L’observation des couches limites atmosphériques au dessus du plateau antarctique a mis en évidence les plus fortes inversions de température proches de la surface de la planète. Bien paramétriser ces couches limites extrêmes dans un modèle de circulation générale est essentiel pour represéntercorrectement l’inversion climatologique de température au dessus du plateau, mais également pour reproduire des vents catabatiques réalistes en aval du plateau et de surcroit, une circulation atmosphérique correcte dans l’hémisphère sud. Les conclusions des précédentes "Gewex AtmosphericBoundary Layer Studies" (GABLS) ont conduit au constat que la paramétrisation des couches limites stables dans les modèles climatiques est une des priorités pour la communauté des modélisateurs.Ceci est dû au fait que la nature même des processus physiques en jeu est mal connue mais aussi parce que les lois de similitudes, sur lesquelles les paramétrisations du mélange turbulent sont fondées, ne sont pas applicables en condition très stable. L’objectif de ces travaux de thèse est d’évaluer et d’améliorer la représentation des couches limites sur le plateau antarctique dans le modèle français de circulation générale Laboratoire de MétéorologieDynamique-Zoom (LMDZ), composante atmosphérique du modèle de climat IPSL. Avant l’évaluation même du modèle, une étude approfondie de la couche limite de surface et de la structure de la couche limite stable a été conduite à partir de l’analyse de mesures in situ au Dôme C. Il en a résulté une caractérisation de la hauteur de rugosité aérodynamique, une estimation des flux turbulents de surface sur une année entière ainsi que la mise en évidence de sursaturations de la vapeur d’eau par rapport à la glace. L’analyse des mesures de température et de vent le long d’une tour de 45 m a aussi montré que la couche limite se comporte tel un système dynamique à deux régimes distincts. La relation entrevitesse du vent et inversion de température décrit un "S renversé", suggérant une transition de régime suivant un hystérésis. Une étude complémentaire a révélé que ce comportement dynamique à deux régimes est une caractéristique générale et robuste des couches limites stables, qui peuvent transiter,selon l’intensité des forçages, d’un régime ’turbulent’ peu stable à un régime ’radiatif’ très stable et vice et versa.Le modèle LMDZ a ensuite été évalué en configuration 1D sur un cycle diurne d’été dans le cadre de la quatrième expérience GABLS. Des tests de sensibilité aux paramètres de surface et à la paramétrisation du mélange turbulent ont été réalisés. Ils ont conduit à de nettes améliorations des performancesdu modèle ainsi qu’à la mise en place d’une configuration adaptée aux conditions antarctiques. Des simulations complémentaires en 3D ont par la suite soulevé l’importance du transfert radiatif infrarouge et de la paramétrisation des flux turbulents de surface pour la modélisation de la couchelimite sur le plateau pendant la nuit polaire. Enfin, les travaux de thèse ont été étendus à la modélisation des couches limites stables continentales. Les paramétrisations locales de turbulence ont en effet tendance à sous-estimer le mélange sous-maille continental, en raison de la multitude des processusde mélange en jeu. Un réflexion a donc été portée sur la façon de palier ce manque de mélange, avec comme idée directrice de transférer la perte d’énergie cinétique grande échelle perdue lors du freinage de l’écoulement par les ondes de gravité, vers de l’énergie cinétique turbulente. / Observation of the Atmospheric Boundary Layers (ABL) above the Antarctic Plateau has revealed the strongest near-surface temperature stratifications on the Earth. A correct parametrization of the very stratified Antarctic ABLs in General Circulation Models (GCM) is critical since they exert a strongcontrol on the continental scale temperature inversion, on the coastal katabatic winds and subsequently on the Southern Hemisphere circulation. The previous Gewex Atmospheric Boundary Layer Studies (GABLS) highlighted that the parametrization of the very stratified, or very stable, ABLs isone of the most critical challenge in the atmospheric modelers community. Indeed, the nature of the mixing processes are not completely understood and the commonly used similarity laws, on which the model’s parametrization are usually based, are no longer valid. The aim of this PhD work is to evaluate and improve the modelling of the ABL over the Antarctic Plateau by the Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom (LMDZ) GCM, the atmospheric component of the IPSL Earth System Model in preparation for the sixth Coupled Models Intercomparison Project. Before the model evaluation itself, an in-depth study of the dynamics of the atmospheric surface layer and of the stable ABL over the Antarctic Plateau was carried out from in situ measurements at Dome C. The analysis enabled the first estimations of the roughness length and of the surface fluxes during the polar night at this location as well as the characterization of very frequent occurences of near-surface moisture supersaturations with respect to ice. Investigation of meteorological measure-ments along a 45 m tower also revealed two distinct dynamical regimes of the stable ABL at this location. In particular, the relation between the near surface inversion amplitude and the wind speed takes a typical ’reversed S-shape’, suggesting a system obeing with an hysteresis. A further analysisshowed that this is a clear illustration of a general and robust feature of the stable ABL systems, corresponding to a ‘critical transition’ between a steady turbulent and a steady ‘radiative’ regime. LMDZ was then run on 1D simulations during a typical clear-sky summertime diurnal cycle in the framework of the fourth GABLS case. Sensitivity tests to surface parameters, vertical grid and turbulent mixing parametrizations were performed leading to significant improvements of the model and to a new configuration better adapted for Antarctic conditions. 3D simulations were then carried outwith the ’zooming capability’ of the horizontal grid and with nudging. These simulations enabled a further evaluation of the model over a full year and extending the analysis beyond Dome C. In particular, this study raised the importance of the radiative scheme and of the surface layer scheme forthe modelling of the ABL during the polar night over the Plateau. Finally, the PhD work extented toward the modelling of the stable ABL over the other continents, assessing how the frequently underestimated subgrid mixing of momentum and heat can be compensated by a transfer of large scalekinetic energy toward turbulent kinetic energy when the flow is slowed down by orographic gravity wave drag.

Sea ice plays a key role in the global climate system. Indeed, through the albedo effect it reflects significant solar radiation away from the oceans, while it also plays a key role in the momentum and heat transfer between the atmosphere and ocean by acting as an insulating layer between the two. Furthermore, as more sea ice melts due to climate change, additional fresh water is released into the upper oceans, affecting the global circulation of the ocean as a whole. While there has been significant effort in recent decades, the ability to simulate sea ice has lagged behind other components of the climate system and most Earth System Models fail to capture the observed losses of Arctic sea ice, which is largely attributed to our inability to resolve sea ice dynamics. The most widely accepted model for sea ice dynamics is the Viscous- Plastic (VP) rheology, which leads to a very non-linear set of partial differential equations that are known to be intrinsically difficult to solve numerically. This work builds on recent advances in solving these equations with a Jacobian-Free Newton- Krylov (JFNK) solver. We present an improved JFNK solver, where a fully second order discretization is achieved via the Crank Nicolson scheme and consistency is improved via a novel approach to the rheology term. More importantly, we present a significant improvement to the Jacobian approximation used in the Newton iterations, and partially form the action of the matrix by expressing the linear and nearly linear terms in closed form and approximating the remaining highly non-linear term with a second order approximation of its Gateaux derivative. This is in contrast with the previous approach which used a first order approximation for the Gateaux derivative of the whole functional. Numerical tests on synthetic equations confirm the theoretical convergence rate and demonstrate the drastic improvements seen by using a second order approximation in the Gateaux derivative. To produce a fast and efficient solver for VP sea ice dynamics, the improved JFNK solver is then coupled with a non- oscillatory, central differencing scheme for transporting sea ice as well as a novel method for tracking the ice domain using a level set method. Two idealized test cases are then presented and simulation results discussed, demonstrating the solver’s ability to efficiently produce Viscous-Plastic, physically motivated solutions. / Graduate

Current climate models often predict fractional cloud cover on the basis of a diagnostic probability density function (PDF) describing the subgrid-scale variability of the total water specific humidity, qt, favouring schemes with limited complexity. Standard shapes are uniform or triangular PDFs the width of which is assumed to scale with the gridbox mean qt or the grid-box mean saturation specific humidity, qs. In this study, the qt variability is analysed from large-eddy simulations for two stratocumulus, two shallow cumulus, and one deep convective cases. We find that in most cases, triangles are a better approximation to the simulated PDFs than uniform distributions. In two of the 24 slices examined, the actual distributions were so strongly skewed that the simple symmetric shapes could not capture the PDF at all. The distribution width for either shape scales acceptably well with both the mean value of qt and qs, the former being a slightly better choice. The qt variance is underestimated by the fitted PDFs, but overestimated by the existing parameterisations. While the cloud fraction is in general relatively well diagnosed from fitted or parameterised uniform or triangular PDFs, it fails to capture cases with small partial cloudiness, and in 10 – 30% of the cases misdiagnoses clouds in clear skies or vice-versa. The results suggest choosing a parameterisation with a triangular shape, where the distribution width would scale with the grid-box mean qt using a scaling factor of 0.076. This, however, is subject to the caveat that the reference simulations examined here were partly for rather small domains and driven by idealised boundary conditions.

I present herein an ensemble of ROCKE-3D aqua-planet simulations which I compare with the simulations presented in the work of Yang et al. (2019) and other similar works. The focus was on contrasting differences in the greenhouse effect between the models. In contrast to their work, I examined simulations with a dynamic ocean instead of a slab ocean, as well as the inclusion of dynamic sea ice for 2 out of 4 of them. A subset of the simulations examined prevented the formation of sea ice to make them more comparable to Yang et al. (2019), but they never reached radiative equilibrium and this made it difficult to utilize their results. When contrasting the sea ice simulations of ROCKE-3D with the CAM4_Wolf/ExoCAM simulation of Komacek & Abbot(2019), I found that the inclusion of ocean heat transport through a dynamic ocean increases the ice-free region around the sub-tropics for the rapidly rotating aqua-planet around a G-star, thus, resulting in a lower Bond albedo and more surface warming. Supporting previous intercomparisons (Sergeevet al. 2021), ROCKE-3D produces less low- to midlevel clouds toward the equator/substellar point, compared to other models. Consequently, this leads to less cooling through the shortwave cloud radiative forcing. Lastly, I looked at the specific humidity. ROCKE-3D produced the highest stratospheric water vapor content in the M-star scenario, which suggests that ROCKE-3D is closer to the moist greenhouse limit of Kasting et al. (1993); although, the model is still far off. / I detta arbete så presenterar jag vattenplanet simulationer producerade med hjälp av ROCKE-3D, som jag sedan jämför med simulationerna som presenteras i Yang et al. (2019). Fokuset för jämförelsen låg på att jämföra skillnader gällande den producerade växthuseffekten. Alla simulationer utnyttjade ett dynamiskt hav i stället för ett enklare "platt hav", varav 2 utav 4 av dom simulationer som presenteras tillåter havsis att formas. De simulationer som inte tillät is uppnådde aldrig termisk jämvikt vilket gjorde det svårt att antyda något utifrån dom. Vid jämförelse av is-simulationerna som producerades av ROCKE-3D med de is-simulationer producerade med hjälp av CAM4/ExoCAM i Komacek & Abbot (2019), så visades det sig att den is-fria regionen runtomkring de subtropiska områderna vart större för den snabbt roterande vattenplaneten runt en G-klassad stjärna om man inkluderar ett dynamiskt hav i stället för ett "platt hav". Vidare, så stödjer detta arbete dom resultat presenterade i Sergeev et al. (2021), där ROCKE-3D producerar mindre låg- och medelhöga molnformationer runtom ekvatorn/substellära regionen, jämfört med andra modeller. Vidare, så leder detta till en mindre kylningseffekt genom molnens reflektion av kortvågsstrålning. Sist, så undersökte jag den specifika fuktigheten, där ROCKE-3D visar på ett högre värde av stratosfärisk vattenånga i fallet av en tidsvattenlåst havsplanet runt en M-stjärna. Detta tyder på att ROCKE-3D är närmare den fuktiga växthusgränsen som presenteras i Kasting et al. (1993). Dock, så är den fortfarande långt ifrån att uppnås.

Radiative forcing by increased atmospheric levels of greenhouse gases (GHGs) produced by human activities could lead to strongly undesirable effects on oceans and their dependent human systems in the coming centuries. Such dangerous anthropogenic interference with the climate system is a possibility the UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) calls on nations to avoid. Unacceptable consequences of such interference could include inundation of coastal areas and low-lying islands by rising sea level, the rate of which could exceed natural and human ability to adapt, and ocean acidification contributing to widespread disruption of marine and human food systems. Such consequences pose daunting socioeconomic costs, for developing nations in particular. Drawing on existing literature, we define example levels of acceptable global marine change in terms of global mean temperature rise, sea level rise and ocean acidification. A global-mean climate model (ACC2), is implemented in an optimizing environment, GAMS, and coupled to an economic model (DICE). Using cost-effectiveness analysis and the tolerable windows approach (TWA) allows for the computation of both economically optimal carbon dioxide emissions pathways as well as a range in carbon dioxide emissions (the so-called ``emissions corridor'') which respect the predetermined ceilings and take into account the socio-economically acceptable pace of emissions reductions. The German Advisory Council on Global Change (WBGU) has issued several guardrails focused on marine changes, of which we find the rate and absolute rise in global mean temperature to be the most restrictive (0.2 degrees Celsius per decade, 2 degrees Celsius total). Respecting these guardrails will require large reductions in both carbon and non-carbon GHGs over the next century, regardless of equilibrium climate sensitivity. WBGU sea level rise and rate of rise guardrails (1 meter absolute, 5 cm per decade) are substantially less restrictive, and respecting them does not require deviation from a business-as-usual path in the next couple hundred of years, provided common assumptions of Antarctic ice mass balance sensitivity are correct. The ocean acidification guardrail (0.2 unit decline relative to the pre-industrial value) is less restrictive than those for temperature, but does require emissions reductions into the coming century.

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.

En Europe, l'augmentation des températures moyennes de surface de l'air projetée au cours du 21ème siècle s'accompagne d'une augmentation des extrêmes chauds et d'une diminution des extrêmes froids. Dans les dernières décennies, des indices témoignent déjà de ces changements, comme l'établissement récurrent de nouveaux records de chaleur ou l'augmentation des canicules. Nous étudions l'évolution des extrêmes journaliers de température au cours du 20ème et du 21ème siècle en France et en Europe, et ce en termes d'occurrence et d'intensité. Un intérêt particulier est aussi porté aux mécanismes responsables de ces futurs extrêmes climatiques, ainsi qu'aux futures températures maximales. Nous nous intéressons tout d'abord à l'évolution des records journaliers de température à partir d'observations et de modèles de climat. Entre 1950 et 1980, l'évolution théorique des records dans le cadre d'un climat stationnaire représente correctement l'évolution observée des records chauds et froids. Depuis les années 1980, un écart à ce climat stationnaire est observé, avec respectivement une augmentation et une diminution de l'occurrence des records chauds et froids. Les modèles climatiques suggèrent une accentuation de ces changements au cours du siècle. L'occurrence moyenne des records chauds à la fin du siècle présente une forte augmentation par rapport aux premières décennies de la période observée. L'augmentation la plus importante des records chauds est projetée en été, en particulier dans la région méditerranéenne. Quant aux records froids, les modèles indiquent une diminution très importante de leur occurrence, avec une occurrence quasi-nulle dans les dernières décennies. Les variations observées d'occurrence de records sont, au début du 21ème siècle, toujours dans l'éventail des fluctuations de la variabilité interne du climat. Au cours du siècle, l'émergence de l'influence anthropique de ces fluctuations est détectable dans l'évolution des records chauds et froids en été, et ce respectivement autour des décennies 2030 et 2020. À l'horizon de la fin du siècle, les changements moyens d'occurrence de records ne peuvent pas être uniquement expliqués par des fluctuations naturelles. Nous nous sommes ensuite intéressés aux futures températures estivales extrêmes, ainsi qu'aux canicules intenses qui peuvent être à l'origine de ces extrêmes. Pour cela, l'utilisation de modèles climatiques globaux est associée à la modélisation climatique régionale et à des stations d'observations en France. Tout d'abord, l'augmentation maximale des valeurs maximales des records journaliers de température en été en France est estimée à partir d'une simulation régionale à haute résolution spatiale. À l'horizon 2100, les projections indiquent une augmentation maximale de ces valeurs extrêmes en été comprise entre de 6.6°C et 9.9°C selon les régions de la France. La comparaison de ces projections avec un ensemble de modèles climatiques indique que ces augmentations maximales pourraient être plus importantes. La médiane de la distribution des modèles indique en effet une augmentation maximale de ces valeurs maximales des records journaliers de température de 11.8°C en été et en France. Puis, des expériences de modélisation de canicules intenses du climat européen de la fin du 21ème siècle ont été réalisées à partir d'événements particuliers d'un modèle de climat. Ces expériences ont mis en évidence le rôle des interactions entre le sol et l'atmosphère dans l'amplification des températures extrêmes lors de futurs évènements caniculaire intenses. L'occurrence de telles canicules est d'abord dépendante de la circulation atmosphérique, mais l'intensité des températures peut ensuite être fortement amplifiée en fonction du contenu en humidité des sols avant la canicule, et donc des conditions climatiques des semaines et des mois précédents. / Over the 21st century, the mean increase in surface air temperatures is projected to be associated with an increase in warm temperature extremes and a decrease in the cold ones. Over the last decades, evidence already suggests these changes, as for example recurrent warm record-breaking temperatures or the increase in heatwave occurrence. We investigate the evolution of daily temperature extremes over the 20th and the 21st centuries in France and in Europe, their possible changes in frequency and intensity. We also focus on the mechanisms responsible for these projected climate extremes, as well as the maximum values of temperature extremes at the end of the century. First, we investigate the evolution of daily record-breaking temperatures in Europe based on the observations and an ensemble of climate models. From the 1950s to the 1980s, the theoretical evolution of the records in a stationary climate correctly reproduce the observed one, for both cold and warm records. From 1980, a shift from that theoretical evolution is observed, with an increase in the occurrence of warm records and a decrease in the occurrence of the cold ones. Climate models suggest an amplification of these changes over the century. At the end of the 21st century, the mean number of warm records shows a strong increase compared to the first decades of the observed period. The strongest increase in warm record-breaking temperatures is found in summer, and particularly over the Mediterranean edge. On the contrary, the occurrence of cold record-breaking temperatures is projected to strongly decrease, with almost no new records in the last decades of the century, for all seasons and over the entire European domain. Observed variations of daily record-breaking temperatures are still, at the beginning of the 21st century, consistent with internal climate variability only. Over the century, the anthropogenic influence emerge from these fluctuations in the summer record evolutions, around the 2030 and the 2020 for the warm and cold records respectively. By 2100, the mean changes in record occurrences cannot be explained by the internal climate variability solely, for all seasons and over the entire European domain. Then, we investigate future extreme temperatures at the end of the 21st century, as well as severe heatwaves leading to these extremes. Climate models analyses are associated with regional climate modeling and a French station-based dataset of observations. The summer 21st century evolution of the maximum values of daily warm record-breaking temperatures is first examined in the observations and the high resolution simulation of the regional model. By 2100, an increase of these values is projected, with maximum changes between +6.6°C and +9.9°C in summer among the French regions. These projections assessed from a regional model may underestimate the changes. The multi-model mean estimate of the maximum increase of these values is indeed around +11.8°C in summer over France. Finally, regional modeling experiments of severe heatwaves in the climate of the end of the 21st century in Europe are performed. These severe heatwaves are selected cases from a global climate model trajectory. The experiments results show the role of the soil-atmosphere interactions in the amplification of the extreme temperatures during such future severe warm events. The occurrence of the heatwave is first caused by the atmospheric circulation, but the temperature anomaly can then be amplified according to the soil moisture content before the event, and thus the climatic conditions of the preceding weeks and months.