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Evaluation du potentiel d’émission de gaz a effet de serre par les pergélisols boréaux dans le cadre d’un changement climatique futur

par LIBOIS Quentin - 7 octobre 2013 - ( maj : 7 octobre 2013 )

Chloé LARGERON

Date de début et de fin : janvier 2013 - janvier 2016

Financement : CEA

Directeurs : Gerhard Krinner et Philippe Ciais (LSCE)

Résumé :

Dans les hautes latitudes Nord, un grand réservoir de carbone organique est situé dans les sols gelés où les conditions climatiques induisent une accumulation de biomasse à cause d’une faible activité microbienne dans les sols. Une étude récente a estimé la taille de ce réservoir de carbone organique à environ 1600 PgC (Tarnocai et al., 2009). Dans le contexte d’un réchauffement futur possible qui mènerait inévitablement à une dégradation des pergélisols, ce grand réservoir de carbone organique pourrait être partiellement mobilisé et émis sous forme de CO2 ou CH4, en fonction des conditions hydrologiques à la surface. Ceci veut dire que les rétroactions entre cycle de carbone et climat liées auc pergélisols pourraient accélérer le changement climatique (e.g. Koven et al., 2011). Néanmoins, l’amplitude de ces rétroactions est très difficile à estimer (e.g. Schuur et al, 2011), partiellement parce que les modèles couplés de climat ne représentent pas touts les processus pertinents correctement.

Dans le cadre d’un projet européen FP7 récent dénommé PAGE21 (http://www.page21.eu/), le groupe de modélisation du pergélisol au LGGE joue un rôle important dans un effort coordonné international destiné à améliorer la représentation des processus de surface aux hautes latitudes aux échelles spatiales et temporelles pertinentes pour les projections climatiques globales. Le modèle utilisé au LGGE s’appelle ORCHIDEE (Krinner et al., 2005). Il a été modifié pour inclure d’importants processus liés aux pergélisols (Koven et al., 2009) et une hydrologie multi-niveaux détaillée incluant les effets du gel du sol (Gouttevin et al., 2012). ORCHIDEE est le module de surface terrestre du modèle couplé de climat IPSL-CM5 qui est utilisé dans l’exercice actuel d’intercomparison de projections climatiques CMIP5 qui est une base importante pour les travaux du GIEC menant à la publication de son cinquième rapport en 2013/14. Par rapport à la version du modèle utilisée par Koven et al. (2011), la nouvelle hydrologie implémentée par Gouttevin et al. (2012) représenté une avancée potentiellement majeure et d’autres efforts d’amélioration du modèle sont en cours, notamment un travail visant à inclure un modèle de neige plus physique. Un travail sur l’amélioration de la représentation de la végétation boréale est également prévu.

L’objectif de ce projet de thèse est d’une part de contribuer à l’amélioration de la représentation des processus de surface “froids” dans ORCHIDEE (par exemple, en incluant une paramétrisation du transport de carbone organique dissous dans les rivières), et d’autre part de produire et d’analyser des projections améliorées de l’évolution future du réservoir de carbone dans les pergélisols sous l’hypothèse d’un changement climatique futur. Un grand nombre de simulations (correspondant à des scénarios climatiques différents, à des hypothèses différentes sur la taille et la distribution réelle du réservoir actuel de carbone organique, etc.) sera effectué afin d’évaluer précisément les incertitudes climatiques liées à cette rétroaction climatique mal connue.

Abstract :

A large reservoir of frozen organic carbon exists in the northern high latitudes where the cold climatic conditions lead to the accumulation of biomass, particularly in permafrost, because of weak microbial activity in the soil. A recent study estimated of the size of the organic carbon reservoir in permafrost regions at about 1600 PgC (Tarnocai et al., 2009). In the context of a possible future global warming, which would inevitably lead to permafrost degradation to an extent depending on the intensity of the climate change, this large organic carbon reservoir could be partly mobilized and emitted as CO2 or CH4 depending on the hydrological conditions at the surface. This means that permafrost carbon-climate feedbacks might accelerate global warming (e.g. Koven et al., 2011). However, the amplitude of these feedbacks is very difficult to estimate (e.g. Schuur et al, 2011), in part because coupled climate-carbon cycle models do not represent all relevant processes correctly.

In the framework of a recently initiated EU FP7 project called Page21 (http://www.page21.eu/), the permafrost modeling group plays a leading role in a coordinated international effort to improve the state of the art of land surface modeling in the high northern latitudes at the temporal and spatial scales relevant for global climate projections. The model used at LGGE is the ORCHIDEE land surface model (Krinner et al., 2005) which has been modified to include permafrost-related processes (Koven et al., 2009) and a more detailed, multi-level hydrology including a representation of the effects of soil freezing (Gouttevin et al., 2011). ORCHIDEE is the land-surface component of the IPSL-CM5 coupled climate model which is used in the current CMIP5 model intercomparison project designed to produce the climate projections that are an important basis for the IPCC 5th assessment to be published in 2013. Compared to the model version used by Koven et al. (2011), the new hydrology implemented by Gouttevin et al. (2012) represents a major potential improvement. Other efforts to improve this model are ongoing. For example, an improved snow model is being included and work on improving the representation of boreal vegetation is foreseen.

One aim of this PhD project will be to contribute to the improvement of the representation of “cold” land surface processes by ORCHIDEE (e.g., by introducing a representation of the transport of dissolved organic carbon in Arctic rivers). The second major objective will be to produce and analyze improved projections of the future evolution of the permafrost carbon reservoir under a future climate change. A large number of simulations (corresponding to different climatic scenarios, different hypotheses about the actual size and distribution of the organic carbon pool, etc.) will be carried out in order to evaluate precisely the uncertainties related to these processes.

Mots clef : pergélisols, tourbières, carbone, changement climatiques, modèle de surface continentale, modèles couplés, tourbières, carbone

Sous la tutelle de :

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tutellesCNRSUniversité Joseph Fourier