High resolution climatic modelling in the Amazon-Andes transition region : understanding climate-forest interaction and its implication for rainfall patterns

Le réchauffement du climat, des événements extrêmes plus fréquents et la déforestation incessante menacent la plus grande forêt tropicale du monde. La forêt amazonienne abrite des écosystèmes biodiversifiés et sa végétation sert de source de vapeur d'eau pour l'atmosphère et de puits de carbone atmosphérique. Cette forêt tropicale est donc un composant actif du système climatique. L'humidité amazonienne alimente les précipitations en Amazonie même et dans différentes régions du continent sud-américain comme les Andes tropicales, où se trouvent de nombreux glaciers et des écosystèmes montagneux fragiles. Parallèlement, les taux d'érosion associés aux précipitations intenses sur le versant oriental des Andes produisent les sédiments qui fertilisent les basses terres amazoniennes. De cette façon, l'Amazonie et les Andes tropicales forment un système biogéophysique entrelacé. La question centrale de cette thèse est de savoir comment la perte de la forêt amazonienne pourrait avoir un impact sur la connectivité hydroclimatique dans le système Amazone-Andes.Pour répondre à cette question, nous effectuons des simulations avec le modèle climatique régional WRF en utilisant une expérience de contrôle et une de déforestation. Pour une meilleure représentation des processus surface terrestre-atmosphère, nous couplons WRF avec le modèle de surface terrestre ORCHIDEE dans certaines sections de la thèse.Nos résultats suggèrent qu'actuellement, l'hétérogénéité de la couverture terrestre dans le sud de l'Amazonie (dominée par la coexistence de la forêt tropicale et des cultures/prairies) est cruciale pour le début de la saison des pluies. Pendant la période de transition sec-humide, une convection peu profonde d'origine thermique apparaît sur les cultures. La subsidence à grande échelle empêche la convection dans la majorité de la zone, sauf dans les zones forestières qui présentent une énergie potentielle de convection plus élevée. Les anomalies de vent ascendant initialisées sur les terres cultivées pourraient être transportées par le flux à grande échelle et déclencher une convection profonde sur les zones forestières. La déforestation réduit la surface des forêts, ce qui pourrait entraver le développement précoce de la convection profonde et retarder le début de la saison humide. Les changements dans les régimes de circulation atmosphérique de la saison humide (décembre à février) renforcent l'idée d'une arrivée tardive de la saison des pluies.La déforestation amazonienne génère changements dans la circulation atmosphérique régionale de l'été austral, les bilans d’énergie de surface et hydrologiques à différentes échelles de temps. À l'échelle intra-saisonnière, un affaiblissement et une diminution de la fréquence des événements de la Zone de Convergence de l'Atlantique Sud au le début de la saison humide sont observés dans le scénario de déforestation. De même, la circulation du South American Low-Level Jet (SALLJ) est plus faible avec la déforestation. À l'échelle saisonnière, la déforestation réduit le rayonnement net de surface et l'évapotranspiration. La troposphère est donc plus froide et sèche, ce qui entraîne une diminution des précipitations et une anomalie de subsidence dans le bassin amazonien. Dans la région de transition entre l'Amazonie et les Andes, la déforestation réduit les précipitations sur les zones défrichées pendant la journée et sur les collines des Andes orientales pendant la nuit. En utilisant des simulations à haute résolution, nous traçons l'évolution du signal de déforestation à l'échelle régionale jusqu'à son impact à l'échelle locale dans les vallées interandines boliviennes. Nos résultats montrent que la déforestation réduit les précipitations nocturnes dans la vallée du Zongo d'environ -30% en raison d'une entrée réduite des vents humides SALLJ de l'Amazonie vers les hautes terres andines. Cette réduction des précipitations peut avoir un impact sérieux sur l'hydrologie de la région.A warming climate, more frequent dry and wet extreme events and an unstoppable deforestation currently threaten the largest rainforest in the world. The Amazon forest holds rich and biodiverse ecosystems, and its vegetation acts as a source of water vapor to the atmosphere and as an atmospheric carbon sink. Thus, this tropical forest is an active component of the Earth climate system. Amazonian moisture sustains rainfall in the Amazon itself and in different regions of the South American continent such as the tropical Andes, a place containing numerous glaciers and fragile mountainous ecosystems. Concurrently, high erosion rates associated with heavy rainfall in the eastern side of the Andes produce the sediments that fertilize the Amazon lowlands. In this way, the Amazon and the tropical Andes conform an entangled bio-geophysical system. The main question of this thesis is how the Amazonian deforestation could impact the hydro-climatic connectivity in the Amazon-Andes system.To address this question, we perform simulations with the Weather Research and Forecasting (WRF) regional climate model using a control (forced with present land-use conditions) and a deforestation experiment (forced with observed 1992-2002 deforestation rates projected to the year 2050). For a better representation of the land surface-atmosphere processes, we couple WRF with the land surface model ORganising Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms (ORCHIDEE) in some sections of the thesis.Our modelling results suggest that, in the current land-use conditions, the land cover heterogeneity in the southern Amazon (dominated by the coexistence of tropical rainforest and cropland/grassland) is crucial for the establishment of the rainy season onset. During the dry-to-wet transition period, thermally driven shallow convection is developed over crops. Nonetheless, large-scale subsidence inhibits convection over the region except over forested areas which present higher convective potential energy. We hypothesize that the large-scale flow transports the upward wind anomalies initialized over croplands toward forested areas, triggering deep convection over these zones. Deforestation reduces the forest area and therefore the land-surface heterogeneity, what could hinder the early development of deep convection and delay the wet season onset. Changes in the wet season (December-to-February) atmospheric circulation regimes reinforce the idea of a late arrival of the rainy season.Amazonian forest loss generates profound changes in the austral summer regional atmospheric circulation, surface energy and hydrological balances at different time scales. At intra-seasonal scale, deforestation weakens the South Atlantic Convergence Zone and decreases its frequency of occurrence at the beginning of the wet season. Similarly, the north-south flow of the South American Low-Level Jet (SALLJ) is weaker under deforested conditions and exhibits a delayed activity. At seasonal scale, deforestation reduces the surface net radiation and evapotranspiration. Hence, the troposphere is colder and drier causing a rainfall depletion and wide subsidence anomaly over the Amazon basin. The subsidence anomaly increases the mid-upper tropospheric stability and reduces precipitation also in the western part of the southern tropical Andes. Over the Amazon-Andes transition region, deforestation decreases rainfall over the cleared areas of the Amazon lowlands during daytime and over the eastern Andean hillsides during nighttime. Using high-resolution simulations, we trace the evolution of the regional-scale deforestation signal to its impact at local scale in the Bolivian inter-Andean valleys. Deforestation reduces nighttime precipitation in the valleys of Zongo and Huarinilla in -30% as a result of a decreased entry of the SALLJ moist winds from Amazon towards the Andean summits. This rainfall reduction can seriously impact the hydrology of the region