Les systèmes agricoles sont intimement liés au changement climatique : ils sont d'une part affectés par la dérive de son état moyen et de sa variabilité, et sont d'autre part des contributeurs nets à l'évolution du climat par l'extension de leur surface et l'intensité de leur gestion. L'évolution du système climat-agriculture repose sur nombreux mécanismes qui s'étendent sur une large gamme d'échelles temporelles et spatiales, et sont interdépendants. Pour réduire l'incertitude associée à l'évolution de ce système et guider les choix collectifs pertinents, il est nécessaire d'intégrer ces processus sur cette gamme d'échelle temporelle et spatiale. Dans cette thèse, je me suis intéressé aux échelles spatiales allant de la plus petite unité décisionnelle des systèmes de production agricole (l'exploitation) à celle de la décision publique concernant ces interactions entre climat et agriculture (échelle nationale à supranationale). Je me suis d'autre part intéressé au court terme (quelques années) et à l'Europe. J'ai poursuivi le développement d'un outil de modélisation reposant sur le couplage du modèle d'offre agricole Européenne (AROPAj) et du modèle générique de culture (STICS), qui permet de prendre en compte les mécanismes adéquats à l'échelle du système de production, et leurs facteurs d'hétérogénéité à l'échelle de l'Europe. Cet outil m'a permis de mettre en valeur le rôle important à l'échelle Européenne des mécanismes de court-terme dans la réponse de l'offre agricole au changement climatique. En particulier, la prise en compte des adaptations de court terme des systèmes de production agricole modifie la vision habituellement retenue des impacts du changement climatique en Europe. J'ai de plus développé des méthodes alliant agronomie et statistique pour explorer l'hétérogénéité du comportement des principales cultures Européenne sous changement climatique entre régions, espèces et scénarios de changement climatique. Enfin, j'ai pu mettre en valeur la faible interaction en première analyse entre adaptation au changement climatique et réponse à la mise en place d'une politique réduction des émissions de gaz à effet de serre au niveau des systèmes de production agricole. / Agriculture, and the climate system are closely linked: agricultural systems are driven by changes in mean climate and its variability, while their expansion and intensification contribute to the anthropogenic perturbation of the climate system. The evolution of the climate-agriculture system relies on numerous processes, which extend over a wide large range of temporal and spatial scale, and are intertwined. It is necessary to integrate these processes across scales in order to both reduce the uncertainty that overshadow the evolution of the system, and help clever decision making. In this work, I focused on that integration goal in the specific case of Europe for short-term time scales in a future horizon. I focused on typical spatial scales of decision making: from the smallest decision unit in agriculture (farm scale) to the one of policy making regarding agriculture-climate interactions (Europe). I continued the development of a modelling framework relying on the coupling of a microeconomic model of European agricultural supply (AROPAj) to a generic crop model (STICS), which account for adequate processes at farm scale, and for the factors that drive the heterogeneity in their net effects over Europe. This tool allowed me to highlight the specific role of farm-scale adaptations in the response of European agricultural supply to climate change. In particular, accounting for these processes alters the usual picture of climate change impacts over Europe. I further developed analytical methods building on agronomic and statistic knowledge to explore the heterogeneity in the response of major European crops, among geographical locations, species, and climate change scenarios. Finally, first results showed that at the farm scale, little interaction is expected between the adaptation to climate change and the implementation of a greenhouse gas mitigation policy targeting the agricultural sector.

Alike many urban rivers, the Mapocho River in Santiago withstands enormous pressures from urban development. In the last decades there has been an increasing interest in the river, opening an opportunity to intervene its riparian areas where land is still available. But there is also the threat that future interventions will continue to be treated in isolation and respond to sectorial interests, hindering the river’s potential in the long run. With this in mind, the research aims to explore a way of understanding local contexts that takes into account both regional and local realities, providing a more holistic basis over which sustainable local interventions could take place in the future. Resilience theory is used as a conceptual framework to understand sustainability in its broad sense, aim at sustainability transformations through cross-scale interactions, and pay attention to the way in which social-ecological dimensions interact. Focusing on three local sites along the river, the analysis first explores priority ecosystem services from a regional perspective and then focuses on dimensions that become apparent at the local scale through site observations. This results in the proposition of a framework that explicitly links dimensions across scales by defining the way in which they interact to put forward what is possible and desirable in the current scenario. Within this interplay, the regional scale determines the influential capacity of the local site in question to alleviate regional sustainability challenges, while providing the relevance and urgency of specific ecosystem services to emerge. The local scale frames the spatial and socio-cultural feasibility to intervene the site, putting forward physical and value dimensions. The analysis of interactions highlights relevant linkages and conflicts that could inform and guide sustainable interventions at the local scale. Findings suggest that a specific ES can sometimes serve as a gateway to pursue synergicefforts between diverging interests, that physical dimensions like spatial delimitation and accessibility can play a key role, and that the consideration of value dimensions can help handle inevitable trade-offs. / Likt många andra urbana floder är Mapocho-floden i Santiago utsatt för omfattande påfrestningar till följd av en urban utveckling. Under de senaste decennierna har dock intresset för floden ökat, vilket har öppnat upp för nya möjligheter att kunna påverka flodens strandområden kring de platser där mark fortfarande finns tillgängligt. Trots detta kvarstår emellertid hotet om att framtida insatser ska fortsätta behandlas isolerat och svara på sektoriella intressen, vilket därmed skulle kunna inverka negativt på flodens potential på längre sikt. Med detta i åtanke syftar denna studie till att utforska sätt att förstå lokala sammanhang som tar hänsyn till både regionala och lokala verkligheter och som därmed kan bidra till en mer holistisk grund för hur lokalthållbara interventioner kan äga rum framöver. I studien används resiliensteorin som ett konceptuellt ramverk för att förstå hållbarhet i dessvida bemärkelse, syfta till hållbarhetsomvandlingar genom interaktiva interaktioner och uppmärksamma hur social-ekologiska dimensioner interagerar. (Hard to understand). I analysen har ett antal prioriterade ekosystemtjänster undersökts ur ett regionalt perspektiv för tre lokalaplatser längst floden och därefter har analyser utförts för de dimensioner som har kunnat identifierats på lokal skala genom platsobservationer. Resultatet av detta arbete har lett fram till ett ramverk tänkt att koppla samman dimensioner mellan skalor genom att definiera hur de interagerar och på så vis synliggöra vilka möjligheter som finns i de aktuellas cenarierna. Inom detta samspel är det den regionala skalan som avgör graden av påverkan de lokala platserna har i rollen att kunna motverka regionala hållbarhetsutmaningar, samtidigt som det blir möjligt att kartlägga specifika ekosystemtjänster som kan vara relevanta och av brådskande karaktär. Den lokala skalan ramar in de rumsliga och sociokulturella möjligheterna att kunna ingripa på platserna genom att lägga fram både fysiska och värdefulla dimensioner. Analysen av dessa interaktioner har således kunnat belysa relevanta kopplingar och konflikter som kan informera och vägleda beslutsfattare kring hur hållbara åtgärder kan genomföras på den lokala skalan. Studiens resultat visar även på att specifika ES ibland kan verka som en brygga för att bedriva synergiska kraftansträngningar mellan divergerande intressen, där fysiska dimensioner likt rumslig avgränsning och tillgänglighet kan spela nyckelroller samt där övervägning av diverse värdedimensioner kan bidra till att hantera oundvikliga trade-offs.

Computermodelle stellen heute ein Standardwerkzeug in vielen wissenschaftlichen Disziplinen dar. Einer ihrer Hauptzwecke ist die Verknüpfung von Prozessen verschiedener Skalen. Verzichtet man auf diese Verknüpfung im Modell, sind realistische Prognosen meist ausgeschlossen, bildet man die Realität 1:1 nach, wird das Modell unlösbar. Wichtig ist daher eine gute Balance zwischen Genauigkeit und Abstraktion. Ich untersuche Möglichkeiten, skalenübergreifende Interaktionen in der Landnutzungsmodellierung effizient zu implementieren. Fokus liegt dabei auf zwei Prozessen: 1.Der Nutzung hochaufgelöster Daten im Modell. 2.Dem technologischer Wandel als landwirtschaftlichem Treiber. Häufig können hochaufgelöste Daten augrund limitierter Modellkomplexität nicht direkt verwendet werden. Meist wird dieses Problem gelöst, indem die Daten nach einem statischen Aggregationsschema hochskaliert werden. Als Alternative diskutiere ich den Einsatz von Clusteralgorithmen. Meine Untersuchungen zeigen, dass der entstehende Informationsverlust bei Verwendung von Clusteralgorithmen signifikant geringer ist als bei der Verwendung statischer Aggregationsvorschriften. Ein weiterer in der Landwirtschaft wichtiger Prozess ist technologischer Wandel. Während in der Vergangenheit Steigerungen in der Produktion meist durch Landexpansion erreicht wurden, so geschieht dies heute häufig durch Intensivierung. Ich präsentiere eine Modellimplementierung dieses Prozesses mitsamt der Rückkopplung der Landnutzungsintensität auf die Effektivität zugehöriger Investitionen. Grundlage dafür ist ein neuentwickeltes Maß für landwirtschaftliche Landnutungsintensität. Damit zeige ich, dass die Effektivität von Investitionen mit steigender Landnutzungsintensität sinkt. Meine Arbeit zeigt, dass außer dem Detailgrad eines Modells auch die Struktur der verwendeten Implementierungen einen signifikanten Einfluss auf die generelle Qualität der Simulation hat und insgesamt mehr Beachtung in der Modellierung finden sollte. / Computer models have become a common tool in various disciplines. A major challenge in modeling is the linking of processes on different scales. Neglecting cross-scale interactions leads to biases in model projections while a 1:1 representation is computational infeasible. Therefore, a good balance between accuracy and abstraction is essential. I investigate efficient implementations of cross-scale interactions in agricultural land-use models. I focus on two dominant aspects: First, the inclusion of spatially explicit data in a global optimization model; second, the proper representation of technological change as a driver for land use change. As a consequence of limitations in complexity of global optimization models the problem arises that high-resolution data cannot be used directly as model input. Typically, the spatially explicit data is upscaled by using a static upscaling rule. As an alternative I discuss the use of clustering methods for upscaling. I provide a general framework including the creation of clusters, the upscaling of inputs, and the downscaling of outputs. My investigations show that the information loss due to upscaling decreases significantly with cluster methods compared to static grids. Another important process in agriculture is technological change. Whereas in the past increases in agricultural production were mainly achieved by agricultural land expansion, nowadays most increases in total production are outcome of intensification due to technological change. To model this feedback I introduce a measure for agricultural land-use intensity. Based on this measure I show that the effectiveness of investments in technological change decreases with the agricultural land-use intensity. My findings imply that apart from detailedness especially the implementation has a significant impact on general model quality. Therefore, in model development the framework used for implementation should be emphasized to a greater extent.

Au sein de l’hémisphère sud, l’Afrique australe et le sud-ouest de l’océan Indien forment l’une des trois zones préférentielles de développement des interactions entre les tropiques et les moyennes latitudes. Il s’agit de la Zone de Convergence Sud-Indienne (ZCSI) où se forment, principalement en été austral, des systèmes synoptiques (entre 3 et 5 jours) caractérisés par des bandes nuageuses orientées nord-ouest/sud-est : les Talwegs Tropicaux-Tempérés (TTT). Cette recherche doctorale vise à améliorer les connaissances liées aux TTT, avec une étude sur la dynamique associée à ces systèmes et une analyse de leur évolution possible au cours du XXIème siècle. La première partie de l’étude s’attache à identifier les conditions favorables à la formation et au développement des TTT. Une classification en régimes de temps est utilisée pour identifier les TTT d’une part, et les perturbations des moyennes latitudes d’autre part, permettant de mieux documenter la variabilité spatio-temporelle des TTT et les conditions de leur développement. Ces événements sont responsables d’environ 20% des précipitations saisonnières sud-africaines. Cette contribution augmente selon un gradient ouest-est. La comparaison entre les deux classifications confirme que les perturbations des moyennes latitudes sont une condition nécessaire pour le développement de TTT, mais non suffisante. Dans les tropiques, des advections d’humidité depuis l’océan Atlantique tropical associées à un excès d'énergie statique humide sur le canal du Mozambique forment les conditions supplémentaires favorables à la convection atmosphérique profonde à proximité du continent. La seconde partie étudie comment les TTT, les précipitations et de manière plus générale le climat d’Afrique australe, pourraient évoluer au cours du XXIème siècle sous l’effet du forçage radiatif associé aux émissions de gaz à effet de serre (GES). Cette approche est multi-modèle (huit modèles climatiques sont retenus de l’exercice 5 du GIEC) et multi-trajectoire (RCP 8.5 et 2.6). Les huit modèles restituent convenablement les caractéristiques actuelles du climat d’Afrique australe ainsi que les bandes nuageuses associées aux TTT, tant en termes de variabilité spatiale que de fréquence d’occurrences. Sur le XXIème siècle, ils divergent sur l’évolution des précipitations saisonnières (NDJF). En revanche, ils convergent sur l’augmentation des quantités précipitées par jour de pluie sur le sud-est de l’Afrique australe. Ces changements ne sont pas à relier à une évolution spatio-temporelle des TTT, leur structure spatiale, leur fréquence d’occurrence et leur contribution aux précipitations restent stationnaires tout au long du siècle, mais à des événements pluviogènes extrêmes plus fréquents et plus intenses. / In the Southern Hemisphere, Southern Africa and the south-west Indian Ocean are one of the three preferred regions where interactions between the tropics and midlatitudes develop. This is the South Indian Convergence Zone (SICZ), where northwest-southeast oriented cloud bands form at the synoptic scale (between 3 and 5 days). These bands are mainly found during the austral summer and are commonly referred to as tropical temperate troughs (TTTs). This research aims at improving our knowledge related to TTTs, with a study on the dynamics associated with these systems, and an analysis of their possible evolution during the 21st century.The first part of this thesis aims at identifying favorable conditions for the formation and the development of TTTs. Weather regimes analysis is used to identify TTTs on the one hand and mid-latitude perturbations on the other hand, allowing us to better document the spatial and temporal variability of TTTs together with background climate conditions. The events identified account for 20% of seasonal rainfall on average. Their contribution increases according to a west to east gradient. The comparison between these two classifications, partitioned using a k-means clustering, first confirms that midlatitude perturbations are a necessary condition for TTT development, but they are not sufficient. An excess of moist static energy over the Mozambique Channel partly supplied by advections from remote regions (mostly the southern Atlantic basin and the south-west Indian Ocean) form additional conditions favoring deep atmospheric convection over and near the Southern Africa. The second part investigates possible changes in precipitation, TTTs and more generally climate over Southern Africa during the 21st century in response to radiative forcing associated with greenhouse gas emissions (GHG). A multi-model (height climate models taken on the IPCC Fifth Assessment Report) and multi-scenario (RCP 8.5 and 2.6) approach is chosen. All models are skillful to reproduce Southern Africa current climate characteristics and cloud bands associated with TTTs, both in terms of spatial variability and frequency of occurrences. During the 21th century, there is no consensus between the models on the future evolution of seasonal rainfall (NDJF). However, all simulate an increase in the amounts precipitated by rainy day over the south-east part of southern Africa. These changes are not related to an evolution of TTTs: their spatial patterns, frequency of occurrences and contribution to rainfall remain stationary throughout the 21st century, but they associated with extreme rainfall events that become more frequent and more intense.