Dissertations / Theses on the topic 'Circulation générale, modèle'

Nous avons concu et realise un schema statistique de generation de nuages destine aux modeles de circulation generale de l'atmosphere (a. G. C. M. ). Ce schema est base sur le modele de turbulence de niveau 2 de yamada et mellor. Les effets de la vapeur d'eau et de l'eau liquide y sont introduits d'une maniere originale qui est facilement adaptable aux autres modeles de turbulence de yamada et mellor. Le seul parametre ajustable important est le profil vertical de longueur de melange: nous avons etudie la sensibilite du schema a ce parametre. Ce schema a ete introduit dans la version climatique du modele de circulation generale emeraude (troncature t42-20 niveaux verticaux). Parallelement, le schema de precipitation de grande echelle a ete remplace par celui de smith, avec un traitement differencie par la condensation suivant la temperature (eau liquide ou glace). Nous avons effectue des simulations avec le modele comportant ou non les nouvelles parametrisations de maniere a en etudier l'impact. Ces simulations sont validees a l'aide de donnees satellitaires des experiences erb (pour la nebulosite totale) et erbe (earth radiation budget experiment, pour les flux radiatifs visibles et infra-rouge au sommet de l'atmosphere)

L'objectif de notre travail est l'application a haute resolution (1/3) d'un modele numerique de circulation generale oceanique a l'etude de l'atlantique sud afin de mieux resoudre les courants de bord ouest et la dynamique tourbillonnaire. Les principales difficultes numeriques rencontrees sont la consequence des choix originaux que sont l'utilisation d'une coordonnee verticale epousant la topographie, et la presence de trois frontieres ouvertes. Le lissage de la topographie, base sur l'experience acquise au cours de simulations basse resolution, s'est avere par endroits trop important et a parfois limite le realisme des resultats. Les frontieres ouvertes se sont revelees efficaces, et ont fait apparaitre un manque de donnees d'observation, notamment sur le bord ouest de la frontiere nord. La simulation a obtenu de nombreux resultats interessants reproduisant fidelement les grandes lignes de la circulation generale, comme par exemple la region de confluence et la retroflexion du courant des aiguilles. On observe la presence de courants de bord ouest (courants du bresil, des malouines, des aiguilles) tres intenses, le positionnement des fronts dans le courant circumpolaire fortement lie a la topographie. Les resultats du modele proposent un schema de circulation des eaux intermediaires avec une divergence sur le bord ouest a 25s et une recirculation dans le gyre subtropical confirmes par des analyses recentes de trajectoires de flotteurs. Malgre la relativement haute resolution utilisee le niveau de variabilite du modele est un peu faible, sans doute a cause d'un manque de resolution verticale, egalement responsable d'une representation incomplete des eaux de fond. La simulation fournit de plus des informations tres interessantes sur le cycle saisonnier, comme le montre une etude originale de la subduction des eaux modales

La marée océanique a longtemps été considérée comme un phénomène haute fréquence dont la zone d'influence se limitait aux plateaux continentaux. Ainsi, la marée n'apparaissait pas susceptible d'interagir sur la circulation océanique grande échelle et in fine sur la dynamique basse fréquence du climat. Ce n'est qu'à la fin des années 1990, lorsque la mesure altimétrique et les solutions hydrodynamiques globales de marées ont atteint une précision centimétrique, qu'une connexion entre les marées et le climat est devenue envisageable. Dans cette perspective, l'objectif de cette étude est d'explorer quels sont les effets de la marée sur la circulation océanique grande échelle. Ces effets ont lieu à travers deux processus physiques essentiels liés à la marée : (i) sa dynamique fortement non-linéaire et (ii) la dissipation de son énergie en plein océan, sous la forme de mélange vertical ou de chaleur.<br />Pour examiner chacun de ces aspects, la méthode retenue consiste à paramétriser les effets de la marée dans un modèle tridimensionnel de circulation générale océanique (OGCM) dédié au climat : NEMO. Pour ce faire nous utilisons les sorties 'off line' d'un modèle hydrodynamique bidimensionnel dédié à la marée : MOG2D-G. Dans un premier temps nous déterminons et nous décrivons pour la première fois une carte de la circulation résiduelle de marée (CRM) mondiale générée par la dynamique non-linéaire de la marée. Cette CRM obtenue par l'intermédiaire de MOG2D-G est alors introduite sous la forme d'un forçage extérieur dans l'OGCM NEMO. Dans un second temps, nous examinons la dissipation de l'énergie des marées. Tout d'abord nous quantifions la fraction de l'énergie de marée qui est dissipée en chaleur, ceci afin de déterminer si, à l'instar du flux géothermal, elle est susceptible de jouer un rôle important sur la circulation abyssale. Après avoir écarté cette possibilité, nous considérons la fraction d'énergie de marée qui se dissipe localement en mélange vertical via les ondes internes : le "tidal mixing" (TM). Le TM résulte d'un transfert d'énergie du mode barotope vers les modes baroclines. Ce transfert est diagnostiqué grâce au modèle MOG2D-G et intégré dans NEMO par l'intermédiaire d'une paramétrisation du mélange turbulent vertical.<br />Nous concluons : (i) que l'effet des marées sur la circulation océanique grande échelle et in fine sur le climat ne peut être significatif qu'à travers le TM, (ii) que l'introduction du TM local dans les OGCM est essentielle pour représenter correctement le transport des masses d'eaux abyssales et (iii) qu'il est désormais crucial de considérer le TM engendré loin du site de génération des ondes internes

Le trou d'ozone reste la demonstration la plus spectaculaire de l'impact des activites humaines sur la composition et le comportement a grande echelle de l'atmosphere terrestre. Son apparition, totalement imprevue, a entraine la communaute scientifique dans la periode de recherches la plus intense qu'ait jamais connu l'etude de la stratosphere. Bien que le scenario global du trou d'ozone soit aujourd'hui mieux compris, de grandes incertitudes subsistent, tant sur le detail des mecanismes complexes mis en jeu que sur leur evolution dans les prochaines annees. Cette these se propose d'apporter quelques elements nouveaux a la connaissance des phenomenes de destruction d'ozone qui operent en region polaire. Dans ce but, l'auteur analyse les resultats d'une methode originale de calcul de l'ozone total a partir de radiances infra-rouges. On decrit ainsi pour la premiere fois la formation du trou d'ozone par un instrument satellitaire autre que le spectrometre ultra-violet traditionnellement utilise pour rendre compte du phenomene. Les mesures presentees dans ce travail revelent un scenario quelque peu different de ce qui etait jusqu'ici observe. En particulier, elles suggerent que les nuages stratospheriques formes de cristaux de glace soient un facteur determinant pour qu'une destruction a grande echelle puisse avoir lieu a l'interieur du vortex, et que leur impact sur l'ozone environnant est plus rapide que ce qui est habituellement admis. Le biais systematique dont souffrent les mesures ultra-violettes au voisinage de la nuit polaire ou en presence de nuages stratospheriques est egalement demontre. En arctique, les observations conduites en janvier 1989 et fevrier 1990 revelent la formation de nuages stratospheriques d'etendue comparable au cas rencontres pendant la formation du trou d'ozone. L'episode de fevrier 1990 fait l'objet d'une etude detaillee, alliant observations satellitaires et in-situ aux simulations a haute resolution d'un modele de circulation generale. La capacite de ce modele a vocation climatique a reproduire cet evenement est examinee. Puis, a l'aide d'un traceur donnant le temps passe par les particules d'air a l'interieur du nuage, on etudie le degre de perturbation chimique de l'air arctique, qui suggere finalement qu'une importante destruction d'ozone localisee ait pu intervenir en aval du nuage stratospherique de fevrier 1990

Les premiers pas d'un modele aux elements finis spectraux sont presentes. Cette technique numerique associe la grande flexibilite geometrique des elements finis qui permet une bonne representation du dessin cotier, avec la haute precision du developpement spectral. De plus cette methode s'adapte naturellement et efficacement sur les machines paralleles, qui s'averent aujourd'hui indispensables pour rendre les simulations realistes (vu le grand nombre de degres de liberte du systeme oceanique). La premiere partie de ce travail a consiste en l'optimisation du code parallele sur la machine cray t3d. Cette operation a permis d'obtenir deux resultats importants : l'obtention d'un modele tres performant avec des resolutions elevees, et contrairement aux resultats traditionnels des modeles parallelises, l'independance de la decomposition du domaine de calcul parmi les processeurs. L'application scientifique a consiste en l'etude de la circulation de la mer mediterranee. L'interet de ce bassin reside dans la presence de la plupart des phenomenes oceaniques sur sa relativement faible envergure, d'ou son appellation de mer laboratoire. Le caractere bidimensionnel du modele (a gravite reduite) n'autorise que la simulation du premier mode barocline : on etudie le mouvement de la couche homogene superieure forcee par le vent. Plusieurs simulations sont presentees avec des forcages de vents climatologiques et des vents realistes a haute frequence et montrent la grande variabilite saisonniere et interannuelle de la circulation. Des experiences de processus (vent filtre, annulation de l'effet beta, intensite du vent doublee, impact des termes non-lineaires, differentes frequences de forcage) montrent que certaines structures sont dues au vent et a sa variabilite (gyre du golfe du lion, de la mer tyrrhenienne, de rhodes et de mersa-matruh). Le courant cotier est associe a des ondes qui parcourent les bassins occidental et oriental en six mois environ. Ceci correspond a une vitesse de l'ordre de 1 m/s, comparable a la vitesse moyenne d'une onde interne de kelvin. Le transport des informations s'effectuerait ainsi d'un bassin a l'autre a travers le canal de sicile. La haute resolution autorisee par le modele a revele pour la premiere fois des structures de petite echelle (meso-echelle de l'ordre de 50km) directement comparable aux observations. La non-linearite des equations permet aussi la formation de tourbillons assez persistants entre les cotes et les courants qui les longent. L'evolution de ces tourbillons constitue une composante supplementaire de la variabilite saisonniere et interannuelle du bassin.

La variabilité interannuelle du Pacifique tropical est étudiée dans le modèle couplé global de circulation générale OPA - ARPEGE - OASIS, à travers trois simulations de 40 ans qui ne différent que par leur schéma de diffusion latérale océanique : diffusion horizontale [HOR], isopycnale [ISO] ou isopycnale avec la paramétrisation de Gent et McWilliams (1990 - GM90) [ISOG]. L'Analyse multivariée en Spectres Singuliers (MSSA) est utilisée pour diagnostiquer la variabilité : on constate ainsi que l'amplitude de cette dernière augmente significativement dans l'ordre HOR-ISO-ISOG ; en outre, les périodes dominantes des simulations isopycnales semblent plus longues que celle de la simulation horizontale. Afin d'expliquer ces différences, la MSSA est appliquée à l'équation thermodynamique pour évaluer le rôle de chaque terme de tendance dans les définitions de la période et de l'amplitude de la variabilité. Ainsi, un effet direct des termes diffusifs n'apparaît pas fournir une explication suffisante et valable aux différences relevées, et il est nécessaire de mettre en cause les changements d'état moyen accompagnant la modification du schéma de diffusion. Ces derniers affectent principalement le régime de convergence et d'upwelling dans le Sous-Courant Équatorial, ainsi que le couplage équatorial en raison d'un ajustement global des isopycnes. L'impact des différences de structure moyenne sur les taux de croissance et les déphasages des tendances thermodynamiques sont cohérents avec le changement d'amplitude d'une simulation à l'autre, et expliquent partiellement l'augmentation de période<br>The interannual variability of the tropical Pacific is studied in the OPA-ARPEGE-OASIS global coupled general circulation model, thanks to three 40-year simulations differing only about by their ocean lateral diffusion scheme : horizontal diffusion [HOR], isopycnal diffusion [ISO], and isopycnal diffusion with the Gent and McWilliams (1990 - GM90) parametrization [ISOG]. Multichannel Singular Spetrum Analysis (MSSA) is used to diagnose the variability. This amplitude is found to increase significatively from HOR to ISOG,via ISO; moreover, the dominant period of the isopycnal simulations results in longer than the one obtained in the horizontal configuration. In order to explain these differences, MSSA is applied to the thermodynamical equation, a useful way to investigate the role played by each tendency term on the definition of the period and the amplitude of the variability. Direct diffusive effects do not define an accurate argument, and it is necessary to take into account changes in the mean state induced by the modification of the diffusion scheme. These latters mainly affect the convergence/upwelling regime in the Equatorial Under-Current, and also the equatorial coupling because of a global ajustment of the isopycns. The impact of the differences of mean structure on growth rates and phase shifts of the thermodynamical tendencies are coherent with the change in amplitude from one simulation to the other, and partly explain the increase in period

Une methodologie pour rechercher un signal de previsibilite saisonniere sur l'europe est mise au point, qui consiste a identifier des classes (classification de ward) ou des modes (analyse matricielle des relations entre variables) de variabilite atmospherique, et a etudier la modulation par le forcage oceanique de la repartition des etats de l'atmosphere parmi ces situations. L'approche est appliquee aux resultats du modele de circulation generale atmospherique du lmd, avec lequel un jeu important de simulations des hivers 1971 a 1992 a ete realise, forcant le modele aux conditions limites par des parametres oceaniques observes. Les anomalies de temperature du pacifique intertropical est jouent un role preponderant dans la modulation du climat europeen simule, via des connexions atmospheriques entre oscillations pna et nao, tandis que les fluctuations de l'atlantique sont moins influentes. Le modele simule preferentiellement une phase negative de l'oscillation nord atlantique en presence d'un forcage oceanique de type el nino, et une haute pression sur l'europe de l'ouest en presence d'un forcage la nina. Ces situations s'accompagnent de modifications des jets et des routes depressionnaires sur l'atlantique nord, en accord avec les analyses de longues series observees. Des differences d'ampleur entre les deux hivers la nina 1971 et 1989 ont ete reliees a des differences dans la reponse sur le pna, et une plus forte dispersion a ete mise en evidence dans le cas el nino (1992) par rapport aux situations la nina. Ce travail montre une modulation par le forcage oceanique de la variabilite europeenne simulee, reponse qui reste marginale en regard de la forte variabilite interne sur cette zone et necessite une quinzaine de simulations par hiver pour emerger de facon significative et stable. Enfin, la methodologie evaluee est transposable a l'analyse des resultats d'autres modeles.

L’objectif de cette thèse est de déterminer comment le modèle de continuum sol plante atmosphère, développé par l’INRA (Tuzet et 2003), très sensible au stress hydrique, peut être incorporé à un modèle de circulation générale (GCM) et s’il peut lui apporter une amélioration sensible. Un schéma de résolution numérique a été créé, adapté à la logique de résolution des GCM tout en conservant les interactions responsables de l’équilibre du continuum. Cette résolution améliore ses performances (temps de calcul, stabilité). Les résultats de ce modèle ont été comparés avec ceux de SECHIBA (le GCM du LMD) et plus sommairement d’autres modèles sur un site semi-aride en Arizona, en marge d’une campagne de PILPS (Bastidas 2003). Son comportement est globalement meilleur mais insuffisamment pour justifier son insertion dans un GCM. L’évaporation du sol limite les performances des modèles, en raison d’un bilan hydrique trop simple pour l’INRA, et d’erreurs de résolution numériques dans SECHIBA.

Le travail mené dans cette thèse porte sur l'étude "à posteriori" de l'assimilation variationnelle de données. Il s'agit d'une démarche de faisabilité pour la mise au point des outils permettant de faire une analyse diagnostique (qualitative et quantitative) du processus d'assimilation variationnelle, notamment en ce qui concerne l'influence du bruit des observations sur le processus d'assimilation ainsi que sa propagation sur les champs reconstitués (nous sommes alors amenés à faire une étude de sensibilité), et l'influence de la configuration spatio-temporelle des observations sur le processus d'assimilation. L'application usuelle des équations adjointes pour l'analyse de sensibilité est revisée, car dans le contexte de l'assimilation variationnelle, nous avons montré par un exemple simple qu'il faut s'y prendre différemment. Nous proposons alors une méthode pour mener correctement cette analyse de sensibilité. Cette méthode est basée sur l'utilisation des équations adjointes au second ordre, obtenues en prenant l'adjoint du système d'optimalité. La sensibilité en est déduite par inversion du Hessien de la fonction coût via la minimisation d'une fonctionnelle quadratique. L'application est faite sur un modèle de circulation générale océanique de type quasi-géostrophique, et nous faisons aussi l'étude de l'existence et l'unicité de la solution de l'équation adjointe au second ordre du modèle considéré, pour justifier l'utilisation du Hessien et l'applicabilité de notre méthode. Nous étudions aussi l'influence de la configuration spatio-temporelle des observations sur le processus d'assimilation au travers du Hessien (à l'optimum) dont les éléments propres varient lorsqu'on fait varier la configuration. Enfin, nous étudions la prédicibilité du système d'optimalité.

L’objectif de cette thèse est de déterminer, de représenter et de quantifier les processus responsables de la très forte transformation des masses d’eau dans les mers indonésiennes. L’approche consiste à utiliser un modèle de circulation générale océanique forcé, en constante comparaison avec les observations. La première étape de ce travail de construire une nouvelle paramétrisation fondée sur des considérations physiques et contrainte par l’énergie de la marée interne. Elle permet de reproduire les masses d’eau dans chacun des sous-bassins des mers indonésiennes en bon accord avec les observations. Elle génère un mélange intense dans la thermocline dont l’intensité moyenne est très comparable à celle estimée à partir des observations. Cette simulation et l’utilisation conjointe de diagnostiques complémentaires très puissants ont permis de quantifier la transformation des masses d’eau. Cette solution a été confrontée aux observations afin de fournir de nouvelles explications permettant d’interpréter les observations. Il est montré que la marée joue un rôle dominant dans cette transformation. Elle est responsable de flux diapycnaux très intenses seuls capables de reproduire la langue d’eau froide et douce dans la thermocline, caractéristique de l’eau indonésienne dans l’Océan Indien. Ce mélange intense dans la thermocline rétroagit sur le forçage et permet à l’océan d’absorber deux fois plus de chaleur (20 W/m2). Finalement, la transformation est étudiée le long des trajectoires de l’ITF et les eaux formées sont reliées à leur origine avec une quantification des échanges de sel et de température.

Les objectifs de la présente thèse sont l'analyse des mécanismes de couplage surface-atmosphère contrôlant la température moyenne de surface et son cycle diurne dans les régions sèches, humides et de transition.Nous montrons le rôle clé de l'inertie thermique sur la température de surface dans les régions sèches. La sensibilité à l'inertie thermique de la température de nuit est plus élevée que la sensibilité de la température de jour, impactant la température moyenne journalière. Nous montrons que cet effet est directement lié à l'instabilité de la couche limite, plus forte le jour que la nuit. Nous mettons également en lumière le double rôle du forçage solaire : Le premier est d'être la source du contraste diurne de la couche limite, à l'origine de la dissymétrie de réponse de la température à l'inertie thermique, le second est d'atténuer cet effet, puisque la forte dissymétrie du forçage solaire favorise la sensibilité de la température de jour par rapport à la nuit.Dans les régions humides, nous constatons que la sensibilité de la température de surface à l'inertie thermique est très faible. Ceci est dû aux fortes valeurs du flux latent qui contrôle la température de surface. Néanmoins, nous signalons que l'inertie thermique peut impacter le bilan d'eau à la surface, comme dans la région de la mousson indienne par exemple.Dans les régions de transition, nous montrons que la relation entre la température et l'humidité de surface est atténuée de 20 à 50 \% environ, du fait de la dépendance de l'inertie thermique à l'humidité de surface. Nous suggérons ainsi d'intégrer l'effet de l'humidité sur l'inertie thermique en plus de son effet sur l'évaporation<br>The main objectives of this study are to analyze the surface-atmosphere coupling mechanisms controlling the mean temperature and its diurnal cycle in the dry, humid and transitional zones. We show that thermal inertia plays a key role on the surface temperature in dry regions. The sensitivity of surface temperature to thermal inertia is high during the night but low during the day, impacting the mean surface temperature. We demonstrate that this effect is directly related to the instability of the planetary boundary layer, which is higher during the day compared to the night.Moreover, we emphasize the dual role of the solar forcing. The first one is to be the source of the diurnal contrast of the planetary boundary layer, which is the origin of the diurnal asymmetry of the surface temperature response to thermal inertia. The second one is to attenuate this effect, since the high asymmetry of the solar forcing foster the sensitivity of the day temperature compared to the night. In humid regions, we notice that the sensitivity of the surface temperature to thermal inertia is weak. This is due to the high values of the latent heat flux which controls the surface temperature. Nevertheless, we should point out that the thermal inertia may have an impact on the water budget at the surface, as it is the case in the Indian Monsoon region. In the transitional regions, we show that the relation between surface temperature and soil moisture is attenuated by about 20 to 50 % because of the dependency of the thermal inertia to soil water content. Hence, we suggest to integrated the effect of soil moisture on the thermal inertia in addition to its effect on evaporation

Dans les tropiques, la convection atmosphérique est fortement modulée à l'échelle intrasaisonnière (périodes de 20 à 90 jours). L'océan jouerait un rôle important dans l'activité atmosphérique à cette échelle. Les variations de Températures de Surface de l'Océan (TSO) perturberaient en effet les flux de surface et déstabiliseraient l'atmosphère pour déclencher un événement convectif organisé à grande échelle. La réponse dynamique associée permettrait alors l'entretien de la convection à l'échelle intrasaisonnière par augmentation des flux de chaleur à la surface. Ces perturbations de TSO sont principalement liées aux perturbations de la température de la couche de mélange et dépendent donc, comme l'énergie disponible pour l'entretien de la convection, de la profondeur de cette dernière. Les résultats d'observations, présentés ici, étayent cette conception thermodynamique de l'origine de la variabilité intrasaisonnière qui permet d'expliquer son lien climatologique avec le cycle saisonnier des moussons. L'impact des perturbations intrasaisonnières de la TSO sur l'organisation des événements convectifs est ensuite étudié au moyen de simulations effectuées avec le modèle de climat LMDZ. Une part importante de la variabilité intrasaisonnière de la TSO est de plus liée à la formation de Couches de Réchauffement Diurne comme le montre le diagnostic effectué à partir d'un algorithme simple forcé par les données ERA-40. La validation de cette démarche au moyen des mesures du réseau global de bouées SVP autorise l'inclusion de cet algorithme dans LMDZ. On vérifie enfin la capacité du modèle à reproduire des CRD réalistes avant de discuter leur effet sur la variabilité intrasaisonnière simulée.

Les modèles de circulation générale océanique sont une des composantes essentielles de l'étude de l'évolution du climat terrestre. A l'echelle de la circulation océanique, le flux d'eau douce apporté par les fleuves est très faible, mais son influence est particulierement importante. Or ce flux est mal pris en compte dans la plupart des modèles d'océan global. Ce travail vise à proposer un couplage efficace entre surfaces continentales et océan global qui permette d'assurer une continuite dynamique du point de vue des flux d'eau douce. Pour cela, il est démontré que les modèles de surfaces continentales sont le moyen à privilegier afin d'obtenir des flux corrects à l'interface. L'interaction entre panaches d'eau douce créés par les fleuves et l'océan cotier est étudiée et des paramétrisations des processus de mélanges influençant ces dynamiques sont proposées. Dans un contexte général, une paramétrisation de la dynamique des flux d'eau douce cotiers est proposée en se basant sur une analyse énergétique du problème. Un modèle en boite est créé dont le comportement est satisfaisant et des possibilités quant à son implémentation sont proposées<br>Continental runoff is usually poorly described in most ocean general circulation models used for climate research. Although the inflow of freshwater from continents is very small compared with any large scale current, its influence is known to be important. This work aims at providing a better representation of continental runoff in ogcms in order to ensure a dynamical continuity of freshwater from continents towards global ocean circulation. It is shown that land surface models should be the only reliable source for continental runoff to be considered from a global point of view. Interaction between river plumes and global circulation is investigated. It is shown that is possible to take into account some processes that affect the fate of freshwater once it has reached the continental shelf. These processes may be taken into account using only data available from a global scale. In order to include the baroclinic dynamics created by river inflows in coastal regions, a closure of this subgrid scale process is suggested. Based on energy conservation, a box model is created that proves to have the same behaviour than a realistic high resolution river plume simulation

Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportement<br />de diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

Dans une première partie de ce travail, la fonte estivale partielle de la neige antarctique, qui affecte fortement l'émissivité micro-onde de la surface, est identifiée et comptabilisée au cours de 18 années sur la période 1980-1999. Pour cela, un algorithme de traitement des données satellitales s'adaptant à la variabilité spatiale et inter-annuelle de la température de brillance moyenne de la neige a été développé. Le cumul du produit de la surface affectée par la fonte par la durée de la période de fonte , appelé Cumulative Melting Surface CMS), est un des 3 indices définis et discutés ici. En moyenne sur les 20 années, le CMS Antarctique a diminué de 1.8 ± 1 % an- l, résultat cohérent avec un refroidissement des températures moyennes du mois de janvier sur le continent, récemment identifié par d'autres à partir de mesures dans l'infra-rouge. De plus, les indices de fonte comportent les signatures inter-annuelles de l'Oscillation Antarctique (AO), et peut-être de l'Oscillation Sud El Nino (ENSO). Les modèles actuels de circulation générale de l'atmosphère (MCGA) prennent mal en compte certaines des caractéristiques du climat des zones polaires. Ainsi, la simulation du bilan d'énergie de surface, donc la fonte, par le MCGA LMDz est encore peu fiable. Afin d'améliorer ce point, nous avons testé une paramétrisation non-locale des flux turbulents de surface pour les couches limites très durables et très stables (typiques de la longue nuit polaire antarctique). Cette paramétrisation autorise la propagation verticale des ondes de gravité depuis la troposphère libre, et simule donc l'apparition de turbulence intermittente dans la couche stable. Malgré la forte variabilité climatique inter-annuelle, il semblerait que la température du sol et l'intensité du vent soient généralement mieux décrites à l'intérieur du continent, mais un problème de découplage entre le sol et le premier niveau vertical du modèle apparaît près de Vostok.

La nécessité d'effectuer des prévisions climatiques fiables renforce le besoin de représenter correctement notre système Terre dans les modèles de climat. Or, les interactions entre la surface continentale et l'atmosphère restent simplistes dans la plupart des modèles de circulation générale atmosphérique (MCGAs). L'objectif de cette thèse était ainsi de contribuer à la compréhension du rôle de la surface sur le climat des régions boréales, particulièrement sensibles aux changements climatiques, et sur leur sensibilité climatique. L'introduction dans le MCGA LMDz de deux caractéristiques des terres boréales, les sols gelés et les zones inondées (lacs et zones humides), a permis de quantifier leurs impacts respectifs sur différents climats (présent, Dernier Maximum Glaciaire, futur). Les émissions de méthane atmosphérique provenant des zones humides simulées par LMDz ont été estimées depuis le DMG. Le régime thermique des sols gelés a été examiné dans les récentes réanalyses européennes.

Les modèles de circulation générale de l'atmosphère sont les outils les plus complexes pour l'étude du climat. Mis au point par rapport au climat actuel, ils sont utilisés pour comprendre la réponse climatique aux perturbations anthropiques. Cependant, de nombreuses incertitudes demeurent quant aux paramétrisations utilisées pour les phénomènes de petite échelle (nuages, turbulence. . . ). Simuler les climats passés permet d'évaluer l'aptitude de ces modèles à décrire un climat différent de l'actuel, de tester l'impact des paramétrisations sur leur sensibilité, et de comprendre les mécanismes de changements de climats. L'Holocène moyen, il y a 6000 ans, a été choisi, dans le cadre du projet international PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project), pour tester la réponse des modèles aux changements d'insolation résultant des changements de la configuration orbitale terrestre. Nous avons effectué les premières comparaisons entre huit modèles, et isolé deux zones clés : les moussons africaine et asiatique en été, et les moyennes latitudes nord en hiver. Les changements climatiques simulés sont confrontés aux indications paléoclimatiques issues des niveaux passés des lacs pour les moussons, et des pollens fossiles pour l'Europe. Le changement de climat européen est particulièrement sensible à l'état de surface océanique, comme le montrent deux études de sensibilité aux températures de la Méditerranée et de l'Atlantique, effectuées avec le modèle du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD). Enfin, en utilisant deux versions du modèle du LMD, nous montrons qu'une analyse des termes du bilan d'énergie de l'atmosphère permet d'isoler l'impact des paramétrisations sur la réponse climatique du modèle : la prise en compte de la stabilité verticale pour le traitement du flux de chaleur sensible en surface joue sur les réchauffements aux moyennes latitudes nord en hiver ; le modèle d'hydrologie du sol continental modifie le recyclage local des précipitations, la structure verticale des nuages et influence les mécanismes d'intensification des moussons.

Les nuages de couche limite sont une composante importante du système climatique terrestre de part leur rôle dans le bilan radiatif planétaire, la circulation générale, le cycle de l'eau et leur sensibilité au forçage aérosol (premier et second effet indirect des aérosols). La précipitation est un des processus clé pilotant leur évolution, la transition entre les différents régimes, et est le principal processus mis en jeu dans le second effet indirect des aérosols. La rétroaction radiative des nuages ainsi que le forçage des aérosols constituent tout deux des incertitudes majeures dans les études de changements climatiques. L'objectif de cette étude est d'améliorer la représentation de la formation des précipitations dans les stratocumulus et plus particulièrement évaluer sa sensibilité au forçage des aérosols, à partir de simulations LES. Dans ce but, le modèle méso-NH a été couplé avec des paramétrisations bulk de la microphysique parmi les plus sophistiqués, basés sur le schéma bulk à deux moments de Khairoutdinov and Kogan (2000) (KK00).

Sur les effets du changement climatique aux échelles globale et régionale. Il montre en particulierqu'aucun consensus ne peut être trouvé pour ce qui concerne l'évolution future de lapluviométrie -- et de la dynamique atmosphérique associée -- en région de mousson africaine.Ce mémoire revisite cette question à la lumière des nouvelles données disponibles et selon uneapproche évitant toute surreprésentation du nombre de simulations disponibles pour un type demodèle donné, tout en prenant en compte la diversité des modèles ainsi que leur évolution dansle temps : sorties de vingt modèles de circulation générale (MCGs) ayant participé aux exercicesCMIP3 (douze MCGs) et CMIP5 (huit MCGs) sous les scénarios d'émissions A1B et rcp4.5,respectivement. Les sorties sont analysées principalement sur deux fenêtres de quarante ans --périodes actuelle (1960-1999) et future (2031-2070) -- et les résultats discutés au regard de leurvraisemblance selon une approche permettant à la fois de quantifier les différences futur moinsactuel, de mesurer les significativités et les robustesses statistiques et d'associer une probabilitémesurant le consensus des modèles en fonction des échelles et des variables considérées.Les analyses menées sur CMIP3 et CMIP5 montrent qu'un consensus sur l'effet du changementclimatique en Afrique de l'Ouest peut être obtenu si l'on ne fait pas de l'ensemble de labande sahélienne une entité homogène et qu'on raisonne à des échelles spatiales inférieures. Lesrésultats révèlent une évolution contrastée entre le centre et l'ouest du Sahel avec, pour le futur(i) une hausse des précipitations au centre s'expliquant surtout par une plus grande convergencedes flux dans les basses couches, ainsi qu'une pénétration plus au nord de la mousson ;(ii) une baisse des précipitations à l'ouest s'expliquant par le renforcement de la circulation detype Walker, du Jet d'Est Africain (JEA) et de la subsidence dans les couches moyennes. Parailleurs, on peut s'attendre à une modification du cycle annuel moyen avec un retrait retardé dela mousson. Ce retard est notamment lié aux apports supplémentaires d'humidité depuis l'Atlantique,dus au renforcement des contrastes thermiques et d'humidité entre océan et continent,mais aussi et surtout aux apports tardifs d'humidité depuis la Méditerranée et au renforcementdes flux de nord en septembre et octobre en direction du Sahel

Pour les pays du sous-continent ouest africain soumis depuis une trentaine d'années à un changement climatique sans précédent au XXème siècle, la modélisation de l'impact de la variabilité prévisible du climat sur les ressources en eau est fondamentale pour la planification des aménagements. L'objectif de ce travail est l'utilisation de simulation de pluies et d'évapotranspiration potentielle issues de scénarii climatiques en entrée de modèles hydrologiques, calés pour les grandes rivières d'Afrique de l'Ouest (Sénégal, Gambie, Sassandra) et Centrale (Logone-Chari), afin d'étudier la variabilité probable des ressources en eau au cours du XXIème siècle. Cette approche se fonde sur : - la connaissance de la variabilité des régimes pluviométriques et hydrologiques. Globalement, la période 1970-1998 est déficitaire et la décennie 90 témoignent de la persistance de la sécheresse. Ces déficits peuvent s'expliquer par une variation de l'espace couvert par la mousson s'inscrivant dans une dynamique à l'échelle de la circulation atmosphérique générale ; - l'évaluation d'outils de modélisation des régimes hydrologiques des grands cours d'eau régionaux. Deux modèles de bilans hydrologiques (GR2M et WBM), fonctionnant au pas de temps mensuel sur des grilles à la résolution du demi degré carré, ont été retenus. L'analyse de sensibilité modèles montre l'importance des précipitations et des états de surface dans la modélisation hydrologique. Cette évaluation souligne également la performance et la robustesse du modèle GR2M ; - le développement et l'application de scénarii climatique à partir des données issues des Modèles de Circulation Générale. Les sorties de modèles climatiques ne sont pas vraiment fiables mais les variations prévues peuvent être combinées aux observations pour générer des scénarii climatiques. L'utilisation des données de précipitations et de température du modèle HadCM3-A2, via deux scénarii climatiques, dans les modèles hydrologiques GR2M et WBM conduisent à la diminution des débits du Sénégal et de la Gambie, une augmentation suivie d'une diminution des débits du Sassandra et une augmentation des débits du Logone-Chari.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le contexte des systèmes de particules. Nous considérons différents systèmes physiques, décrits de manière continue, et dont la dynamique est modélisée par des équations aux dérivées partielles décrivant l'évolution temporelle de certaines quantités macroscopiques ou microscopiques, selon l'échelle de description envisagée. Dans une première partie, nous nous intéressons à une équation de type coagulation-fragmentation cinétique. Nous obtenons un résultat d'existence globale en temps, dans le cadre des solutions renormalisées de DiPerna-Lions, pour toute donnée initiale vérifiant les estimations naturelles et possédant une norme L1 et une norme Lp (p > 1) finies. La deuxième partie traite de méthodes de moments. L'objectif de ces méthodes est d'approcher un modèle cinétique par un nombre fini d'équations portant sur des quantités dépendant uniquement de la variable d'espace, et la question est de savoir comment fermer le système obtenu pour obtenir une bonne approximation de la solution du modèle cinétique. Dans un cadre linéaire, nous obtenons une méthode de fermeture explicite conduisant à un résultat de convergence rapide. Enfin, dans une troisième partie, nous travaillons sur la modélisation du trafic routier avec prise en compte de la congestion à l'aide d'un système hyperbolique avec contraintes, issu de la dynamique des gaz sans pression. En modifiant convenablement ce système, nous parvenons à modéliser des phénomènes de trafic routier "multi-voies", comme l'accélération, et la création de zones de vide. Un résultat d'existence et de stabilité des solutions de ce modèle modifié est démontré.

Ce travail traite de la simulation numérique du climat des grandes calottes de glace, en particulier des calottes de l'Antarctique et du Groenland, toujours existantes, dans des conditions climatiques différentes, à l'aide de modèles de circulation générale de l'atmosphère (MCGA). Le MCGA à grille variable LMDz a été adapté aux spécificités du climat polaire et validé pour le climat actuel. L'approche d'une grille variable, qui permet d'utiliser le MCGA à haute résolution spatiale (autour de 100 km) sur la région d'intérêt à un coût numérique raisonnable, a été validée en analysant la dynamique atmosphérique au bord de la région ciblée à l'aide d'un schéma de suivi des cyclones individuels. Des simulations du climat du Dernier Maximum Glaciaire (DMG) ont été faites pour le Groenland et l'Antarctique et analysées en tenant compte des archives glaciaires disponibles. Une explication possible des différences entre les deux méthodes principales de reconstruction des paléotempératures - l'analyse des isotopes de l'eau et la mesure directe de la température de la glace dans le trou de forage - au centre du Groenland a pu être proposée. Cette explication est basée sur des changements de paramètres climatiques locaux. C'est la première fois que l'approche de grille variable a été utilisée dans un MCGA pour des simulations du climat polaire à l'échelle de quelques années. Les simulations paléoclimatiques faites avec LMDz sont à une résolution spatiale inégalée à ce jour. Finalement, le climat du DMG, simulé par plusieurs MCGA dans le cadre du projet international PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Programme), a été analysé, et des implications des résultats pour l'interprétation des enregistrements glaciaires ont été discutées.

Ce travail de thèse a pour ultime objet la contribution à des travaux scientifiques nécessaires à l'amélioration de la connaissance des processus photochimiques, radiatifs et de transport régissant l'évolution des espèces minoritaires et de l'ozone atmosphérique. Les travaux et les résultats de recherche reportés dans ce document sont focalisés sur le développement, la mise en oeuvre, la validation de trois catégories de modèles numériques de l'atmosphère. Ils sont constitués par un modèle photochimique ou de boîte ; un modèle unidimensionnel diffusif et photochimique ; et un modèle tridimensionnel dynamique et de transport des composés chimiques avec variations diurnes à l'échelle du globe. La stratégie consiste à coupler le modèle de boîte intégrant un mécanisme cinétique approprié avec chacun des modèles. Les résultats numériques sont par la suite confrontés: aux mesures existantes de concentration des espèces chimiques obtenues dans le cadre de campagnes de lancements de ballons stratosphériques ; aux observations effectuées à partir de la surface du globe ; et finalement aux données satellitaires. Ces travaux sont complétés par l'introduction de nouvelles valeurs des sections efficaces d'absorption de quelques espèces (pour la photolyse) et de nouvelles valeurs de constantes cinétiques (pour les réactions chimiques) mesurées en laboratoire. En particulier, uns des ultimes objectifs de ce travail consistent à mettre en oeuvre le modèle tridimensionnel (3D) à variations diurnes cité précédemment, et à confronter les résultats aux observations satellitaires chimiques existantes pour une période précise. A moyen terme, le modèle 3D sera appliqué pour l'interprétation des futures observations effectuées depuis l'espace dans le cadre de la nouvelle mission spatiale UARS de la NASA (" Upper Atmospheric Research Satellite "). Le lancement du satellite, prévu en 1991, aura pour mission, l'observation des variations spatio-temporelles de la concentration des composés chimiques et de certains paramètres physiques et radiatifs dans les trois couches atmosphériques : la stratosphère, la mésosphère et la thermosphère. La mission est dédiée à l'étude des espèces ayant un rôle majeur sur la destruction de la couche d'ozone polaire et à l'évolution du climat sous l'influence des gaz à effet de serre. L'évolution temporelle de la position du satellite autour de son orbite permettra d'en extraire les variations diurnes des composés aux mêmes heures TU et aux mêmes endroits, permettant l'application et la mise en oeuvre du modèle de boîte pour la compréhension des processus. Parmi les autres objectifs de cette thèse, les points suivants sont traités en détail: 1) Le développement d'une méthode numérique novatrice pour la résolution d'un ensemble d'équations de continuité non linéaires et couplées des espèces chimiques. Par la suite, La méthode est analysée et évaluée numériquement, comparée aux techniques standard existantes et intégrée dans chacun de ces 3 modèles. La formulation de la technique numérique doit être standard et facilement adaptable à n'importe quels systèmes d'équations d'évolution des espèces associées à de mécanismes cinétiques et pour n'importe quelle partie de l'atmosphère. La méthode doit résoudre, sans paramétrisation, les variations diurnes des composés dues aux effets de l'évolution très rapide spatiotemporelle de la photolyse aux zones de coucher et lever du soleil, et parfois aux conséquences de l'évolution temporelle des quantités d'émissions chimiques rejetées par les sources sur la concentration des espèces. 2) Le développement, la mise en oeuvre et la validation d'un modèle photochimique ou " de boîte ", utilisant la méthode développée en 1). De la même manière, le modèle de boîte est conçu pour être applicable à n'importe quelles régions de l'atmosphère à savoir: la couche limite atmosphérique, la troposphère libre, la stratosphère et la mésosphère. 3) La vérification de la performance du modèle de boîte développé en 2) par l'interprétation d'un ensemble d'observations satellitaires et des mesures in situ de la concentration de certains composés chimiques par l'usage des ballons stratosphériques dans la stratosphère et par confrontation de la concentration de l'ozone mesurée par la technique micro-ondes dans la mésosphère ; 4) Le développement d'un modèle photochimique et diffusif unidimensionnel (dans la direction verticale), en incluant les variations diurnes des composés, par couplage du modèle de boîte développé en 2) avec un modèle purement de transport diffusif (également développé dans ce travail). L'ensemble est mis en oeuvre pour l'interprétation des mesures de profils verticaux de quelques composés chimiques dans la stratosphère et la mésosphère, obtenues soit à distance par de satellites soit in situ par ballons; 5) Le couplage, à chaque pas de temps, et l'intégration directe du modèle de boîte avec le modèle de circulation générale de METEO France (Emeraude) qui calcule de manière pronostique le champ dynamique et thermodynamique, les paramètres radiatifs et physiques et utilise les techniques d'assimilation des données d'observations dans l'atmosphère globale (vents, température, vapeur d'eau, nuages, flux solaires, etc.). L'ensemble constitué par le modèle Arpège et le modèle de boîte incluant un mécanisme cinétique de l'ozone stratosphérique, est mis en oeuvre pour interpréter les variations spatio-temporelles à 3 dimensions des espèces azotées et de l'ozone dans la stratosphère. En particulier, l'accent est mis sur la modélisation du phénomène appelé " Noxon Cliff ") consistant à l'apparition de gradients horizontaux des espèces azotées (NO2) lors de l'apparition du réchauffement soudain de la stratosphère moyenne, accompagné par la division du vortex polaire Nord en quelques cellules, vers la fin de l'hiver boréale. Chapitre I. Ce chapitre rappelle certaines notions des lois physiques pour l'atmosphère : la dynamique, le transport des espèces et la photochimie dans l'atmosphère et effectue une revue des différentes catégories de modèles numériques existants: photochimiques, radiatifs et dynamiques développés et mis en oeuvre durant les dernières décennies par la communauté scientifique pour explorer et étudier l'aéronomie de l'atmosphère et l'évolution du climat. Chapitre II. Dans un premier temps, le chapitre traite en détail le développement et l'analyse numérique de la " méthode novatrice " à laquelle nous avons associé la dénomination : " Semi Implicite Symétrique (SIS) ". Cette analyse numérique théorique approfondie, au sens mathématique des équations différentielles ordinaires (EDO) dont font partie les équations de continuité des espèces chimiques, consiste à explorer et à décrire son origine, sa définition, sa précision et sa stabilité, numériques. La caractéristique: " conservation du nombre d'atomes (CNA) " des composés chimiques par la méthode, après la résolution numérique des systèmes d'équations, est démontrée et comparée à celle des autres techniques de même objectif. La notion de CNA ne peut être confondue à celle de " conservation de la masse " de matière, condition appliquée aux méthodes de résolution des équations de transport (advection ou autres). D'autres caractéristiques de la méthode sont aussi explorées ; par exemple la possibilité de l'apparition de concentration faiblement négatives. Pour pallier ce petit inconvénient, un traitement numérique spécial très efficient, basé sur l'analyse de la caractéristique des espèces participant aux réactions chimiques " incriminées " est proposé. Dans un deuxième temps, une mise en oeuvre du modèle de boîte appliqué à un cas photochimique, défini par un mécanisme cinétique de l'ozone sous des conditions stratosphériques, est réalisée afin d'évaluer en profondeur la performance numérique du modèle et sa capacité à interpréter les observations. Le chapitre II contient différents paragraphes traitant en détail les points essentiels suivants en utilisant ce même cas: a) les caractéristiques numériques et la performance des autres méthodes couramment utilisées par la communauté scientifique depuis plus d'une décennie pour la résolution des équations cinétiques non linéaires dans les modèles, sont comparées à celles de la méthode SIS. Les avantages et inconvénients de chacune des méthodes sont soulignés. En particulier SIS conserve strictement le nombre d'atomes, et est absolument stable (ou sans condition de stabilité) contrairement aux autres méthodes classiques. b) En 1971, le mathématicien Gear a publié deux méthodes numériques très bien adaptées aux systèmes d'équations non linéaires très raides et légèrement raides (ou " stiff " en anglais). Ces méthodes utilisant l'approche numérique prédicteur-correcteur et résolution par itérations successives, sont considérées comme des références. Un rappel de cette technique est traité dans ce travail. Par la suite, la précision, la stabilité numérique, le coût numérique ou le temps de calcul et la notion de conservation du nombre d'atomes sont inter comparées entre cette technique et SIS. c) Grâce à sa caractéristique implicite (seul le prédicteur est en explicite), la méthode de Gear conserve aussi le nombre d'atomes des composés après résolution des systèmes. La précision de SIS est égalable à celle de la méthode de GEAR avec quelques pourcents de différence au moment du coucher et du lever du soleil, associés à la raideur des systèmes photochimiques liée aux variations temporelles abruptes et très significatives de la concentration des espèces sous l'influence de la photolyse. La stabilité numérique de SIS est également démontrée. d) La résolution des équations cinétiques aboutit à l'inversion des matrices jacobiennes à chaque pas de temps successifs des modèles. Après quelques test et " benchmark ", nous avons pu identifier que cette inversion de matrices est la plus coûteuse en temps de calcul et de manière exponentielle selon le rang de la matrice (ou le nombre de composés chimiques). Après plusieurs applications et évaluations de quelques techniques d'inversion de matrices, la méthode de résolution directe de Gauss par élimination apparaît la plus adaptée et constitue un bon compromis pour la méthode SIS. En effet, ces tests d'inversion ont permis de montrer que les matrices jacobiennes issues de la cinétique, possèdent un taux de raideur très élevé (ou " stiffness ratio " en anglais. Ce taux est défini comme le rapport entre la valeur absolue des valeurs propres minimales et maximales. Plus ce rapport est élevé, moins les systèmes itératifs aboutissent à une convergence d'où l'utilisation des méthodes directes d'inversion. En conséquence en terme de coût de calcul, SIS fait apparaître un temps CPU global (" clock period unit ") largement inférieur à celui de GEAR, toute chose égale par ailleurs sauf pour le pas de temps du modèle montrant ainsi son intérêt majeur pour l'introduction de chimie plus élaborée pour de longues intégrations dans les modèles tridimensionnels. Chapitre III. L'évaluation de la performance de la méthode SIS et la validation des résultats du modèle de boîte photochimique sont effectuées par le biais de la comparaison des résultats avec des mesures de profils verticaux existants dans les bases de données d'observations de quelques composés chimiques dans la stratosphère dont : O3, OH, HO2, HNO3, N2O5 et ClO. Trois études de cas dans la stratosphère sont traitées dont deux ont fait l'objet de publication: * L'interprétation par le modèle de boîte, des mesures de profil vertical de NO3 au dessus de 30km d'altitude obtenus par lancements de ballons stratosphériques (5 missions différentes) à Aire-sur-l'Adour, France (43°42'N, 0°15'W) entre 1980 et 1985, en introduisant de nouvelles valeurs des sections efficaces d'absorption de NO3 mesurées en laboratoire. Ce travail aboutit à une publication. * L'interprétation par le modèle de boîte, des mesures des variations diurnes de NO et NO2 (une mesure la nuit, une autre le jour et une au coucher et lever du soleil) obtenues pendant la campagne MAP GLOBUS organisée à Aire-sur-l'Adour à trois niveaux d'altitude situés aux pressions atmosphériques: 18hPa, 10hPa et 7.5hPa. A chaque observation, le ballon est plafonné à l'altitude considérée pour permettre les mesures temporelles. Ce travail aboutit à une publication. * L'interprétation par le modèle de boîte des mesures de variations diurnes de l'ozone mésosphérique entre 50km et 75km d'altitude par pas de 5km, en utilisant à partir du sol un radiomètre micro-onde dans la fréquence 110.856 GHz correspondant à une raie d'émission de l'espèce ; le radiomètre étant couplé avec un spectromètre. Les résultats du modèle sont conformes aux mesures. Les analyses exploratoires soulignent l'importance de la contribution des réactions chimiques associées aux composés hydrogénés H, OH et HO2 sur la concentration de l'ozone. A ces niveaux d'altitude, la réaction chimique entre la vapeur d'eau et le métastable O1D issu de la photodissociation de l'ozone constitue la source principale de ces composés hydrogénés. Chapitre IV. Le couplage du modèle de boîte utilisant la méthode SIS avec un modèle à une dimension diffusif et stationnaire (selon la verticale du lieu) également créé dans ce travail, permet la comparaison des résultats numériques avec un ensemble de mesures satellitaires. Ces observations intègrent les profils verticaux de composés chimiques à plus longue durée de vie dont : CH4, N2O, H2O, CO, HNO3, H2, et HCl, et à plus courte durée de vie comme OH et ClO, mais aussi des espèces chimiques azotées (NO, NO2, NOy) et des espèces chlorées (ClO, Cly). Ce chapitre montre également l'applicabilité de la méthode SIS aux équations d'évolution photochimique des " Familles " azotée et chlorée : NOy, Cly. Les résultats numériques du modèle unidimensionnel sont comparables à ceux d'autres modèles de même nature développés par d'autres auteurs et sont parfaitement cohérents avec l'ensemble des observations. Chapitre V. L'objet de ce dernier chapitre consiste à développer une méthodologie novatrice de modélisation tridimensionnelle de la distribution spatio-temporelle des composés minoritaires dans l'atmosphère en introduisant pour la première fois les variations diurnes des espèces chimiques. Dans le passé, due à la complexité des mécanismes photochimiques atmosphériques et les coûts informatiques, les modèles tridimensionnels incluent seulement, soit une chimie très simplifiée, soit un système cinétique un peu plus développé mais dont les variations diurnes sont linéarisées. Grâce à ses performances inégalées par rapport aux techniques classiques et à la méthode de référence " de Gear " (précision, stabilité, conservation et coût), le modèle de boîte utilisant SIS couplé au modèle dynamique, peut alors inclure un grand nombre de composés chimiques. Cette approche innovante de modélisation tridimensionnelle avec variations diurnes chimiques, jamais abordée auparavant par la communauté scientifique, peut permettre une intégration sur du long terme, couvrant ainsi les saisons et les années. Cette intégration est indispensable à une meilleure connaissance de l'évolution spatio-temporelle de la couche d'ozone et de l'établissement de la distribution de ses précurseurs avec l'utilisation des données satellitaires issues de UARS. La faisabilité de ces longues intégrations est par ailleurs facilitée par l'apparition et de nouveaux super calculateurs puissants pour les calculs intensifs (exemple CRAY 1). * Dans un premier temps, la méthode de couplage dite " time-splitting ", à chaque pas de temps d'intégration, du modèle de boîte à variations diurnes avec le modèle de circulation générale Emeraude de Météo France, est décrite. Le modèle Emeraude inclut la dynamique, le transport des espèces, la physique de l'atmosphère, le couplage terre atmosphère, la formation des nuages et le transfert radiatif. Les espèces azotées et chlorées sont intégrées dans le mécanisme cinétique stratosphérique du modèle de boîte pour décrire la chimie de l'ozone pour l'étude de cas. * Dans un deuxième temps, l'ensemble couplé est mis en oeuvre pour calculer la distribution spatio-temporelle des espèces azotées et de l'ozone dans la stratosphère. En particulier, l'accent est mis sur la modélisation du comportement de certaines espèces chimiques lors du réchauffement stratosphérique soudain dans les régions polaires Nord vers la fin de l'hiver. Ce phénomène est régulièrement observé aux niveaux d'altitude stratosphérique de pression: 10hPa à 20hPa dans ces régions. Le vortex polaire stratosphérique Nord subit alors une division en deux ou plusieurs cellules dynamiques, accompagnée d'un réchauffement rapide du milieu. D'après les observations de Noxon en 1979, cette division du vortex stratosphérique a un effet sur la distribution horizontale du contenu intégré du dioxyde d'azote que l'auteur a dénommé le " Noxon Cliff " consistant à l'apparition de forts gradients horizontaux de concentration intégrée de NO2 autour de 50°N. Une courte simulation a été effectuée avec le modèle tridimensionnel pour le mois de février 1979, période d'observations du réchauffement soudain. Le modèle permet de vérifier les hypothèses de Noxon sur la distribution spatiale du composé NO2. * Le chapitre conclut sur la faisabilité de l'intégration des variations diurnes des espèces chimiques dans un modèle tridimensionnel sur du long terme. Le satellite UARS effectuera une série d'observations d'un ensemble de composés chimiques dans la stratosphère et la mésosphère sur une longue période étalée sur quelques années. Les variations diurnes des composés chimiques peuvent en être extraites avec leur distribution horizontale et verticale. Ce modèle 3D permettra la confrontation des mesures obtenues par UARS avec les résultats numériques et contribuera à une meilleure connaissance de la chimie de l'ozone et du phénomène de trou d'ozone observé dans l'Antarctique en incluant la chimie hétérogène réagissant sur la surface des nuages polaires stratosphériques.

Les cyclones extra-tropicaux constituent un élément important du climat, particulièrement dans les régions continentales situées aux latitudes moyennes et élevées. Selon les études basées sur l'usage des modèles mondiaux du climat, une hausse de la concentration du CO2 pourrait mener à un abaissement du nombre de cyclones extra-tropicaux et à un renforcement de leur intensité. Le but de ce projet a été d'examiner l'effet du changement climatique sur le comportement des cyclones tels que simulés par le modèle couplé (atmosphère-océan) canadien (MCCG3). L'approche utilisée ici afin d'accomplir les objectifs est la suivante. D'abord, les cyclones extra-tropicaux ont été identifiés et tracés, aux 6 heures, à l'aide de l'algorithme de Sinclair (1997). Par la suite, les statistiques d'un ensemble de trajectoires sur 30 ans simulés sont calculées. Dans le cadre de l'évaluation du MCCG3, l'analyse a été effectuée pour la période de 1961 à 1990, dans l'hémisphère Nord (au nord du 200 N). En général, nous avons constaté que les résultats du MCCG3 concordent très bien avec ceux des ré-analyses ERA-40. Par contre, la comparaison entre les statistiques calculées sur la période du climat récent et celles du climat futur (2041 à 2070), a montré qu'il n'y a pas de changements importants de l'activité des cyclones hivernaux en Amérique du Nord, en réponse aux changements climatiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : cyclones, tourbillon, trajectoires, ré-analyses, modèle, climat, variabilité.

À cause des non-linéarités dans les processus atmosphériques, les modèles de circulation générale de l'atmosphère (MCG) sont sensibles aux conditions initiales (CI). Autrement dit, les MCG peuvent générer plusieurs solutions de la circulation atmosphérique si un petit changement affecte les CI du modèle. La divergence de ces solutions devient importante en quelques jours de simulations en limitant de cette façon l'habilité des prévisions atmosphériques à une période limitée de temps. Comme une conséquence de l'existence de la variabilité interne, n'importe quel climat peut être décomposé en deux termes: le signal, associé au forçage externe, qui est indépendant des CI, et le «bruit» dû à la variabilité interne qui est générée par cette sensibilité du modèle aux CI. Contrairement aux MCG qui couvrent entièrement le globe et qui possèdent une large variabilité interne, les Modèles Régionaux de Climat (MRC) sont limités et pilotés à leurs frontières latérales par les données qui proviennent d'un MCG. La variabilité interne sera influencée dans ce cas par toutes les contraintes et les conditions qui définissent les MRC comme par exemple, les conditions aux frontières latérales (CFL), la taille ou la position géographique du domaine. Cette étude analyse la variabilité interne du Modèle Régional Canadien de Climat (MRCC) et les possibles conséquences sur les analyses statistiques des simulations saisonnières. Dans ce but, des ensembles de 20 simulations qui diffèrent légèrement dans leurs CI ont été générés avec le MRCC pour différentes tailles du domaine sur une période saisonnière de trois mois. Le degré de variabilité interne du modèle a été apprécié selon le degré d'écart entre les simulations durant la période d'intégration. Les résultats montrent que la variabilité interne du MRCC, estimée statistiquement comme la variance entre les 20 simulations de l'ensemble, dépend fortement des événements synoptiques. Cette dépendance est notamment observée dans les variations de la variance enregistrées durant la période d'intégration. Selon notre étude, ces variations ont une distribution géographique qui dépend de la variable étudiée. L'évolution temporelle des patrons synoptiques montre que les maximums des variances pour les deux champs étudiés, la précipitation (le maximum au sud des États-Unis) et la hauteur du géopotentiel à 850 mb (le maximum vers le nord-est du domaine) sont reliés entre eux. Les évènements de forte précipitation du sud des États-Unis (qui correspondent au maximum de l'écart entre les simulations de la précipitation) engendrent aussi un écart des simulations du champ de la hauteur du géopotentiel. Cet écart entre les simulations du champ de la hauteur du géopotentiel se développe dans les circulations cycloniques et atteint son maximum vers le nord-est (où la variance est maximale), avant de quitter le domaine. Utilisée comme une mesure de la variabilité interne à l'échelle saisonnière, la variance entre les moyennes saisonnières des membres de l'ensemble montre des valeurs importantes pour la statistique saisonnière du champ simulé sur les grands domaines. Cela suggère qu'une seule simulation pourrait produire des erreurs significatives dans l'estimation de la moyenne saisonnière du champ simulé, spécialement pour le champ de la précipitation. Notre expérience montre que les réductions de la taille du domaine diminuent la variabilité interne du modèle dans les aires convectives trouvées comme des aires de forte variabilité interne, mais une importante variation dans la distribution géographique et l'amplitude de la variabilité interne a été détectée à l'intérieur du domaine avec les réductions successives du domaine. Finalement, certains de nos résultats sont reliés au comportement complexe des simulations de l'ensemble durant la période d'intégration, en relevant l'habileté du modèle à générer des solutions bimodales des champs simulés sur les grands domaines d'intégration. La division de l'ensemble en deux groupes différents de simulations a généré pour une période courte de simulation deux estimations différentes du même champ simulé. Les résultats ont montré que cette division de l'ensemble coïncide avec la période durant laquelle la variabilité interne du modèle est maximale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional de climat, ensemble de simulations, variabilité interne.

Un Modèle Régional du Climat (MRC) est un important outil d'analyse pour les projections sur les changements climatiques et les implications engendrées à l'échelle régionale. Dans ce cas, le MRC est piloté à ses frontières par des données qui proviennent d'un Modèle de Circulation Générale Couplé (MCGC) qui, évidemment, contiennent des erreurs. Nous cherchons à savoir si le MRC amplifie ou atténue ces erreurs, et quelles répercussions ces erreurs à grande échelle ont sur les petites échelles générées par le MRC. Cette étude analyse la réponse d'un MRC aux erreurs contenues dans les données de pilotage en utilisant le protocole expérimental appelé « Grand Frère ». Elle permet de séparer les erreurs dues au pilotage des autres erreurs du modèle et d'évaluer les petites échelles développées par un MRC. Un climat de référence est établi comme le résultat d'une simulation d'un MRC à haute résolution effectuée sur un grand domaine: il est nommé le Grand Frère Parfait (GFP). Pour introduire d'une manière contrôlée des erreurs dans les données du pilote, un ensemble de simulations d'un MRC a été réalisé sur des domaines de plus en plus grands et avec une résolution plus faible : ces simulations sont nommées les Grands Frères Imparfaits (GFI). Les données de sorties du GFI sont utilisées, après le filtrage de petites échelles, pour piloter un autre ensemble de simulations du MRC sur un domaine plus petit, nommées Petits Frères (PF). Les différences entre les statistiques climatiques des simulations du GFI et celles du GFP illustrent les erreurs contenues dans les données de pilotage. La comparaison entre les statistiques climatiques des simulations du PF et celles du GFP permet d'évaluer les erreurs du MRC imputables au pilotage avec des données imparfaites. Les résultats d'expériences effectuées sur un domaine de l'est de l'Amérique du Nord pour la saison d'hiver montrent que le PF reproduit les erreurs des grandes échelles de son GFI et corrige partiellement les erreurs de petites échelles causées par la résolution grossière du pilote. Donc, pour la période et les domaines utilisés dans cette étude, le MRC est fortement dépendant de la qualité des données de pilotage. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional du Climat, Données de pilotage, Expérience Grand Frère, Petites échelles, Conditions aux frontières latérales.

La modélisation du climat à haute résolution est nécessaire pour une meilleure compréhension des impacts des changements climatiques. Les modèles régionaux du climat (MRC) constituent une des principales sources de ce type de données puisque les modèles de circulation générale (MCG) ne fonctionnent toujours pas à une résolution suffisante pour répondre à ces besoins. Une fois que les MRC sont devenus des outils capables de générer des simulations physiquement réalistes, un effort important a été fait pour évaluer leur capacité de mise à l'échelle, en se concentrant principalement sur des variables moyennées temporellement. Cet effort ne s'est pas traduit par des améliorations sans équivoque par rapport aux simulations produites par les MCG. L'objectif principal de cette étude est d'examiner l'existence de la valeur ajoutée dans les simulations du modèle régional Canadien du climat (MRCC) par rapport à celles du modèle de circulation général canadien (MCGC) utilisé comme pilote. Dans cette première étape, il a été nécessaire d'analyser les échelles temporelles et spatiales communes aux deux modèles, le MRCC et le MCGC. Une comparaison est effectuée en ramenant les données à haute résolution des stations météorologiques et du MRCC à la résolution du MCGC. L'évaluation se base sur la comparaison des histogrammes d'intensités de précipitation et des 95e centiles des distributions afin de caractériser les événements extrêmes. On estime le degré de chevauchement entre les distributions simulées et observées en utilisant la mesure S définie par Perkins et al. (2007). Cette dernière reflète principalement le comportement des intensités faibles et modérées. Les résultats montrent que les statistiques quotidiennes des précipitations simulées par le MGCC et le MRCC sont généralement très similaires. En comparant les résultats des deux modèles, il n'existe aucune preuve de l'existence de la valeur ajoutée. En outre, pendant l'été, les données simulées par le modèle MCGC sont plus proches des observations que celles générées par le MRCC. Cette amélioration provient d'une meilleure simulation de la fréquence des jours secs. Pour les événements quotidiens les plus intenses, le MCGC produit aussi des résultats plus proches des valeurs observées que le MRCC. Ce dernier montre une sous-estimation constante de la fréquence d'occurrence des événements intenses. C'est aussi le cas dans les régions caractérisées par d'importants forçages de surface, où la différence entre les topographies des deux modèles pourrait avoir un impact. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : MRCC, Mise à l'échelle, Précipitation, Valeur ajoutée, Histogrammes.

Cette thèse se penche sur différents aspects des cyclones tropicaux tels que simulés par des modèles de circulation générale (MCG) et un modèle régional de climat (MRC), le modèle régional de climat canadien (MRCC5). D'abord, nous évaluons la capacité d'un ensemble de MCG, utilisé dans le cadre du 4e rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat), à capturer les principales zones de cyclogenèse au travers d'indices dérivés à partir des champs atmosphériques favorables à la formation des cyclones tropicaux. En comparant les événements de cyclogenèse observés avec les deux indices calculés à partir de réanalyses et d'un ensemble de MCG, nous vérifions que les indices arrivent à relativement bien représenter la distribution actuelle des cyclones tropicaux, autant dans les modèles que les réanalyses. En comparant des simulations couvrant la période 2080-2100 avec la période présente, l'indice jugé plus stable projette une légère augmentation du nombre des tempêtes dans le Pacifique Ouest. Le deuxième partie de la thèse est consacrée à évaluer la capacité du MRCC5 à reproduire la climatologie des cyclones tropicaux observée durant la période 1979-2006. Plus précisément, nous évaluons l'impact d'une augmentation de la résolution sur les caractéristiques physiques des cyclones ainsi que sur leur distribution géographique, de même que l'impact des conditions aux frontières, de la technique de « downscaling » dynamique utilisée et de la taille du domaine sur les cyclones simulés. Une telle évaluation est une étape cruciale à toute étude d'impact des changements climatiques sur les ouragans. La distribution des cyclones est consistante avec la distribution d'un indice de cyclogenèse, ce qui permet de mieux comprendre les changements observés dans les différentes simulations. Aussi, nous évaluons la capacité du modèle à reproduire la variabilité interannuelle observée durant cette période, et plus particulièrement l'impact de l'oscillation australe d'El Niño (El Niño Southern Oscillation ou ENSO) sur la cyclogenèse. Finalement, nous étudions les ondes d'Est africaines, systèmes précurseurs des ouragans dans l'Atlantique, tel que simulées par le MRCC5 de même que leur relation avec les cyclones tropicaux de l'Atlantique. Règle générale, le MRCC5 arrive à reproduire de façon réaliste l'activité observée durant la période 1979-2006. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : cyclones tropicaux, indices de cyclogenèse, ondes d'Est africaines, modèle régional de climat, modèle de circulation générale