass extinction event.

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’interaction cryosphère-climat depuis le milieu du Pliocène jusqu’au quaternaire pendant l’installation pérenne de la calotte groenlandaise. Nous étudions d’abord les causes du développement et de la disparition de l’importante mais courte glaciation qui a eu lieu pendant le stade isotopique marin M2 (MIS M23.264-¬3.312 Ma). Ensuite, dans le cadre du programme international sur la modélisation du Pliocène (PLIOMIP2), nous étudions le climat de la période chaude du Plaisancien moyen(MPWP, 3.3-3.0Ma). Enfin, la troisième période étudiée est la transition Plio-Pléistocène transition (PPT, 3.0-2.5Ma), que nous avons étudiée grâce à un couplage asynchrone entre un modèle de climat et un modèle de calotte. A travers ces différentes périodes, nous avons amélioré la connaissance des relations entrepCO2, tectonique et climat pendant la transition d’un monde chaud et riche en CO2 vers le monde bien plus froid et à faible pCO2 des glaciations quaternaires. Ce résultat montre l’importance de mieux comprendre les relations entre dynamique océanique, pCO2 et climat. / This thesis is devoted tounderstanding the interaction betweencryosphere and climate from the mid Plioceneto the early Quaternary during the onset ofNorthern Hemisphere Glaciation (NHG).Firstly, we investigate the causes for thedevelopment and decay of the large but shortliving glaciation that occurred during MarineIsotope Stage 2 (M2, 3.264-¬3.312 Ma);Secondly, in the framework of the internationalPliocene Model Intercomparison Project(PLIOMIP2), we study the climate of Mid-Piacenzian Warm Period (MPWP, 3.3-3.0Ma).Thirdly, we explore the Plio-PleistoceneTransition (PPT, 3.0-2.5Ma) with anappropriate asynchronously coupled climatecryosphere model. Through these differentperiods, we provide a better understanding ofthe relationship between pCO2, tectonics andclimat during the transition from a warm andhigh-CO2 world to the cold and low-CO2Quaternary glaciations. This work also pointsout the necessity to further study the linkbetween ocean dynamics, carbon cycle andclimate.