Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La prévision d'ensemble à l'échelle saisonnière avec des modèles de circulation générale a connu un essor certain au cours des vingt dernières années avec la croissance exponentielle des capacités de calcul, l'amélioration de la résolution des modèles, et l'introduction progressive dans ceux-ci des différentes composantes (océan, atmosphère, surfaces continentales et glace de mer) régissant l'évolution du climat à cette échelle. Malgré ces efforts, prévoir la température et les précipitations de la saison à venir reste délicat, non seulement sur les latitudes tempérées mais aussi sur des régions sujettes à des aléas climatiques forts comme l'Afrique de l'ouest pendant la saison de mousson. L'une des clés d'une bonne prévision est la prise en compte des incertitudes liées à la formulation des modèles (résolution, paramétrisations, approximations et erreurs). Une méthode éprouvée est l'approche multi-modèle consistant à regrouper les membres de plusieurs modèles couplés en un seul ensemble de grande taille. Cette approche a été mise en œuvre notamment dans le cadre du projet européen ENSEMBLES, et nous montrons qu'elle permet généralement d'améliorer les rétro-prévisions saisonnières des précipitations sur plusieurs régions d'Afrique par rapport aux modèles pris individuellement. On se propose dans le cadre de cette thèse d'étudier une autre piste de prise en compte des incertitudes du modèle couplé CNRM-CM5, consistant à ajouter des perturbations stochastiques de la dynamique du modèle d'atmosphère ARPEGE-Climat. Cette méthode, baptisée “dynamique stochastique”, consiste à introduire des perturbations additives de température, humidité spécifique et vorticité corrigeant des estimations d'erreur de tendance initiale du modèle. Dans cette thèse, deux méthodes d'estimation des erreurs de tendance initiale ont été étudiées, basées sur la méthode de nudging (guidage) du modèle vers des données de référence. Elles donnent des résultats contrastés en termes de scores des rétro-prévisions selon les régions étudiées. Si on estime les corrections d'erreur de tendance initiale par une méthode de nudging itéré du modèle couplé vers les réanalyses ERA-Interim, on améliore significativement les scores sur l'hémisphère Nord en hiver en perturbant les prévisions saisonnières en tirant aléatoirement parmi ces corrections. Cette amélioration est accompagnée d'une nette réduction des biais de la hauteur de géopotentiel à 500 hPa. Une rétro-prévision en utilisant des perturbations dites“optimales” correspondant aux corrections d'erreurs de tendance initiale du mois en cours de prévision montre l'existence d'une information à l'échelle mensuelle qui pourrait permettre de considérablement améliorer les prévisions. La dernière partie de cette thèse explore l'idée d'un conditionnement des perturbations en fonction de l'état du modèle en cours de prévision, afin de se rapprocher si possible des améliorations obtenues avec ces perturbations optimales / Over the last twenty years, research in ensemble predictions at a seasonal timescale using general circulation models has undergone a considerable development due to the exponential growth rate of computing capacities, the improved model resolution and the introduction of more and more components (ocean, atmosphere, land surface and sea-ice) that have an impact on climate at this time scale. Regardless of these efforts, predicting temperature and precipitation for the upcoming season is a difficult task, not only over mid-latitudes but also over regions subject to high climate risk, like West Africa during the monsoon season. One key to improving predictions is to represent model uncertainties (due to resolution, parametrizations, approximations and model error). The multimodel approach is a well-tried method which consists in pooling members from different individual coupled models into a single superensemble. This approach was undertaken as part of the European Commission funded ENSEMBLES project, and we find that it usually improves seasonal precipitation re-forecasts over several regions of Africa with respect to individual model predictions. The main goal of this thesis is to study another approach to addressing model uncertainty in the global coupled model CNRM-CM5, by adding stochastic perturbations to the dynamics of the atmospheric model ARPEGE-Climat. Our method, called “stochastic dynamics”, consists in adding additive perturbations to the temperature, specific humidity and vorticity fields, thus correcting estimations of model initial tendency errors. In this thesis, two initial tendency error estimation techniques were studied, based on nudging the model towards reference data. They yield different results in terms of re-forecast scores, depending on the regions studied. If the initial tendency error corrections are estimated using an iterative nudging method towards the ERA-Interim reanalysis, seasonal prediction scores over the Northern Hemisphere in winter are significantly improved by drawing random corrections. The 500 hPa geopotential height is also clearly reduced. A re-forecast using “optimal” perturbations drawn within the initial tendency error corrections from the current forecast month shows that useful information at a monthly timescale exists, and could allow significant forecast improvement. The last part of this thesis focuses on the idea of classifying the model perturbations according to its current state during the forecast, in order to take a step closer (if possible) to the improvements noted with these optimal perturbations

La colonisation médiévale scandinave au Groenland (986 – 1450 AD) et la reconquête agricole récente de la région sud-groenlandaise, favorisée par le réchauffement climatique en cours, constituent un modèle de référence particulièrement adapté à l’étude des relations entre une communauté humaine et son environnement. Dans cette perspective, une étude sédimentologique multiparamètre a été réalisée sur la séquence sédimentaire du lac d’Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situé au cœur de la principale implantation médiévale et du secteur agro-pastoral contemporain. Quatre mètres de sédiments, couvrant la totalité de l’évolution holocène du lac (~10000 ans), ont été étudiés à haute résolution temporelle. L’analyse comprend une caractérisation physico-chimique (densité, susceptibilité magnétique, diagraphie XRF, imagerie rayon-X, granulométrie laser, dosages carbone, azote et souffre, ICP-AES, isotopie δ13C et δ15N de la matière organique) et biologique (pollen, microfossiles non polliniques, diatomées) du sédiment. Vingt-huit datations radiocarbones, ainsi que la mesure l’activité du 210Pb et du 137Cs, permettent d’interpréter le signal sédimentaire dans un cadre chronologique très précis et de reconstruire l’évolution postglaciaire du lac et de son bassin versant, soumis aux contraintes glacio-isostatiques, aux forçages climatiques et aux impacts anthropiques. La première phase d’évolution du système lacustre est principalement sous contrôle isostatique avec une transition rapide d’un environnement marin pro-glaciaire vers un environnement lacustre après émersion du bassin, il y a 9500 ans. Par la suite, la séquence témoigne de l’évolution paléoclimatique de la région. Les paramètres limnologiques et terrestres suggèrent un réchauffement précoce, probablement interrompu par une période froide, sèche et venteuse entre 8600 et 8100 ans cal BP. Un second événement sec et venteux, de 5300 à 4800 ans cal BP, précède la transition néoglaciaire, qui se caractérise, à Igaliku, par une évolution vers un climat plus humide et peut-être plus froid à partir de 4800 cal BP, provoquant une mutation majeure des conditions écologiques terrestres et aquatiques. La diminution des flux de grains de pollen indique un refroidissement notable à partir de 3000 cal BP. Vers l’an 1000, suite à l’arrivée des colons scandinaves, le système lacustre passe sous un contrôle anthropique dominant. Le défrichement et l’introduction d’herbivores domestiques dans le bassin versant du lac produisent un doublement du taux d’érosion des sols (de 4 mm/siècle à 8 mm/siècle vers 1200 AD) et une modification de la qualité des influx organiques. Pour autant, les assemblages de diatomées indiquent que l’écologie du lac n’a été que faiblement affectée par l’agriculture médiévale. A partir de 1325 AD et jusqu’à la fin de la colonie scandinave, vers la moitié du XVe siècle, la végétation présente des signes de résilience et l’érosion des sols régresse. Cette déprise agro-pastorale, probablement en relation avec les prémices du Petit Âge Glaciaire, est en phase avec une importante mutation des pratiques de subsistance attestée par l’archéologie. Le retour du pastoralisme au début du XXe siècle marque une reprise des processus d’érosion, similaires, en intensité, à ceux engendrés par les colons scandinaves. En revanche, l’intensification et la modernisation des pratiques agricoles dans les années 1980 est responsable d’une érosion des sols spectaculaire (~21 mm/siècle) et d’une mutation de l’écosystème lacustre (eutrophisation) sans précédent depuis la formation du lac, il y a 9500 ans. Les effets combinés de l’agriculture et du réchauffement climatique en cours (amorcé dans les années 1920 à Igaliku) aura des conséquences environnementales difficiles à prévoir pour l’avenir de la région / The medieval Norse colonization of Greenland (986-1450 AD) and the subsequent reestablishment of agriculture in south Greenland, aided by recent climate warming, constitute a conceptual model that is particularly well adapted to understanding the relations between a community and its environment. In this perspective, a multi-parameter sedimentological study was undertaken on the sedimentary sequence of Lake Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situated in the heart of the medieval and current agricultural sector. The 4 m long sequence, covering the entire Holocene evolution of the lake (~10 000 years), was studied at high temporal resolution. The analyses included the physico-chemical characterization of the sediments (density, magnetic susceptibility, XRF, X-ray imaging, grain size, carbon, nitrogen, and sulphur content, ICP-AES, δ13C and δ15N isotopic ratios) as well as the biological components of the sediment (pollen, non-pollen palynomorphs, diatoms). 28 radiocarbon dates as well as 210Pb and 137Cs measurements created a precise temporal framework with which to reconstruct the postglacial evolution of the lake and its catchment in terms of isostatic constraints, climatic forcing and anthropogenic impacts. The first phase of basin evolution is primarily controlled by isostasy, with the rapid transition from glaciomarine conditions to a freshwater lake as the basin emerged from the fjord 9500 yr BP. Afterwards, the sedimentary sequence records the paleoclimatic evolution of the region. Paleolimnological and terrestrial proxies suggest an early warm phase likely interrupted by a cold, windy, dry period between 8600 yr BP and 8100 yr BP. A second dry, windy period between 5300 yr BP and 4800 yr BP predated the transition to neoglacial cooling, which is characterised at Igaliku by a switch to humid and perhaps cooler conditions after 4800 BP, and which caused a major shift in both aquatic and terrestrial ecology. Approximately 1000 AD, after the arrival of Norse settlers, the lacustrine system became anthropogenically dominated. Land clearing and domestic herbivores introduction in the lake catchment doubled the rate of soil erosion (from 4 mm century-1 to 8 mm century-1 by 1200 AD) and caused a major modification of the organic carbon influx. On the other hand, diatom assemblages demonstrate that the lake ecology was not strongly impacted by medieval agriculture at this site. After 1325 AD, until the end of the Norse tenure in the mid-15th century, terrestrial vegetation showed signs of rebound and soil erosion decreased. This agricultural diminishment, probably in relation to the beginning of the Little Ice Age, is consistent with an important change in subsistence patterns evidenced by archaeology in this region. The reestablishment of agriculture at the beginning of the 20th century marks the reinvigoration of erosional processes that are similar in intensity to that of the Norse settlement. On the other hand, the intensification and modernization of farming practices during the 1980s is responsible for marked soil erosion (21 mm century-1) and a shift in lake ecology (eutrophication) that is unprecedented in the 9500 yr history of the lake. The combined effects of agriculture and climate warming already underway (initiated in the 1920s at Igaliku) will have large environmental consequences for the future of this region

Depuis les travaux fondateurs d'Emmanuel Le Roy Ladurie et de Pierre Alexandre - pour se limiter au contexte français - le climat n'est définitivement plus considéré dans un cadre déterministe comme une cause première imprimant sa marque sur les sociétés humaines, mais comme une contrainte qui leur pose des problèmes et qui nécessite de la part de celles-ci de mettre en place diverses stratégies pour s'en affranchir ou s'y adapter. Ces stratégies dépendent de paramètres purement sociaux, culturels, politiques et économiques. La notion de vulnérabilité est au coeur de l'enquête. Ce terme, polysémique, désigne à la fois les impacts des phénomènes naturels - climatiques dans cette recherche - sur une société, ainsi que la capacité de résilience de celle-ci, c'est-à-dire son aptitude à prévoir, anticiper ou sortir d'une crise particulière, qu'elle soit de courte ou de longue durée. La mesure des impacts s'intéresse principalement aux paramètres socioéconomiques, alors que la capacité de résilience dépend directement des moyens techniques, des mesures politiques mais également des représentations culturelles. Existe-t-il une « culture du risque » permettant d'éclairer ces mécanismes ? Le corpus documentaire messin est exceptionnel pour mener cette enquête : les sources narratives sont nombreuses et embrassent sans discontinuités majeures une large fourchette chronologique couvrant les XIVe-XVIe siècles. Ce riche fonds est croisé avec les importantes collections d'archives conservées dans les dépôts régionaux et locaux. Le Pays messin constitue donc un choix de premier ordre pour envisager une histoire du climat à l'échelle locale. Cette période est marquée par le Petit Âge Glaciaire. Cette expression, qui a fait florès, ne doit pas être confondue et comprise comme une nouvelle période glaciaire, mais comme une période d'avancée soutenue des grands glaciers, tout au moins ceux d'Europe occidentale. Cette phase débuterait au début du XIVe siècle pour prendre fin vers 1860. Ces caractéristiques sont toutefois l'objet de vives discussions, principalement parce que la plupart des études sur l'histoire du climat concernent les 500 dernières années. La pénurie documentaire rend en effet difficile toute étude antérieure. Ce n'est pas le cas pour l'espace messin, qui permet d'envisager localement l'analyse du début - mal connu - du Petit Âge Glaciaire, de la vulnérabilité éventuelle de cet Etat urbain aux variations climatiques, ainsi que de l'existence d'une « culture du risque » relative au climat et à ses désordres. / Since the seminal works of Emmanuel Le Roy Ladurie and Pierre Alexandre - to limit ourselves to the French context - the climate is no longer considered in a determinist frame as a primary cause printing its mark on human societies, but as a constraint which causes problems to them and which requires from them the implementation of various strategies so as to adapt or to overcome them. These strategies depend on settings that are purely social, cultural, political and economic. The notion of vulnerability is at the heart of this investigation. This term, polysemous, refers both to the impacts of natural phenomena - climatic in this research - on a society, and to the capacity of resilience of this latter, that is the capacity to plan, to anticipate or to get out of a particular short-term or long-term crisis. The measure of the impacts refers mainly to the socioeconomic settings, while the capacity of resilience depends directly on technical means, on political measures but also on cultural representations. Is there a "risk culture" which could throw light on these mechanisms? The documentary corpus from Metz is exceptional for this investigation: the narrative sources are numerous and cover without major discontinuities the fourteenth and fifteenth centuries. This rich documentation is compared with the important collections of records kept in the regional and local archives. Therefore, the Metz County constitutes an excellent choice for the study of the climate history on a local scale. This period is marked by the Little Ice Age. This expression, which has flourished, must not be confused and understood as a new Ice Age, but as a period of sustained progress for the great glaciers, at least for the Western European ones. This phase would begin in the early fourteenth century and end by 1860. These characteristics are, however, debated, mainly because most studies of climate history concern the last 500 years. The lack of documentation makes previous study difficult. This is not the case for the Metz area, where an exceptional documentary corpus enables to analyse locally the badly known beginning of the Little Ice Age, the potential vulnerability of this urban State to climatic variations, and the existence of a "risk culture" relative to the climate and its disorders.

Les facteurs déterminant l’épidémiologie et la sévérité de la Dengue restent mal connus. La compréhension de la dynamique des épidémies est indispensable au management de la lutte anti-vectorielle et des futures stratégies vaccinales. Dans un premier travail, la caractérisation moléculaire de 181 souches de Dengue-1 a permis de déterminer l’origine des épidémies en Polynésie Française (2001, 2006) et d’identifier un phénomène de ré-émergence. La fixation d’une mutation (E-S222T) en période endémique pourrait refléter une adaptation du virus au moustique. A l’échelle intra-hôte, la diversité des populations virales était significativement inférieure en cas de forme sévère suggérant une relation entre diversité génétique virale et clinique.Dans un second travail, cette relation a été confirmée (Bolivie, épidémie de Dengue-1, 2009) et l’importance de la composition des populations virales dans le sang capillaire a été soulignée. Dans un troisième travail, nous avons étudié l’influence du climat sur les épidémies de Dengue (Nouvelle Calédonie, 1971-2010) et développé un modèle prédictif de risque épidémique utilisable par les autorités de santé. / The determinant factors of Dengue epidemiology and severity remain unclear. Understanding the epidemic dynamics is crucial to manage vector control and vaccine strategies in the future. In a first work, the molecular characterization of 181 Dengue-1 strains allowed to determine the origin of Dengue outbreaks in French Polynesia (2001, 2006) and to identify a phenomenom of re-emergence. A mutation (E-S222T) has been fixed during the endemic period that may reflect viral adaptation to the mosquito. At the intra-host scale, the genetic variability was significantly lower in patients experiencing severe forms. This suggests a relationship between the diversity of viral populations within hosts and the clinical presentation of the disease.In a second work, this connection has been confirmed (Bolivia, 2009 Dengue-1 outbreak) and the importance of the composition of viral populations in the capillary blood has been underlined.In a third work, the influence of climate on Dengue epidemics has been studied (New Caledonia, 1971-2010) and a predictive model of epidemic risk usable by the health authorities has been developed.

A travers l'étude des Calcisols alluviaux des bassins de Digne-Valensole (SE France) et de Loranca (Espagne centrale), l'objectif de cette thèse est de développer des approches spécifiques à ce type de profils paléopédologiques, et de proposer de nouvelles données paléoenvironnementales et paléoclimatiques pour l'Europe occidentale.Ces paléosols ont été investigués par des méthodes pédologiques, sédimentologiques, minéralogiques et géochimiques, qui mettent en avant la lixiviation et la fersiallitisation comme des processus majeurs dans leur formation, ainsi qu'une influence non négligeable des variations latérales des matériaux parentaux sur leurs caractéristiques. L'étude couplée des paléosols et des dépôts sédimentaires associés permet également d'intégrer les dépôts dans un modèle de stratigraphie séquentielle à haute résolution, et ouvre une discussion sur les biais d'estimation du taux d'aggradation à partir des séries alluviales.De nouvelles climofonctions basées sur les teneurs et distributions des éléments majeurs au sein de ces profils sont proposées à partir de l'analyse d'analogues actuels du Nord-Est de l'Espagne. Celles-ci prennent en compte l'hétérogénéité des dépôts soumis à l'altération, en comparant la composition des horizons de subsurface à celle de la partie superficielle du matériau parental. Elles apparaissent complémentaires des climofonctions précédemment développées pour estimer les précipitations et leur saisonnalité à partir de la morphologie de l'horizon d'accumulation du carbonate de calcium, en apportant la possibilité d'estimer les températures et les précipitations annuelles moyennes, y compris à partir de paléosols tronqués par l'érosion, fréquents dans ces séries.Leur application aux paléosols étudiés permet de mettre en évidence un climat relativement chaud à fort contraste saisonnier en termes de précipitations, similaire au climat méditerranéen actuel. Ces données remettent en cause la vision soutenue par les études paléontologiques d'un climat humide à cette période, et pose la question de l'enregistrement du signal climatique selon l'objet considéré. En effet, si la préservation des fossiles est généralement liée à des conditions humides, les sols se développent sur l'ensemble des parties émergées et enregistrent des conditions et périodes plus sèches, ce qui justifie la nécessité de prendre davantage en compte les paléosols dans ces reconstitutions. / Through the study of alluvial Calcisols from the Digne-Valensole (SE France) and the Loranca (central Spain) basins, the aim of this thesis is to develop specific methods and to propose new paleoenvironmental and paleoclimatic data for Western Europe.These paleosols were investigated by pedological, sedimentological, mineralogical and geochemical methods. These highlight leaching and fersiallitisation as major processes in the formation of these profiles, and the influence of the lateral variations of parent materials on paleosols features. Moreover, the cross study of paleosols and sedimentary deposits allows their integration in a high-resolution sequence stratigraphy model, and opens a discussion about the estimation of aggradation rate from alluvial successions.New climofunctions based on major elements contents and distributions through these profiles are also proposed from the study of modern analogs from NE Spain. These functions include a ratio between the subsurface horizon and the upper part of parent material to avoid bias due to the strong heterogeneity of the altered deposits. These are complementary to previous methods developed from the morphological study of calcium carbonate accumulation horizon, which permit to estimate mean annual precipitations and their seasonality, bringing the possibility to quantify mean annual temperatures and precipitations even with truncated profiles, frequent in such successions.Their application to the studied paleosols reveals a relatively hot climate with a strong seasonal contrast in terms of precipitations, similar to the modern Mediterranean climate. These data improve our knowledge of this period that paleontological studies qualify as more humid, and raise the question about the recording of climatic signal according to the considered object. Indeed, if the preservation of fossils is usually linked to humid conditions, soils form over the emerged parts of environment and record drier conditions, which justify the need to enhance the use of paleopedological studies in such reconstructions.

L’objectif de mon travail de thèse est de contribuer à la compréhension des rôles joués par les interactions sol-atmosphère et par la circulation à grande-échelle dans la formation d’aanomalies de températures estivales en Europe. Cela constitue un double défi du fait de la rareté des observations d’une part et des incertitudes liées aux paramétrages des modèles atmosphériques d’autre part. Je me concentre sur 4 sujets principaux : 1) Comment les interactions sol-atmosphère influencent-elles les projections climatiques et leurs incertitudes ? 2) Comment les paramétrisations atmosphériques influencent les simulations des vagues de chaleur extrêmes ? 3) Quelle importance jouent l’humidité du sol et les circulations atmosphériques sur les anomalies de température estivales? Et 4) Quels sont les impacts des sécheresses et de la chaleur sur la végétation ?Concernant la première question j’ai montré que les différences de partitionnement des flux de chaleur conduisent à un réchauffement spatialement hétérogène et incertain en Europe dans l'avenir. En particulier en Europe centrale, les modèles prédisent une grande gamme de réchauffements en été, alors qu’un relatif accord est obtenu en Europe du Sud. J’ai montré que l'utilisation d’une contrainte sur l’ensemble de projections par des observations des flux de chaleur sensible permet de réduire cette incertitude future au niveau régional jusqu’à 40% dans cette région.En outre, en testant des physiques atmosphériques pour des conditions caniculaires, j’ai constaté une grande variabilité des températures entres toutes les configurations physiques. La température est principalement sous-estimée par rapport aux observations. Le rayonnement à ondes courtes et les précipitations sont généralement surestimées. J’ai sélectionné un sous-ensemble réduit de configurations pour simuler une hausse futures des températures estivales en Europe.Avec la meilleure configuration trouvée j’ai quantifié la contribution de l’humidité du sol au début d’été et les ‘drivers’ à grandes échelle sur les températures estivales. J’ai montré que la contribution de l’humidité du sol peut monter jusqu’à 1°C au maximum pendant les vagues de chaleurs de 2003 et de2010. La contribution des ‘drivers’ à grande échelle est la plus importante, jusqu’à 3°C en 2003 et jusqu’à 6°C en 2010. Toutefois, la contribution de l’humidité du sol en début d’été a augmenté au cours des dernières décennies en Europe centrale et en Russie, correspondant aux régions avec une tendance négative significative de l’humidité du sol. Les ‘drivers’ a grands échelles ont joué un plus grand rôle en Europe de l’Est.Enfin, j’ai étudié les effets des sécheresses et de la chaleur sur la végétation. J’ai trouvé une surestimation de la GPP simulée à l'échelle locale sur un site méditerranéen pendant l’été. Cela indique que le modèle de végétation ne peut pas actuellement reproduire les conséquences complexes du stress hydrique. Pour simuler l'avenir, avec des impacts possiblement plus importants des sécheresses, le modèle doit être adapté avec des processus spécifiques liés aux sécheresses et leurs effets différés. / Through this work I aimed to improve the understanding of the role of land-atmosphere feedbacks and large-scale circulation that lead to warm summer temperatures in Europe. This is challenging due to the scarcity of observations and the uncertainties of parameterized atmospheric processes. I focused on four main issues: 1) How do land-atmosphere feedbacks affect climate projections and their uncertainties? 2) How do different physical parameterizations affect the simulation of extreme heatwaves? 3) How large are the roles of soil moisture and atmospheric circulation in the development of European summer temperature anomalies? And 4) What are the impacts of heat and drought stress on vegetation?Regarding the first question I found that the different partitioning of land heat fluxes between models leads to spatially different warming over Europe in the future. The uncertainty of future climate change was especially high in central Europe, largely due to the uncertainty in heat flux partitioning, while in Southern Europe the models mostly agreed. The use of observation-based sensible heat fluxes allowed to reduce this climate change uncertainty regionally up to 40%.While studying different atmospheric parameterizations for the extreme heatwaves of 2003 and 2010, I found a large temperature spread between the simulations. Compared to observations, temperature was mostly underestimated. Shortwave radiation and precipitation were generally overestimated. I selected a reduced model ensemble of well performing configurations compared to observations, to perform future studies on warm summer temperatures over Europe.The best physics configuration was consequently used to quantify the role of early summer soil moisture and large-scale drivers on summer temperature anomalies. The contribution of soil moisture was up to maximum 1°C during the heatwaves of 2003 and 2010. The contribution of large-scale drivers was larger, reaching up to 3°C in 2003 and up to 6°C in 2010. However, the contribution of early summer soil moisture to the temperature anomalies has been increasing over the last decades over parts of central Europe and Russia, corresponding to the regions with a significant negative trend of soil moisture. Large-scale drivers showed an increasing importance in the Eastern European region.Lastly, I studied the impacts of drought and heat stress on several European forest tree species. I found an overestimation of modeled GPP at a local scale in the Mediterranean region during summer with ORCHIDEE. This indicates that the vegetation model does not well reproduce the complicated consequences of drought stress. To model future, possibly more severe impacts of drought, the model may need to be adapted with drought-specific processes and lagged effects.

Les traceurs à base de bore (δ11B et B/Ca) dans les carbonates ont reçu une attention considérable au cours des dernières décennies dans le domaine des géosciences de par leur potentiel à recalculer le pH. Cette thèse explore les frontières des applications de ces traceurs à la paléocéanographie et à la biogéochimie. A cause de la montée des teneurs en CO2 d’origine anthropique, il est devenu extrêmement important de comprendre comment les systèmes de la Terre répondront dans le futur. Les organismes marins sont aussi impactés par le réchauffement et l’acidification des océans, c’est pourquoi il est essentiel d’identifier les espèces résilientes et de comprendre les mécanismes sous-jacents à leur acclimatation. Les objectifs de cette thèse sont de répondre à certaines questions fondamentales, comment le CO2 atmosphérique a évolué au cours des transitions climatiques majeures du Néogène? Comment le dégazage ou l’absorption de carbone ont-ils évolué dans l’Est équatorial Pacifique au cours des derniers 6.5 Ma? Les changements de source et puits de carbones peuvent-ils moduler le CO2 atmosphérique passé et expliquer les transitions climatiques? Et pour les organismes marins, comment les mécanismes permettant la biominéralisation sont-ils impactés par l’augmentation des températures et l’acidification des océans dans les coraux tropicaux ? / Boron-based proxies (δ11B and B/Ca) in carbonates have gained considerable attention in the geosciences over the last several decades, given their potential to constrain pH. This thesis explores frontier applications of these proxies to paleoceanography and biogeochemistry. Due to rising anthropogenic CO2 levels, it is becoming increasingly important to understand how Earth’s systems will respond in the future.Marine organisms are also impacted by the warming and acidification of the ocean, therefore it is essential to identify resilient species and understand the underlying mechanisms of acclimatization.The objectives of this thesis are to answer several fundamental questions, for instance, how has atmospheric CO2 changed during major climate transitions over the Neogene? How did degassing or absorption of carbon evolve in the East equatorial Pacific during the last 6.5 Ma? Can changes of sources and sinks modulate past atmospheric CO2 and explain past climate transitions? And for marine organisms, how are the mechanisms allowing biomineralization impacted by increased temperature and the acidification of the ocean in tropical corals?

L’objectif principal de cette thèse était de comprendre la variabilité millénaire du CO2 atmosphérique durant le stade isotopique marin 6 (Marine Isotope Stage 6, MIS 6), l’avant dernière période glaciaire (185-135 ka BP). Durant la première partie de la période MIS 6 (185-160 ka BP), 6 oscillations climatiques millénaires peuvent être observées dans des indicateurs de la température antarctique, du phénomène de bascule bipolaire dans la région Atlantique Nord et de l’intensité des moussons des basses latitudes. Un cycle hydrologique intensifié et des vêlages d’iceberg dans l’Atlantique Nord pourraient avoir impacté la circulation atlantique méridionale de retournement (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) durant MIS 6 (Margari et al., 2010). La reconstruction de CO2 atmosphérique à partir des carottes antarctiques peut fournir des informations clés sur le lien entre CO2 atmosphérique et variabilité climatique millénaire. Cependant, les enregistrements existants du CO2 à partir de la carotte de glace de Vostok ne montrent pas de variabilité millénaire du fait de trop mauvaises résolution et précision.Pour examiner comment le CO2 atmosphérique est lié avec le changement climatique sur les échelles de temps millénaires pendant le MIS 6, nous avons analysé 150 échantillons de CO2 atmosphérique obtenus à partir de la carotte EPICA Dome C (EDC) sur la période 189.4-135.4 ka BP. Une oscillation mineure et 5 oscillations majeures du CO2 atmosphérique pendant la première partie de la période du MIS 6 (189-160 ka BP) ont été découvertes. Cette variabilité est très liée avec la température antarctique. Pendant les périodes stadiales courtes dans l’Atlantique Nord, les variations de CO2 atmosphérique sont négligeables et découplées avec la variabilité de la température antarctique. Durant ces périodes, la force de l’upwelling dans l’océan austral pourrait ne par être suffisante pour impacter le CO2 atmosphérique. De plus, 2 modes de variations du CO2 sont présentes pendant la période du MIS 6. Le maximum de dioxyde de carbone 6 (carbon dioxide maxima 6, CDM 6) suit le réchauffement rapide de l’hémisphère Nord de seulement 100±360 ans, alors que les retards pour les CDM 3 et 4 sont bien plus longs, 1 100±280 ans en moyenne. Ces deux modes de variation du CO2 pourraient être liés à un changement de mode de l’AMOC de la première partie du MIS 6 au MIS 6.5. Ces deux phénomènes sont aussi observés pendant la dernière période glaciaire. Cependant, les données disponibles permettent seulement une discussion exploratoire des mécanismes responsables de la variabilité du CO2 pendant MIS 6. Comme les conditions aux limites de la dernière période glaciaire ne peuvent pas être appliquées au MIS 6, des données supplémentaires et des études par modélisation du MIS 6 sont nécessaires. / The main objective of this thesis is to understand the millennial variability of atmospheric CO2 during the Marine Isotope Stage 6 (MIS 6), the penultimate glacial, period (185─135 kyr BP). During the early MIS 6 period (185-160 kyr BP), 6 millennial-scale climate oscillations can be observed in proxy records of Antarctic temperature, the bipolar see-saw phenomenon in the North Atlantic region, and Monsoon intensity in low latitudes. An intensified hydrological cycle and iceberg calving in the North Atlantic may have impacted on the Atlantic Meridional Overturning Circulation during MIS 6 (Margari et al., 2010). Atmospheric CO2 reconstructions from Antarctic ice cores can provide key information on how atmospheric CO2 concentrations are linked to millennial-scale climate changes. However, existing CO2 records from the Vostok ice core do not show the millennial variability due to the lack of suitable temporal resolution and precision. To understand atmospheric CO2 variability during MIS 6, a precision of less than 2 ppm is mandatory, because there is a possibility that we could observe small CO2 variability of less than 5 ppm during the smaller Antarctic isotope maxima events as observed during the last glacial period (Ahn and Brook, 2014; Bereiter et al., 2012).To investigate how atmospheric CO2 is related with climate change on millennial time scales during MIS 6, we reconstructed 150 samples of atmospheric CO2 data from the EPICA Dome C (EDC) ice core during the MIS 6 period (189.4─135.4 kyr BP). One minor and five major variabilities of atmospheric CO2 during the early MIS 6 period (189─160 kyr BP) were found. These variabilities are highly matched with Antarctic temperature. During the short stadials in the North Atlantic, atmospheric CO2 variations are negligible and decoupled with temperature variations in Dome C. During this period, the strength of upwelling in the southern ocean might not be sufficient to impact on atmospheric CO2. In addition, 2 modes of CO2 variations are present in the MIS 6 period. Carbon dioxide maxima (CDM) 6 lags abrupt warming in the Northern Hemisphere by only 100±360 yrs, while the lags for CDM 3 and 4 are much longer, 1,100±280 yrs on average. Theses 2 modes of CO2 variations might be related with a mode change of AMOC from the earliest MIS 6 to MIS 6.5. These two phenomena also are observed during the last glacial period. However, the limited available proxy data permit only an exploratory discussion of the mechanisms responsible for CO2 variability during MIS6. Because the boundary conditions of the last glacial period cannot be applied to MIS 6, additional proxy data and multiple modelling studies conducted during MIS 6 period are needed.

L’étude du cycle de l’eau est d’une importance cruciale pour toutes les sociétés et plus particulièrement pour celles du pourtour méditerranéen qui souffrent à la fois de sécheresses en été et d’inondations dues à des événements de précipitations extrêmes survenant en automne et en hiver. La température est l’un des principaux facteurs qui gouvernent l’intensité maximale des précipitations via la relation de Clausius-Clapeyron (CC). Cette loi exprime la quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’atmosphère à une température donnée. À l’aide de simulations climatiques régionales et d’observations, nous avons montré que les relations température-précipitations extrêmes du bassin méditerranéen présentent une forme en crochet avec une augmentation des précipitations extrêmes proche de CC aux basses températures puis une augmentation moins forte (voire une diminution) aux hautes températures. Présents en grande quantité sur le pourtour méditerranéen, les aérosols absorbent et réfléchissent une partie du rayonnement, ce qui contribue à refroidir les basses couches de l’atmosphère. Par leur action sur la température de surface, les aérosols réduisent les précipitations. L’étude de simulations numériques montre également une modification de la relation température-précipitations par les aérosols (leur effet sur les nuages) dans la région euro-méditerranéenne. En plus de faire baisser le contenu en vapeur d'eau disponible, les aérosols stabilisent l’atmosphère en refroidissant davantage les basses couches de l’atmosphère par rapport aux couches supérieures. On étudie souvent la relation température-précipitations d’un climat donné dans le but de prédire l’évolution des précipitations dans un climat futur plus chaud. Cependant cette extrapolation suppose que la relation entre la température et les précipitations ne change pas entre le climat présent et le climat futur, une hypothèse qui s’avère fragile au vu de la sensibilité de cette relation au contenu en aérosols de l’atmosphère, mais aussi au vu du changement de la disponibilité en vapeur d’eau dans un climat futur. Au cours de cette thèse, nous avons ainsi montré que pour plusieurs stations côtières les projections dans le futur de plusieurs modèles de climat régionaux suggèrent que les précipitations extrêmes devraient augmenter proportionnellement à l’augmentation des températures selon la loi de CC. Un phénomène que nous n’avons pas pu observer pour des régions plus isolées de la mer et où l’afflux de vapeur d’eau serait moindre. / The study of the water cycle is of crucial importance for all societies and more particularly for those around the Mediterranean which suffer both from droughts in summer and floods due to extreme precipitation events occurring in the autumn and in winter. Temperature is one of the main factors that govern the maximum intensity of precipitation through the Clausius-Clapeyron (CC) relationship. This law expresses the maximum amount of water vapor that the atmosphere can contain at a given temperature. Using regional climate simulations and observations, we have shown that the temperature-precipitation extremes relationships of the Mediterranean basin have a hooked shape with an increase in extreme precipitation near CC at low temperatures and then a smaller increase (or even a decrease) at higher temperatures. Aerosols, which are present in large quantities around the Mediterranean, absorb and reflect part of the radiation, helping to cool the lower layers of the atmosphere. By their action on the surface temperature, aerosols reduce precipitation. The study of numerical simulations also shows a modification of the temperature-precipitation relationship by aerosols (their effect on clouds) in the Euro-Mediterranean region. In addition to the lowering the available water vapor content, aerosols stabilize the atmosphere by further cooling the lower layers of the atmosphere relatively to the upper layers. The temperature-precipitation relationship of a given climate is often studied in order to predict precipitation trends in a warmer future climate. However, this extrapolation assumes that the relationship between temperature and precipitation does not change between the present climate and the future climate, a hypothesis which proves to be fragile when looking at the sensitivity of this relationship to the aerosol content of the atmosphere, but also in view of the change in the availability of water vapor in a future climate. In this thesis, we have shown that for several coastal stations, projections in the future of several regional climate models suggest that extreme precipitation should increase in proportion to the temperature increases according to CC law. A phenomenon that we have not been able to observe for more isolated areas from the sea and where the influx of water vapor would be reduced.