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Cycles diurnes de rayonnement solaire sur la façade Atlantique de l'Afrique Centrale : une clé de compréhension de la variabilité climatique récente et future et de la vulnérabilité des forêts

Description

Le rôle substantiel des forêts d’Afrique Centrale dans le maintien des systèmes environnementaux et socio-économiques est de plus en plus avéré (Pan et al., 2011 ; Spracklen et al., 2012, De Wasseige et al., 2012) ) et reconnu, comme en témoigne le film « Forêts d’Afrique Centrale : notre avenir à tous » de la CAFI (Initiative pour la forêt d'Afrique Centrale), présenté le 12 décembre 2017 en ouverture du sommet climat « One Planet », sous gouvernance française (http://www.cafi.org/content/cafi/fr/home/events/new-cafi-movie-calls-for...).

A l’heure actuelle, deux constats incitent à se pencher sur la vulnérabilité et le devenir de ces forêts: (1) en termes de traits et fonctionnement moyen actuels, Philippon et al (2018) montrent que les forêts les plus sempervirentes d'Afrique Centrale se situent sur la façade Atlantique, en raison d'une importante nébulosité basse durant la saison sèche principale (Maley et al 2000, Dommo et al 2018) qui limite la demande en eau ;

(2) en termes de traits passés, Maley et al (2017) montrent que la façade Atlantique a abrité au cours de l'Holocène récent, période de forte contraction de la forêt, l'un des trois principaux refuges forestiers d'Afrique Centrale (avec le marécage central et les marges du rift est-africain). Maley et al. (2000, 2017) suggèrent une relation entre les expansions/ régressions des forêts d’Afrique Centrale et la variabilité du type de couvert nuageux, donc la variabilité de la disponibilité en eau et en lumière.

La disponibilité en eau est le facteur de contrôle principal des variations saisonnières et interannuelles de la verdeur des forêts en Afrique Centrale (Gond et al., 2013, Guan et al 2014, Zhou et al.2014). La disponibilité en lumière quant à elle, qui diffère fortement entre les deux saisons des pluies et entre les deux saisons sèches, semble également expliquer une partie de la variabilité saisonnière de la verdeur des forêts (Philippon et al., 2016) en plus de disparités dans leurs traits (sempervirents ou décidu, Philippon et al 2018).

La question de la variabilité de la couverture nuageuse basse de saison sèche sur la façade Atlantique au cours des dernières décennies, de sa pérennité au cours des décennies à venir dans un contexte de réchauffement climatique marqué, et de la vulnérabilité des forêts sempervirentes face à ses éventuels changements, se pose. Elle constitue le fil directeur de ce projet de thèse.

Afin de répondre à cette question, on travaillera sur les cycles diurnes de rayonnement solaire incident dont Philippon et al (2018) ont montré qu'ils étaient particulièrement intégrateurs du fonctionnement climatique en Afrique Centrale et on explorera les 2 hypothèses de travail suivantes :

- Hypothèse 1 : les années caractérisées par des anomalies positives marquées des températures de surface de la mer (TSM) dans le Pacifique et l'Atlantique équatorial (événements « Niño » et « Atlantic Niño ») conduisent à un remplacement sur la façade Atlantique, en juin-septembre, de la couverture nuageuse basse de type stratiforme par une nébulosité de type convective. Ceci devrait se traduire en termes de cycles diurnes de rayonnement solaire incident par une diminution marquée de la fréquence des jours sombres et sombres le matin au profit des jours sombres l'après-midi. Cet aspect n’a jamais été analysé alors qu'il suppose d'importantes modifications dans la disponibilité en eau (augmentation marquée du cumul de précipitations, Lutz 2015) mais aussi en lumière (augmentation du ratio rayonnement direct / rayonnement diffus, ratio important pour l'activité photosynthétique des forêts tropicales denses, Rap et al 2015).

- Hypothèse 2 : la couverture nuageuse basse de la façade Atlantique en juin-septembre est très résiliente : elle se maintiendra au cours des décennies à venir malgré le réchauffement climatique et permettra le maintien des forêts sempervirentes. Cette hypothèse est posée en analogie à la période de l'Holocène récent, durant laquelle un refuge forestier s'est maintenu sur le Gabon suggérant le maintien de la couverture nuageuse basse de juin-septembre (Maley et al 2017). La conduite du projet s'articulera autour de 4 grands axes de travail et s'appuiera sur des jeux de données satellitaires, de réanalyses et de sorties de modèles  :

Axe 1 - Détection des changements survenus sur la façade Atlantique sur les dernières décennies via les cycles diurnes de rayonnement. Analyse des tendances et de la variabilité interannuelle dans la fréquence des 4 grands types de cycles diurnes de rayonnement solaire incident détectés par Philippon et al (2018) à l'aide des estimations SARAH-v2.0 fournies au CMSAF (période 1983-2015, Muller et al 2015).

Analyse de la traduction des variabilités observées dans les cycles diurnes de rayonnement dans la quantité et le type de nébulosité (données in-situ EECRA, www.atmos.washington.edu/CloudMap collaboration avec R. Eastman, estimations ISCCP2, collaboration avec G. Sèze), dans les cumuls et cycles diurnes de précipitations (GPM-IMERG, PERSIANN et PERSIANN CDR, CHIRPS) et dans les niveaux de températures et d’humidité relative associés (estimations Berkeley, réanalyses ERA5).

Axe 2 - Compréhension de la variabilité de la fréquence des cycles diurnes de rayonnement : le forçage océanique. Analyse des téléconnexions entre TSM et rayonnement, nébulosité, précipitations (analyses composites, analyses canoniques de corrélations ou de covariance maximum...) pour mettre à jour un éventuel impact des événements Niño et Niño Atlantique (1984 notamment qui a été très pluvieuse en juin-septembre au Gabon) ou de l'océan Indien (Farnsworth et al 2011, Dyer et al 2017).

Axe 3 - Evaluation de la représentation par les modèles climatiques du rayonnement, nébulosité, précipitations sur la façade Atlantique en juin-septembre dans l'actuel (1984-auj.) Evaluation quantitative et qualitative (biais, patterns spatiaux, variabilité inter-annuelle, ...) de la performance des modèles dans l'actuel (6ème exercice CMIP du GIEC et de CORDEX-Africa ; collaboration avec B. Morel et A. Vondou) à simuler les 3 paramètres et leurs liens avec les TSM. Des résultats obtenus dépendra la confiance dans les projections futures pour la région.

Axe 4 – Evaluation des conditions de rayonnement, nébulosité, précipitations sur la façade Atlantique aux horizons 2050, 2075 et 2100 A partir des modèles climatiques CMIP6 et CORDEX-Africa, analyse des changements sur la façade Atlantique dans le rayonnement, la nébulosité et les précipitations projetés pour la saison sèche, compte tenu de l’évolution projetée des TSM et des liens qui auront été établis dans l’actuel entre TSM, rayonnement, nébulosité, précipitations.

Cadre du projet et contexte programmatique 

Le doctorat sera réalisé à l’Institut des Géosciences de l’Environnement (Grenoble), sous la direction de N.Philippon. Il s’inscrit dans le cadre de différentes initiatives en cours : programmes « Diurnal Cycles in Central Africa » et « Water and lighT availability in tropical Forests » soutenus par l'INSU-LEFE et le CNES impliquant des partenariats français et étrangers (laboratoires français : CEREGE, BGS, LMD, LE2P, CIRAD, étrangers : AgroBiotech, LAMEPA), le chantier Afrique de l'IGE et le Laboratoire Mixte International DYCOFAC (Dynamique des écosystèmes forestiers d'Afrique Centrale), tous deux soutenus par l'IRD.

Profil

Etudiant diplômé d'un master en Sciences du climat, de l'Environnement ou de Géographie avec de solides connaissances sur le rayonnemet et / ou en climatologie tropicale.

Maîtrise de la manipulation de bases de données en netcdf  et de l'analyse de sorties de Modèles Climatiques

Maîtrise des outils statistiques pour l'analyse de séries temporelles - Matlab ou autonome en Python / R

Anglais courant - Bonnes capacités de synthèse - Autonomie

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : IGE, Saint-Martin d'Hères
Directeur(rice) de thèse/recherche : PHILIPPON Nathalie
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : nathalie.philippon@univ-grenoble-alpes.fr
Responsable Cnes de l'offre : VIGNOLLES Cécile

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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