Thermal, hydrological and isotopic modelling of lake systems : sensitivity to past and futur climate changes and improvement of palaeoclimatic reconstructions - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2003

Thermal, hydrological and isotopic modelling of lake systems : sensitivity to past and futur climate changes and improvement of palaeoclimatic reconstructions

Modélisation du fonctionnement thermique, hydrologique et isotopique de systèmes lacustres : sensibilité aux changements climatiques et amélioration des reconstructions paléoclimatiques

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Abstract

Paleoclimatic archives preserved in lake sediments are commonly used in mid-latitudes to reconstruct past climate changes. Moreover, fresh-water lakes play an important role in regional economy because they offer tourism activities and fresh water and food resources.
In this thesis, we wanted to develop a simple conceptual model, including few lake-specific parameters. This model was calibrated and validated for two european lakes (Lac d'Annecy, France, and Ammersee, Germany) representative for the majority of deep and cold lakes in mid-latitudes. The model includes the representation of thermal processes (temperature of the water column and mixing behaviour) at a daily time step, the representation of the hydrologic and isotopic (δ18O) budget of the lake and of its watershed. During the thesis, recent hydrologic and isotopic observations have also been done for the calibration. The main processes are correctly reproduced at the seasonal time scale (steady-state simulation) and inter-annual time scale (transient simulation during the 20th century).
Using the model, sensitivity studies have been done to quantify uncertainties in reconstruction of paleoclimate, based on calcitic valves of benthic ostracods (Candona sp.) Due to (i) thermal behaviour of lakes, (ii) change in precipitation seasonality and (iii) watershed deforestation.
The model was also forced with the predictions of a climate model run under IPCC SERS-B2 scenario for the 21th century. These transient simulations predict a dramatic impact on the temperature and the circulation for both lakes. The deep water of Lac d'Annecy will probably be 2°c warmer during the 21th century which will deeply affect the cold-water fauna. Ammersee will be affected by an irreversible lack of ventilation after 2060.
Aux moyennes latitudes, les lacs sont le lieu de formation et de préservation d'archives paléoclimatiques nécessaires à la compréhension des changements du climat passé. Par ailleurs, les lacs d'eau douce ont également un rôle important dans l'économie régionale du fait des activités de pêche, des activités touristiques et de leur utilisation pour l'alimentation en eau potable.
Durant cette thèse, nous avons cherché à développer un outil de modélisation des lacs conceptuellement simple et nécessitant un minimum de données d'entrées et de paramètres spécifiques au lac. Ce modèle a été mis au point dans le cas de deux lacs européens (Lac d'Annecy, France, et Ammersee, Allemagne) représentatifs de la majorité des lacs de moyennes latitudes. Le modèle inclut la représentation au pas de temps journalier des processus thermiques (température de l'eau en surface et au fond et fonctionnement de mélange de la colonne d'eau), hydrologiques et isotopiques (δ18O) à l'échelle du lac et de son bassin-versant. Le modèle a été mis au point sur l'actuel grâce aux observations hydro-isotopiques réalisées en parallèle. Les processus sont correctement reproduits aux échelles saisonnière (simulations à l'équilibre) et inter-annuelle (simulations transitoires au cours du 20ième siècle).
Des expériences de sensibilité ont été effectuées à l'aide de ce modèle pour quantifier les incertitudes des reconstructions paléoclimatiques basées sur les tests carbonatés d'ostracodes benthiques (Candona sp.) dues (i) aux fonctionnements thermiques des lacs, (ii) aux changements de la saisonnalité des précipitations et, (iii) à la déforestation sur les bassin-versants.
Le modèle a été ensuite forcé par un scénario de changement climatique au 21ième siècle. Ces simulations transitoires prévoient des changements très importants des écosystèmes des deux lacs étudiés. Ainsi, le lac d'Annecy subirait un réchauffement de l'eau profonde de 2°C au cours du 21ième siècle, ce qui mettrait en danger la faune d'eau froide. Ammersee, celui-ci, pourrait encourir des arrêts brutaux de mélange à partir de 2020 avec un arrêt de la ventilation des eaux profondes et donc l'asphyxie des faunes benthiques. Ce modèle est la première étape en vue d'un modèle intégré physique, chimie et biologie des écosystèmes lacustres nécessaire à la prévision de la vulnérabilité de la biocénose lacustre aux changements climatiques à venir.
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Dates and versions

tel-00360067 , version 1 (10-02-2009)

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  • HAL Id : tel-00360067 , version 1

Cite

Pierre-Alain Danis. Modélisation du fonctionnement thermique, hydrologique et isotopique de systèmes lacustres : sensibilité aux changements climatiques et amélioration des reconstructions paléoclimatiques. Hydrologie. Université de Savoie, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00360067⟩
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