Représentation des tourbières des hautes latitudes nord dans un modèle de surface : développement d’un schéma hydrologique et estimations des émissions de méthane

Representation of northern peatlands in a surface model : development of a hydrological scheme and estimates of their methane emissions

• Auteur / Autrice : Chloé Largeron
• Direction : Gerhard Krinner, Philippe Ciais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre, de l'univers et de l'environnement
• Date : Soutenance le 20/06/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (Grenoble ; 1958-2016)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Raynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Clément
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fatima Laggoun-Defarge, Gilles Boulet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz à effet de serre

Modèles hydrologiques

Microclimatologie

Mots clés libres

Pergélisols

Modèle

Surface continentale

Méthane

Projections futures

Tourbières

Permafrost

Model

Land surface

Methane

Projections

Peatland

Résumé

Les tourbières sont largement présentes dans les hautes latitudes nord et plus particulièrement dans les régions de pergélisols. Elles contiennent un important stock de carbone et constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane. Leur représentation dans un modèle de climat estalors primordiale pour améliorer celle du cycle du carbone. De plus, la contribution des émissions de méthane des tourbières reste encore incertaine et de nombreuses incertitudes persistent. Les émissions de méthane des tourbières dépendent fortement du climat et sont influencées principalement par la température et l’humidité du sol. Parallèlement, le réchauffement climatique particulièrement prononcé à ces latitudes conduit au dégel des pergélisols avec une augmentation de la profondeur de la couche active. Ce grand réservoir de carbone peut être partiellement mobilisé et émis sous forme de CO2 ou CH4, en fonction des conditions hydrologiques à la surface.L’objectif de ces travaux de thèse consiste à représenter les tourbières des hautes latitudes dansle modèle de surface ORCHIDEE. Ce développement est effectué dans la version du modèle qui intègreles processus des hautes latitudes tels que le gel des sols. Les tourbières sont représentées parun schéma hydrologique spécifique ce qui améliore les échanges en énergie et en eau. La difficultérepose sur la représentation des processus locaux des tourbières à l’échelle d’un modèle de climatglobal. Certaines propriétés biologiques ont également été prises en compte afin de mieux représenter la végétation de ces milieux. Pour cela, les tourbières sont intégrées comme un nouveau type devégétation et représentées par une fraction de grille, basée sur des observations. Le comportement hydrologique et l’impact de cette intégration sont évalués à échelle des hautes latitudes ainsi qu’à échelle régionale. Ce développement permet d’estimer ensuite l’évolution de l’hydrologie des tourbières suite au réchauffement climatique. Les changements de l’hydrologie des tourbières d’ici la fin du siècle permettent de mieux évaluer les variations futures de leurs émissions de CH4.Ce travail de développement a ensuite été appliqué pour déterminer l’évolution des émissions deméthane. Les tourbières constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane et contrôlentà plus de 70 % la variabilité interannuelle de la concentration atmosphérique de CH4. Les émissionsde méthane résultent de différents processus physiques et biologiques tels que la méthanogénèse etla méthanotrophie. Pour représenter ces processus, un modèle de densité de flux existant, intégré dans ORCHIDEE, a été adapté pour les tourbières afin d’estimer les émissions de méthane des tourbières des hautes latitudes. L’évolution de ces émissions est étudiée entre le début du 20ème et la fin du 21ème siècles selon différents scénarios climatiques.

Peatlands are widely present in northern latitudes and especiallyin permafrost regions. They contain a high carbon stock and are one ofthe greatest natural sources of methane. Their representation in a climate model is crucial to improve the one of the carbon cycle. Moreover, the contribution of methanepeatland emissions remains uncertain.Methane emissions from peatlands strongly depend on the climate and are influenced primarily by temperature and soil moisture. Meanwhile, climate change is particularlysevere at these latitudes and leads to thawing permafrost with increasing the active layer depth. This large carbon reservoir may be partially mobilized and emitted asCO2 or CH4, depending on hydrological conditions at the surface.The aim of this PhD thesis is to represent northern peatlands in the ORCHIDEE land surface model. This development is carried out in the version of the model that incorporatesprocesses in high latitudes such as the soil freezing. Peatlands are represented by a specific hydrological scheme which improves the exchange of energy and water. The difficulty isbased on the representation of local peatlands processes across a global climate model. Some biological properties were also considered to represent bettervegetation of these environments. To do so, peatlands are integrated as a new type ofvegetation and represented by a fraction of a grid, based on observations. Thehydrological behaviour and the impact of this integration are estimated at the boreal scale as well asregionally. This development then allows estimate changes in the hydrology of peatlands due to global warming. Studying the changes in hydrology of peatlands by the end of th 21st century will improve the prediction of future changes in their CH4 emissions.This development work was then applied to determine the evolution of methane emissions. Peatlands are one of the largest natural sources of methane and control more than 70% interannual variability of atmospheric concentration of CH4. Methane emissions result from various physical and biological processes such as methanogenesis and the methanotrophy. To represent these processes, a flux density model, integratedin ORCHIDEE, was adapted for peatlands to estimate their methane emissions. The evolution of these emissions is studied between the early 20th and late 21st centuries under different climate scenarios.