Impacts de l'augmentation des extrêmes de hautes températures sur la performance du décollage des avions dans la région Euro-Méditerranéenne

Impacts of increasing high-temperature extremes on aircraft takeoff performance over the Euro-Mediterranean region)

• Auteur / Autrice : Victoria Gallardo Fernández
• Direction : Emilia Sanchez-Gomez, Eleonore Riber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 31/05/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Climat, Environnement, Couplages et Incertitudes (Toulouse ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Chauzy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilia Sanchez-Gomez, Eleonore Riber, Serge Chauzy, Sophie Bastin, Juan Pedro Montávez, Xavier Carbonneau, José Manuel Gutiérrez, Serge Bonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Bastin, Juan Pedro Montávez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méditerranée (région)

Pollution atmosphérique -- Effets des conditions météorologiques

Effets du climat

Pistes (aéronautique)

Mots clés libres

Changement climatique

Aéroports

Climat local

Modèles climatiques régionaux

Émissions polluantes

Masse maximale de décollage

Climate Change

Airports

Local Climate

Regional Climate Models

Aviation Pollutant Emissions

Maximum TakeOff Weight

Résumé

Es conditions de chaleur extrême affectent négativement les performances des avions et la capacité et le rendement opérationnels des aéroports. Une augmentation de l'intensité et de la fréquence des extrêmes de hautes températures due au changement climatique pourrait impacter les opérations aériennes, avec des conséquences socio-économiques, environnementales et même sanitaires. La région Euro-Méditerranéenne est spécialement sensible au changement climatique; elle est particulièrement concernée par l'augmentation des hautes températures. Dans cette thèse, les impacts potentiels futurs de l'augmentation des extrêmes de hautes températures sur la performance du décollage des avions sont évalués dans la région Euro-Méditerranéenne. Le problème est abordé de la façon suivante: 1) l'évolution future des extrêmes de hautes températures est étudiée à partir de simulations de modèles climatiques, et 2) les impacts potentiels induits sont évalués en termes des niveaux d'émissions de polluants, en particulier d'oxydes d'azote (NOx), et des performances du moteur, et aussi en termes de la capacité maximale de l'avion à décoller du poids. Avant d'évaluer les impacts potentiels des changements futurs des extrêmes de hautes températures, l'évolution passée et future de ces événements est analysée sur une liste d'aéroports à partir d'observations et de simulations et projections de modèles climatiques. Nous nous focalisons sur la température maximale journalière (TX) en été. Tout d'abord, la magnitude des valeurs extrêmes observées au cours des dernières décennies est caractérisée, et les tendances des quantiles de la TX sont calculées. Une augmentation robuste et généralisée est trouvée dans les aéroports pour tous les quantiles. Certains aéroports ont connu une augmentation plus forte des percentiles supérieurs que de la médiane ou des percentiles inférieurs, ce qui pourrait être particulièrement problématique pour l'aviation. Dans un deuxième temps, les modèles climatiques sont évalués dans le climat présent sur les aéroports. Il s'agit d'une étape cruciale pour l'évaluation ultérieure des projections climatiques futures et de leurs impacts. Les simulations réalisées à l'aide de Modèles Climatiques Régionaux et Globaux (RCMs et GCMs) sont prises en compte dans une approche multi-ensembliste. En particulier, l'ensemble multi-RCM Euro-CORDEX et l'ensemble de GCMs forceurs de CMIP5 sont utilisés. Les deux ensembles sont comparés entre eux. Il n'y a pas de valeur ajoutée généralement dominante des RCMs pour l'étude des valeurs extrêmes de hautes températures ni de leurs tendances à l'échelle de l'aéroport, malgré leur résolution spatiale plus élevée. Troisièmement, l'évolution future des extrêmes estivaux de la TX est évaluée. Une augmentation robuste est trouvée pour tous les aéroports. Dans la deuxième partie de la thèse, l'augmentation potentielle des niveaux d'émissions de NOx est évaluée à l'aide d'un outil-métier qui émule le comportement du moteur de l'avion. La valeur en entrée du logiciel pour la température ambiante est déclarée comme la magnitude future des extrêmes de la TX d'été sur les aéroports, qui est estimée à partir des projections climatiques. Une augmentation générale des niveaux d'émissions de NOx est constatée sur les aéroports sélectionnés. Elle pourrait conduire à une augmentation des émissions absolues de NOx de l'ordre de kgs sur les aéroports lors des futurs événements extrêmes. La diminution potentielle de la masse maximale décollable de l'avion (MTOW) induite par l'augmentation de la TX est évaluée pour chaque aéroport, à partir d'une loi empirique fournie par AIRBUS. Les réductions sur la MTOW trouvées sont généralement de l'ordre de tonnes pour les longs et moyens courriers, ce qui pourrait entraîner des restrictions de poids correspondant à des dizaines de passagers et/ou des retards ou des annulations. Pour les courts courriers, l'impact sur la MTOW serait faible ou nul.

Extreme heat conditions negatively affect aircraft performances and airport's capacity and efficiency. An increase in the magnitude and in the frequency of high-temperature extremes due to climate change would impact aviation operations, with further socio-economic, environmental and even health consequences. The Mediterranean region is a major climate change ''hotspot'', specially concerned by the increase in high temperatures. This thesis assess the future impacts of rising high-temperature extremes on aircraft takeoff performance in the Euro-Mediterranean region. The problem is addressed as follows: 1) the future evolution of high-temperature extremes is studied from climate model simulations, and 2) the potential induced impacts are assessed in terms of the levels of pollutant emissions, in particular, of Nitrogen Oxides (NOx), and engine performances, and in terms of the aircraft's maximum carrying capacity at takeoff. Before evaluating the potential impacts of future changes in high-temperature extreme events, the past and future evolution of these events over a list of major and regional airports is analysed from observations and climate model simulations and projections. The daily maximum near-surface air temperature (TX) in summer is used. First, the magnitude of extreme values observed in recent decades is characterized, and trends in summer TX percentiles are computed as well. A robust increase is generally found over the airports for all percentiles. Some airports experienced a stronger increase in the upper percentiles than in the median or in the lower percentiles, which may be particularly problematic for aviation. Second, climate models are evaluated in present climate in these terms over the airports. This is a crucial step for the further assessment of future climate projections and related impacts. Simulations performed with Regional and Global Climate Models (RCMs and GCMs) are considered in a multi-ensemblist approach. In particular, the state-of-the-art Euro-CORDEX multi-RCM ensemble and the ensemble of driving GCMs from CMIP5 are used. The two ensembles are compared to each other. Results show that there is no generally prevailing added value in RCMs for the study of the magnitude of high-temperature extremes nor for their temporal trends at the airport scale, despite their higher spatial resolution. Third, the future evolution of summer TX extremes is assessed for different time horizons and different climate change scenarios. A robust increase of the order of few degrees is found for all the airports. In the second part of the thesis, the potential future increase in the levels of NOx emissions is assessed using an industrial tool for analysing the aircraft engine behavior. The input value for the ambient temperature is declared to be the future magnitude of summer TX extremes over the airports, which was estimated from climate projections. To the best of our knowledge, this is the first time that data from climate models are used as input to an engine emulator. A general increase is found in the levels of NOx emissions over the selected airports. It could lead to an increase of NOx absolute emissions of the order of kgs at the airports in summer TX extreme events. The potential future decrease in aircraft's maximum carrying capacity induced by the future increase in summer TX is assessed for each airport, following an empirical law provided by AIRBUS. The future reductions in MTOW are generally of the order of tones for the long- and medium-range aircrafts, which could result in weight restrictions corresponding to tens of passengers and/or in delays or cancellations. The short-range aircrafts would experience little to no impact on the MTOW.