Biosphere-climate interactions in current and future climate over North America

摘要

Alors que le climat contrôle la distribution spatiale des principaux types de végétation sur la terre, la végétation affecte le climat à travers la modification des caractéristiques physiques de la surface de la terre. La plupart de nos connaissances sur ces interactions bi-directionnelles sont basées sur des modèles climatiques en raison d'un manque d'observations. Cependant, du fait de leur faible résolution, les modèles climatiques globaux peuvent négliger un certain nombre d'interactions biosphère-atmosphère à l'échelle régionale et locale. L'objectif principal de cette thèse est donc d'étudier la variabilité spatio-temporelle des interactions et rétroactions biosphère-atmosphère à l'échelle régionale, plus particulièrement en Amérique du Nord, en utilisant la cinquième génération du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC5), qui comprend le modèle de végétation dynamique CTEM (Canadian Terrestrial Ecosystem Model). La première partie de la thèse porte sur la validation du modèle de végétation dynamique CTEM couplé au Canadian Land Surface Scheme (CLASS) à travers des simulations découplées du modèle climatique sur l'Amérique du Nord. Sachant bien que des biais dans les données de forçage pourraient avoir une incidence sur la biosphère simulée par CTEM/CLASS, deux réanalyses différentes sont utilisées pour forcer le modèle. Les deux variables les plus importantes vis-à-vis de leur influence sur la végétation sont les précipitations et la température. Ainsi, leurs différences entre les deux ensembles de données de forçage ont un impact bien marqué sur les différents réservoirs et des flux de carbone simulés, en particulier sur l'est de l'Amérique du Nord. Cependant, malgré des flux bruts très différents, le modèle produit des estimations similaires de flux net de CO2 entre la terre et l'atmosphère avec les deux ensembles de données de forçage. L'analyse de la distribution spatiale de l'évolution des stocks et des flux de carbone simulés montre que le puits de carbone simulé en Amérique du Nord est principalement attribuable aux augmentations de la productivité nette dans l'est des États-Unis, également rapporté par d'autres études, renforçant ainsi la confiance dans le modèle. La deuxième partie de la thèse porte sur l'évaluation de l'impact de la végétation dynamique, soit CTEM, sur le climat simulé par le MRCC5 en Amérique du Nord pour la période 1971-2010. Deux simulations du MRCC5, avec et sans CTEM, sont analysées en accordant une attention particulière aux interactions biosphère-atmosphère et sa variabilité spatio-temporelle. L'analyse montre que la végétation dynamique améliore les interactions à l'interface terre-atmosphère, ce qui se reflète dans les fortes corrélations entre la biosphère et les variables atmosphériques. De même, le MRCC5 incluant la végétation dynamique démontre une mémoire à long terme, mise en évidence par des corrélations en décalage, et une amélioration de la variabilité interannuelle, reflétée dans les états de la biosphère et l'atmosphère durant les années anormalement sèches ou humides. Enfin, la troisième partie de la thèse porte sur les modifications prévues dans les interactions biosphère-climat, et explore la contribution de la végétation dynamique aux changements climatiques. Cette étude utilise des simulations de l'évolution climatique, avec et sans CTEM, couvrant la période 1971-2100 et forcées aux frontières par le Canadian Earth System Model (CanESM2), et qui correspondent à deux scénarios d'émissions futures – RCP4.5 et RCP8.5. L'augmentation du CO2 et des températures conduisent à une augmentation de la productivité et de la biomasse de la végétation, et à renforcer l'efficacité d'utilisation de l'eau de la végétation dans le climat futur. De plus, la végétation dynamique permet à la biosphère simulée de répondre aux modifications du climat par une série de rétroactions qui, à leur tour, contribuent de manière significative au changement climatique. La recherche ci-dessus contribue ainsi à une compréhension systématique de la valeur ajoutée de la végétation dynamique dans le MRCC5 ainsi que la nature et la variabilité des interactions biosphère-atmosphère sur l'Amérique du Nord dans le climat récent et futur.ud______________________________________________________________________________ udMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : végétation dynamique, modélisation climatique régionale, interactions biosphère-climat