Дисертації з теми "Précipitations (météorologie) – Régions tropicales"

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, l’étude du cycle de l’eau et de l’énergie dans l’atmosphère est devenue primordiale. Dans le contexte de la mission Megha-Tropiques dédiée l’analyse de l’atmosphère tropicale, l’estimation du taux précipitant à la surface est une problématique essentielle. L’utilisation des données radiométriques MO pour l’estimation du taux précipitant à la surface terrestre, nécessite la mise en œuvre de méthodologies complexes qui reposent sur le problème inverse. Les travaux présentés dans cette thèse s’intéressent à l’algorithme de restitution des précipitations instantanées BRAIN de la mission MT. Son principe de fonctionnement repose sur une approche probabiliste baysienne qui nécessite la construction préalable d’une base de données dite d’inversion et à partir de laquelle le taux précipitant le plus probable pour un vecteur de températures de brillance donnée est estimé. L’objectif de cette étude était d’aporter des améliorations à cet algorithme en intervenant sur deux aspects fondamentaux qui sont : la détection des régions a priori pluvieuses en amont de l’estimation et de l’influence de la base de données et des paramètres d’inversions sur les produits restitués. Afin d’améliorer ces deux aspects, une nouvelle approche de discrimination des zones de pluie utilisant des réseaux de neurones a été mise en place au cours de cette thèse et sera implémentée dans la prochaine version opérationnelle de BRAIN. Une méthode de réduction de la base d’investigation a également été mise en œuvre afin de contraindre sa représentativité et donc la qualité des estimations réalisées
Within the framework of the global warming, the analysis of water and energy budget is of major importance. Considering the Megha-Tropiques (MT) mission whose one of the scientific objectives is to improve the knowledge of water and energy cycle in the intertropical region, the estimation of instantaneous surface rainfall is of the great importance. My PhD work focuses on the optimization of a multi-region, the estimation of instantaneous surface rainfall is of great importance. My PhD work focuses on the optimization of a multi-plateform Bayesian retrieval algorithm called BRAIN (Bayesian Retrieval Algorithm Including Neural Networks) (Viltard et al. , 2006) used for MT. This algorithm uses passive microwave data from satellites such as TRMM, SSM/I and AQUA. It uses a Bayesian Monte Carlo approach to retrieve several atmospheric parameters such as the instantaneous rainfall rate. In order to get a more accurate rainfall restitution, two research axes were investigated : the detection of a priori rainy areas that takes place before the rainfall estimation itself, and the impact of the database and inversion parameters. First, the database on which the algorithm relies needs to be more representative especially as far as high rain rates are concerned. To improve the representativeness of the inversion database, we need first to eliminate repetitive profiles, that is to say extract prototypes from it. To be made, we use Self Organizing Maps SO%s developed by T. Kohonen (2001). Second, the improvement of the rainy-non-rainy pixels classification before the inversion was made using neural networks

La variabilité interannuelle du Pacifique tropical est aujourd’hui principalement modulée par l’oscillation ElNiño/Oscillation Australe (ENSO). Étant donnés les forts impacts économiques et sanitaires de ce phénomène,la compréhension de son évolution au fil du temps représente un enjeu majeur. Étudier la variabilité ENSOdans différents contextes climatiques permet de comprendre comment celle-ci est reliée à l’état moyen duclimat. Nous utilisons des simulations climatiques de l’Holocène moyen (6 000 ans et 4 000 ans avant nosjours), du dernier maximum glaciaire (21 000 ans avant nos jours) et d’un climat théorique avec le dioxyde decarbone atmosphérique multiplié par quatre, réalisées avec plusieurs modèles numériques. Nous montrons que lavariabilité ENSO a des caractéristiques significativement différentes dans chaque contexte climatique. Les liensentre ces différences et l’état moyen du climat sont nombreux et non linéaires. L’étude des paléoclimats est alorsnécessaire pour comprendre les changements d’ENSO et pouvoir projeter son évolution future. De nombreusesarchives climatiques utilisées pour reconstruire le paléo-ENSO sont situées dans le sud-ouest du Pacifiquetropical, sous l’influence de la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ). Nous montrons que l’impactd’ENSO sur la position de la SPCZ change avec le climat. Or, celui-ci est déterminant pour l’interprétation dusignal issu des archives. Ainsi, les mécanismes reliant ENSO à la SPCZ dans le climat moderne ne peuvent pasêtre directement extrapolés à d’autres contextes climatiques. En combinant l’information des modèles et desarchives, nous pouvons avancer sur la compréhension des changements de variabilité dans le Pacifique sudouestet sur l’interprétation des enregistrements fossiles. En dernier lieu, nous abordons les changements de lavariabilité ENSO avec un nouvel angle de vue, celui de son rôle au sein du bilan énergétique global. D’aprèsles résultats du modèle IPSL-CM5A-LR, la contribution relative des événements El Niño à la redistributionglobale d’énergie est amoindrie à l’Holocène moyen, par rapport au climat moderne. Par ailleurs, la capacitédu Pacifique tropical à exporter l’énergie en moyenne est aussi réduite. Ainsi, la pompe à chaleur globaleconstituée par le Pacifique tropical est moins puissante à l’Holocène moyen, à la fois par la réduction de sacapacité moyenne à exporter que par la contribution amoindrie d’El Niño. Ce résultat suggère qu’il y a unecohérence entre le changement d’ENSO et le rôle de pompe à chaleur joué par le Pacifique tropical
Interannual variability in the tropical Pacific is mainly modulated by the El Niño / Southern Oscillation (ENSO).Understanding the time evolution of this phenomenon is a major issue, given its strong impacts on health andeconomics. Studying the ENSO variability in different climatic contexts allows us to understand its links to themean-state. We use climatic simulations of the mid-Holocene (6,000 years and 4,000 years before present),the last glacial maximum (21,000 years before present) and a theoretical climate with atmospheric carbondioxyde multiplied by four, computed with several numerical models. We show that ENSO characteristics aresignificantly different in the different climatic contexts. The links between these differences and the climatemean-state are numerous and non linear. Studying paleoclimates is then necessary to understand ENSOchanges and to be able to project its future evolution. Some of the past archives that are used to reconstructthe paleo-ENSO are located in the southwest Pacific, under the influence of the south Pacific convergencezone (SPCZ). We show that the impact of ENSO on the location of the SPCZ changes with the climate.This determines how to interpret archives’ records. Thus, the mechanisms linking ENSO to the SPCZ in themodern climate cannot be directly extrapolated to other climates. By combining information from models andarchives, we are able to improve our understanding on the variability changes in the southwest Pacific. Finally,we address the ENSO change with a new vision, through its role within the global energetic budget. Accordingto the IPSL-CM5A-LR model, the relative contribution of El Niño events to the global energy redistribution isreduced in the mid-Holocene, compared to the modern climate. The mean capacity of the tropical Pacific toexport its energy is reduced. Therefore, the global heat pump represented by the tropical Pacific is less powerfulin the mid-Holocene, both by its reduced capacity to export energy and by the reduced El Niño contribution.This result suggests that there is consistency between the ENSO change and the role of heat pump played bythe tropical Pacific

La complexité du climat repose en grande partie sur le cycle de l'eau. Dans les tropiques,l'eau atmosphérique est un paramètre clef,60% des précipitations globales ont lieu dans lestropiques. La compréhension du cycle de l'eau atmosphérique à l'échelle globale passe par l'utilisation d'observations satellites. Le satellite franco indien Megha-Tropiques, lancé en 2011, permet d'étudier pour la première fois des observations simultanées de l'humidité et de la pluie. La première partie de la thèse consiste en l'étude de l'impact d'un cyclone sur son environnement. Pour cela, un cas d'étude a été sélectionné (typhon Bopha) et undiagnostique a été réalisé pour étudier la production/ consommation d'humidité et de chaleur dans le typhon. La seconde partie de la thèse consiste en l'étude des relations entre les nuages et l'humidité dans la haute troposphère. Cette étude est réalisée au-dessus de l'océan Indien (entre 2011 et 2014) et au-dessus du Sahel (entre 2012 et 2015)
The complexity of the climate depends largely on the water cycle. In the tropics, atmosphericwater is a key parameter, 60% of global rainfall occurs in the tropics. The understandingof the atmospheric water cycle on a global scale need to use satellite observations. The Indo-French satellite Megha-Tropiques, launched in 2011, allows to study for the _rst time simultaneous observations from moisture and rain. The _rst part of the thesis is the study of the impact of a hurricane on its environment. For this, a case study was selected (Typhoon Bopha) and a diagnosis was performed to study the production / consumption of moisture and heat in the typhoon. The second part of the thesis is the study of the relationshipbetween clouds and humidity in the upper troposphere. This study was conducted over the Indian Ocean (between 2011 and 2014) and over the Sahel (between 2012 and 2015)

Les précipitations sont un phénomène dont la variabilité s'étend sur une très large gamme d'échelles : de l'échelle millimétrique de la goutte d'eau (échelle microphysique) à l'échelle des circulations atmosphériques globales (échelle synoptique). Il n'existe pas de système unique capable de fournir des observations des précipitations couvrant toutes ces échelles. Les observations satellite sont celles qui actuellement résolvent le plus efficacement les grandes échelles spatiales et temporelles : de la méso-échelle à l'échelle synoptique. Dans cette thèse, nous explorons en zone tropicale les capacités des satellites à résoudre les échelles spatiales de l'ordre de 100km, jusqu'aux échelles kilométriques ; et les échelles temporelles comprises entre 24 heures et 15 minutes (afin de résoudre le cycle diurne). L'approche retenue est physico-statistique. Si les grandes échelles peuvent être résolues par des approches déterministes combinant les mesures de multiples instruments spatiaux, plusieurs facteurs limitent la pertinence des approches déterministes à fine échelle : - Les limites instrumentales en terme de résolution spatiale. - Le nombre d'instruments en orbite qui limite la fréquence d'échantillonnage des mesures. - La nature dynamique de la variabilité fine échelle. En particulier, aux fines échelles, c'est la difficulté à parfaitement localiser les structures précipitantes qui entraine les erreurs d'estimation les plus importantes. L'approche physico-statistique est ici synonyme de déterministe (pour les grandes échelles) et probabiliste (pour les fines échelles). Le premier objectif de cette thèse est de déterminer précisément la limite des échelles qui peuvent être résolues de façon déterministe. L'approche physico-statistique de l'estimation des intensités de précipitation est implémentée dans cette thèse à partir d'une méthode multicapteur déterministe pré-existante : l'algorithme TAPEER, développé dans le cadre de la mission Megha-Tropiques, qui fournit une estimation du cumul pluviométrique journalier à une résolution de 1°. C'est la génération d'ensembles désagrégés par une méthode stochastique multi-échelle qui a été retenue ici. Les ensembles sont contraints par une information fine échelle : un masque de détection des aires précipitantes dérivé des images infrarouge metosat-SG à une résolution de 3km (et avec une image toutes les 15 minutes). La génération d'ensemble permet de caractériser l'incertitude sur l'estimation à travers la dispersion des réalisations de l'ensemble. Chaque réalisation de l'ensemble est générée de façon à reproduire le plus fidèlement possible les propriétés statistiques (distribution de fréquence des intensités, autocorrélation spatiale et temporelle) des véritables champs de précipitation. Ces champs et cette technique ont un apport pour les applications hydrologiques, par exemple pour améliorer le ruissellement lié aux précipitations intenses dans les modèles. Considérer plusieurs réalisations permet de plus d'étudier la propagation des incertitudes à travers un modèle
Rainfall variability involves a wide range of scales: from the millimeter-scale associated with microphysics to the synoptic scale of the global atmospheric circulation. No existing observation system is able to cover all these scales by itself. Satellite-based observation systems are currently the most efficient systems to resolve the large spatial and temporal scales: from mesoscale meteorology to the synoptic scale. This thesis is dedicated to the exploration of satellites ability to resolve spatial scales from 100km to 2km and temporal scales from 24h to 15 min (in order to resolve the diurnal cycle). The chosen approach is both physical and statistical (or deterministic and probabilistic). The idea is that the deterministic approach can resolve the large scales, but several factors limit its relevance when dealing with fine scales: -The limited resolution of the instruments. -The number of orbiting instruments that limits temporal sampling. -The dynamic nature of fine scale variability. At fines scales, most of the errors in rainfall estimation from satellite comes from not perfectly localizing the precipitating cells. The first objective of this thesis is to identify precisely the lowest limit in scale where the deterministic approach is appropriate. The implementation of the physical-statistical approach relies on an existing multisensor estimate of daily precipitation at a 1° resolution: the TAPEER algorithm developed as part of the Megha-Tropiques mission. The chosen method is a hybrid physical disaggregation and stochastic downscaling via a multiscale representation. The result is an ensemble of high-resolution probable realizations of the rain intensity field. The ensemble is constrained by a high resolution rain detection mask derived from meteosat-SG infrared images at 3km resolution (one image every 15 minutes). The uncertainty associated with the final estimation is handled through the ensemble dispersion. Every realization is generated so that its statistical properties (frequency distribution of the intensities, autocorrelation function) mimic those of the true rain field. The generated fields and the proposed technique contribute to hydrological applications for instance by improving the runoff associated to high precipitation rates in models. Using several realizations is a way to study uncertainty propagation through a model

On etudie la variabilite intra-saisonniere de l'atmosphere tropicale sur trois etes (juin a septembre 1983-85) afin de mettre en evidence des caracteristiques reproductibles des fluctuations de la convection et plus generalement de la nebulosite sur l'afrique et l'atlantique. Pour cela, on analyse les champs de rayonnement infrarouge mesures par le satellite geostationnaire meteosat et les analyses des champs meteorologiques du centre europeen de prevision a moyen terme (cepmmt). On montre notamment que le cycle diurne du rayonnement solaire incident influe fortement sur les processus de generation et dissipation de l'ensemble de la nebulosite tropicale, y compris ceux de la convection sur l'ocean. On etudie egalement les processus d'organisation de la convection autour de perturbations synoptiques quasi-periodiques (ondes d'est) et on met en evidence une oscillation stationnaire d'echelle synoptique de la convection profonde sur l'afrique centrale

L'étude des impacts du changement climatique actuel est soumise à plusieurs contraintes. Premièrement, si avant la révolution industrielle la variabilité du climat est uniquement conduite sur une large gamme d'échelle par des forçages naturels, cela n'est pas le cas au XXe siècle. Deuxièmement, les effets de ce changement montrent des variations significatives à l'échelle régionale. Ainsi, sur la base d'analyses spectrales, ces travaux réexaminent l'instabilité spatio-temporelle des téléconnexions entre la variabilité climatique globale du secteur Atlantique et les climats régionaux du NW Europe et de l'Afrique de l'Ouest. L'examen des longues séries climatiques de l'Angleterre et du Nord de la France révèle des tendances similaires pour les températures, mais désappariée pour les précipitations. Différente phase de renforcement des échelles de variabilité multi- et inter-décennale ont été détectée, ce qui suggère des " fluctuations " du control climatique global. Sur ces échelles, la relation statistique entre les températures et l'Oscillation Multi-décennale Atlantique (AMO) est marquée par un changement de phase au XIXe siècle. Les précipitations semblent cohérentes avec l'indice AMO à l'échelle 30-60 ans et avec l'Oscillation Nord Atlantique (NAO) aux échelles 50-80 et 16-23 ans. Toutefois, la relation NAO/pluie présente une grande instabilité en raison des fluctuations spatiales des régimes NAO. Après le Petit Age Glaciaire, les deux pôles semblent glisser vers le SW en hiver et printemps. De plus, une fraction de la variance du champ Nord-Atlantique de pression au niveau de la mer (SLPs), capturée par l'indice NAO, pourrait être associée à d'autres régimes atmosphériques. En Afrique de l'Ouest, l'étude des fluctuations temporelles de la variabilité des précipitations sahéliennes révèle une organisation zonale, plus particulièrement exacerbée à l'échelle quasi-décennale. Les téléconnexions avec les températures de surface (SSTs) de l'Atlantique, qui s'organise différemment suivant l'échelle de variabilité, présentent également des modifications d'Est en Ouest. Au cours du XXe siècle, les précipitations au Sahel semblent rarement s'établir simultanément avec les SSTs Atlantique Nord et Tropical Sud. Une relation en phase avec les SSTs de l'Atlantique Nord s'effectue uniquement lors des périodes humides (e.g. années 1950) aux échelles multi- ou quasi-décennale. Ces téléconnexions sont orientées selon un plan NW-SE, ce qui suggère des modulations non-uniformes du balancement de la ZCIT. Les téléconnexions avec les SSTs de l'Atlantique Tropical Sud sont associées à une structure dipolaire opposant les régions guinéenne et sahélienne. Cela s'accorde donc avec des modulations de la position latitudinales de la ZCIT. Néanmoins, celle-ci dépendrait de l'échelle, de la période étudiée et de l'état des SSTs du Pacifique. Les anomalies quasi-décennales impliquées dans ces contrastes zonaux varient au cours du temps. Dans les années 1950/60, le flanc occidental de l'Afrique de l'Ouest montre des variations du flux d'Harmattan, des mouvements ascendant sur la région sahélienne et des mouvements subsidents subtropicaux. Dans les années 1970/80, des fluctuations du gradient interhémisphérique de pression et température pourrait conduire des variations du flux de mousson, et plus généralement des décalages nord/sud de la ZCIT.

Modèle mathématique semi empirique décrivant la distribution cumulative des intensités de pluie quelle que soit la région du monde. Etude de l'influence des affaiblissements dus à la place sur la qualité de fonctionnement des systèmes et modèle de prévision des affaiblissements. Adaptation d'un des paramétres à chacune des regions du globe

La convection joue un rôle important dans le cycle de l'eau et de l'énergie des régions tropicales. Cette thèse s'intéresse à l'étude des systèmes convectifs dans les moussons africaines et indiennes par l'utilisation des observations issues de satellites météorologiques. Dans un premier temps, un nouvel algorithme appelé TOOCAN fondé sur une segmentation de l'imagerie IR en 3 dimensions (image+temps) a été développé dans le but de suivre de manière objective et automatique les systèmes convectifs. Cette nouvelle technique améliore la caractérisation de l'évolution du bouclier nuageux associé aux systèmes convectifs au cours de leur cycle de vie. Des composites des structures précipitantes au cours du cycle de vie du système nuageux organisé sont alors construits en fusionnant les données des satellites géostationnaires avec des estimations de précipitation issues des mesures micro-ondes à bord des satellites défilant. Ces techniques ont été appliquées aux données IR des satellites METEOSAT et aux données micro-ondes du satellite TRMM sur plusieurs saisons de mousson (JJAS 2002-2004) en Afrique de l'ouest et en Inde. Les résultats montrent que l'évolution temporelle de la nébulosité froide des systèmes convectifs est symétrique, avec une phase de croissance et de décroissance sur l'ensemble de la région d'étude. Il est aussi montré que les paramètres contraignants de ce modèle conceptuel de cycle de vie du nuage convectif sont fortement corrélés entre eux diminuant ainsi le nombre de degré de liberté du problème. L'utilisation de la méthode de fusion de données, permet de décrire l'évolution de la fraction précipitante et de la fraction convective au sein du système convectif. Ainsi, le cycle de vie des systèmes convectifs peuvent être décrits par trois phases : initiation, mature et dissipation. Ce schéma est robuste sur toute la région d'étude et les facteurs d'échelles de ce modèle idéalisé indiquent des spécificités régionales complexes.

La variabilité des relations reliant d'une part l'intensité de pluie moyenne, , à l'aire intégrale spatio -temporelle de la pluie, (ATI)R, et d'autre part le volume de pluie cumulé, V, à l'intégrale spatio-temporelle de la couverture nuageuse, (ATI) TB, à la transition entre un climat aride et un climat équatorial est analysée. La zone d'étude, localisée dans la partie la plus à l'est des côtes sahéliennes, est caractérisée par deux forts gradients du cumul saisonnier du volume de pluie, l'un terre-mer et l'autre nord-sud. La zone d'étude est ainsi subdivisée en 4 sous-zones qui permettent l'analyse de la variabilité des coefficients linéaires des relations étudiées par rapport aux gradients terre-mer et nord-sud du cumul saisonnier de la précipitation. A partir d'une base de données de 6 années (1994-1999) collectées avec le radar météorologique de Dakar Yoff, nous montrons que le coefficient linéaire S(tR) reliant et F(tR) pour différents seuils tR d'intensité de pluie est reproductible pour les 4 sous-zones, en accord avec le caractère ergodique de la distribution de l'intensité de pluie observée dans la région. Ceci montre que S(tR) est indépendant des caractéristiques climatiques locales. Ce résultat est démontré aussi bien pour l'échantillon " Ligne de Grains " que pour les échantillons " Ligne de Convection " et " Région Stratiforme " pris séparément. On montre aussi que pour optimisation de la méthode, il faut se placer à des seuils d'intensité de pluie proches des moyennes climatiques des échantillons considérés. Avec les données infrarouges de Meteosat et le volume de pluie estimé par radar pour 23 évènements pluvieux obtenus en regroupant les données de 4 saisons de pluie (de 1996 à 1999), nous établissons la relation entre V et l'(ATI)TB à différents seuils de température de brillance radiométrique tTB. On montre que la variabilité du paramètre linéaire G(tTB) reliant V et l'(ATI)TB est minimale pour les seuils tTB situés entre 243 et 235K, avec un coefficient de variation (CV) de seulement 8%, c'est à dire presque constant pour les 4 sous-zones. Pour tTB égal à 235K, la valeur moyenne de G(tTB) dans les 4 sous-zones est de 3,02 mmh-1, presque exactement la valeur trouvée pour l'indice GPI durant l'expérience GATE. La stabilité de G(tTB) suggère que les processus dynamiques et microphysiques qui soutendent la relation entre la pluie et l'intégrale spatio-temporelle de la couverture nuageuse correspondante sont faiblement influencés pas les caractéristiques climatiques locales. Ces résultats montrent, en accord avec, les conclusions d'études antérieures l'efficacité de la méthode ATI pour la mesure des précipitations cumulées depuis l'espace.

Les précipitations résultent d'un phénomène atmosphérique caractérisé par une variabilité spatiale et temporelle forte. Cette variabilité dans la distribution des pluies et des évènements intenses a des impacts en hydrologie de surface (e.g. inondations) variés selon les régions du monde. Toute modification du climat tropical est associée à une modification du cycle de l'eau et de l'énergie dans ces régions. Dans un contexte de changement climatique, il est donc important de développer des outils permettant d'estimer quantitativement les précipitations, à l'échelle du globe, à la fois sur les surfaces continentales et les surfaces océaniques. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'observation des précipitations depuis l'espace. En effet, la mesure des pluies nécessite une densité d'observations élevée qui, sur l'ensemble des Tropiques, n'est accessible qu'à partir d'observations spatiales. Depuis plusieurs décades, les moyens satellitaires à disposition ont beaucoup évolué et offrent aujourd'hui une densité d'observations de plus en plus fortes. Grâce aux nouvelles missions déployées telles que Megha-Tropiques au sein de la future constellation GPM (Global Precipitation Measurement), on a accès à un ensemble de systèmes d'observations qui amène à une densité accrue d'observations spatiales. L'estimation quantitative des précipitations n'était possible qu'à l'échelle mensuelle, il est maintenant envisageable d'estimer la pluie par satellite à des échelles de temps de plus en plus fines. Cette thèse s'intéresse aux échelles 1°/1-jour, échelle clé pour les études météorologiques et hydrologiques. Il existe un large spectre de méthodes d'estimations de précipitations par satellite, de qualité inégale. Dans un premier temps, une analyse des produits issus des développements les plus récents montre que leur qualité a atteint un degré suffisant pour être utilisé de manière quantitative aux échelles de temps pertinentes en météorologie. Il apparaît également qu'à ces échelles de temps, il est nécessaire d'utiliser les estimations de cumul de précipitations conjointement avec leurs barres d'erreurs. Une nouvelle méthode d'estimations de précipitations sur l'ensemble de la ceinture tropicale, appelé TAPEER (Tropical Amount of Precipitation with an Estimate of ERrors), est donc développée dans le but d'estimer des cumuls de pluie et leurs erreurs associées à l'échelle 1°/1-jour. Cette approche est fondée sur une méthode de fusion de données de l'imagerie Infrarouge d'une constellation de satellites géostationnaires et d'estimations de taux de pluie issues de radiomètres Micro-ondes d'une constellation de satellites défilant. Des techniques modélisations sont mises en oeuvre afin d'associer une erreur aux cumuls de pluie produits. Une investigation détaillée du bilan d'erreur de la méthode TAPEER montre que les sources principales d'incertitudes sont liées à l'échantillonnage et aux biais systématiques sur les taux de pluie d'intensité moyenne. Une étude sur l'été 2009 révèle l'importance de l'utilisation de la barre d'erreur dans l'analyse de la distribution des pluies, en particulier pour les plus forts cumuls sur la ceinture tropicale

La variabilité océanique est décrite à partir des principaux modes de variabilité. L'évolution temporelle des anomalies de températures de surface océanique (tso) montre que les décennies 70 et 80 ont été marquées par un réchauffement de l'atlantique sud et un refroidissement de l'atlantique nord. Durant cette même période le pacifique tropical et l'océan indien se sont réchauffés et les épisodes enso (El Nino/southern oscillation) se sont renforcés. La variabilité pluviométrique en Amérique tropicale à l'est des Andes est appréhendée grâce à un fichier en points de grille constitué à partir de 186 postes pluviométriques. L'évolution des précipitations continentales est associée à celle du gradient thermique atlantique et est modulée par les épisodes enso entre les années 50 et 70. Lors des enso récents on observe des déficits plus importants, en particulier au Nordeste. Des simulations numériques effectuées sur le modèle du laboratoire de météorologie dynamique, forcées par les tso observées entre 1970 et 1988, montrent que les déficits, en année enso et lorsque le gradient atlantique est oriente sud/nord, sont associés à des anomalies de subsidence sur le Nordeste et l'atlantique équatorial liés à des anomalies de la circulation cellulaire méridienne et zonale. Une série d'expériences effectuées avec le modèle arpège-climat force par des conditions de surface idéalisées indiquent, conformément à l'observation, que le gradient thermique atlantique favorise l'installation d'une cellule de circulation méridienne sur le Nordeste et l'atlantique. Le champ de pression de surface traduit les subsidences et ascendances de cette cellule. Les enso plus puissants des années 70 et 80 sont associés à un renforcement de la subsidence sur l'atlantique équatorial et le Nordeste, liée à la circulation zonale, cohérente avec les déficits accrus des dernières décennies
Oceanic variability is described through the main modes of variability. Time evolution of sea surface temperature (sst) show a warmer south Atlantic and a colder north Atlantic during the 70's and the 80's. This is concomitant of a warming of the pacific and Indian ocean and of stronger El Nino/southern oscillation (enso) episods. Rainfall variability in tropical South America (east of Andes) is described with a new dataset based on 186 stations. Rainfall time evolution, between the 50's and the 70's, is associated with the Atlantic sst gradient but is also modulate by enso. During the recent enso episods rainfall deficits are stronger, particularly in nordeste. Numerical experiments realised with the laboratoire de meteorologie dynamique atmospheric model show that, during an enso and when the atlantic gradient is south/north, subsidence anomalies occur on nordeste and equatorial atlantic. Numerical experiments conduct with the arpege-climat atmospheric model forced with idealised surface conditions show that the atlantic thermic gradient emphasizes a meridian circulation cell on nordeste and atlantic. Anomalies of the sea level pression field are associated with ascending and subsiding anomalies. During the 70's and 80's, subsiding anomalies are reinforced on equatorial atlantic and are linked with more important deficits in nordeste

Cette these represente une etude a echelle fine de la convection nuageuse tropicale oceanique et de ses effets a plus grande echelle, a l'aide des bilans thermodynamiques fournis par le modele numerique non-hydrostatique explicite de nuages du cnrm. On analyse une portion d'atmosphere correspondant typiquement a une colonne de modele de circulation generale. Les effets radiatifs (schema du cepmmt) ont ete inclus afin de traiter physiquement les interactions convection-rayonnement. De nouveaux diagnostics ont ete developpes afin d'analyser temporellement et spatialement le systeme et les mecanismes operants. On utilise des simulations bidimensionnelles (donnees gate) poursuivies sur quelques jours, pour caracteriser le regime convectif et sa sensibilite (dans un cas de convection peu organisee), et des simulations tridimensionnelles (donnees toga-coare) poursuivies sur une demi-journee, avec inclusion de la phase glace, pour etudier dans le detail un evenement convectif precis (cas observe de lignes convectives). Relativement aux schemas de convection, l'interet de cette approche est de fournir des elements de comparaison et de reflexion difficiles a obtenir a partir des observations seules. Les simulations bidimensionnelles montrent une grande variabilite temporelle de l'activite convective et des transferts verticaux de vapeur d'eau importante, responsables pour ce cas d'une humidification systematique dans les hautes couches nuageuses. Les effets radiatifs intensifient l'activite convective et le cycle diurne du rayonnement represente un facteur de controle conduisant a un maximum d'activite convective pendant la nuit pour les convergences de grande echelle faibles. L'analyse des simulations tridimensionnelles basee sur une partition du systeme en zones internes (convectives, ciel clair) met en evidence les points suivants. On observe un equilibre de masse entre ces zones, ou intervient la masse de l'eau sous ses differentes phases, resultant d'importants mecanismes de compensation. La connaissance du flux de masse en nuages permet d'estimer correctement le rechauffement/assechement par degagement de chaleur latente. En revanche, la somme des flux resolus a l'echelle des zones internes conduit a une large sous-estimation des flux convectifs. Enfin, cette analyse montre la presence conjointe d'une couche de convection peu profonde dans la simulation, qui est responsable d'un minimum d'assechement dans les basses couches

Le syndrome de double zone de convergence intertropicale (ITCZ) est un biais systématique dont souffrent la majorité des modèles de circulation générale (GCM). Les causes de ce comportement problématique ne sont toujours pas élucidées. Le but de la thèse est d'apporter des éléments de réponses à ce sujet et de suggérer des pistes d'amélioration des GCMs. Le travail de thèse a mis en évidence l'importance des rétroactions couplées océan-atmosphère et dynamique-thermodynamique dans la structure de l'ITCZ. Dans un premier temps, les mécanismes à l'origine de l'émergence de régimes de précipitations distincts en réponse à différents forçages en température de surface de la mer (SST) ont été analysés, dans les GCMs atmosphériques ARPEGE-Climat et LMDz, en configuration aquaplanète. La transition du régime double à deux ITCZ vers le régime simple à une seule ITCZ a été plus particulièrement analysée. Dans les deux modèles, cette transition est forcée par la convergence des vents de basses couches associée aux changements de gradients méridiens de température de couche limite. Les rétroactions sèches et humides modulent la transition en favorisant ou en s'opposant au forçage par les SST. Les rétroactions dynamiques sèches sont associées l'advection horizontale d'air froid subtropical. Les rétroactions humides, présentes uniquement dans LMDz, sont associées à la convection et incluent le refroidissement stratosphérique et celui de la couche limite dû aux courants convectifs descendants. Les processus humides sont déterminants pour la structure de l'ITCZ par leur influence sur le profil vertical de chauffage diabatique et sur les rétroactions convection-humidité, deux grandeurs très sensibles au schéma de convection et, en particulier, à l'entraînement latéral convectif. Une analyse de l'influence de l'entraînement latéral convectif sur l'ITCZ est effectuée en utilisant le GCM CNRM-CM5 dans une hiérarchie de modèles (couplé océan-atmosphère, atmosphérique et aquaplanète) et montre que la sensibilité de l'ITCZ à ce paramètre est robuste dans les différentes configurations. L'augmentation de l'entraînement convectif réduit considérablement la double ITCZ. Ce changement de structure de l'ITCZ est associé à un changement de la circulation tropicale résultant de rétroactions entre convection et dynamique de grande échelle. En plus de la dynamique verticale, la SST et les rétroactions couplées sont déterminantes pour la structure de l'ITCZ. Les études de sensibilité à l'entraînement latéral convectif montrent que les rétroactions couplées amplifient le biais de double ITCZ. L'analyse multi-modèle des GCMs CMIP5 montre que les processus thermodynamiques associés à la SST sont en grande partie responsables du problème de double ITCZ dans les simulations couplées
The spurious double intertropical convergence zone (ITCZ) is a systematic bias affecting state-of-the-art coupled general circulation models (GCM); there is still no consensus on its causes. The goal of this thesis is to shed some light on this outstanding problem toward the improvement of climate model performances. This work emphasizes the roles of coupled ocean-atmosphere and dynamics-thermodynamics feedbacks in the ITCZ structure. The first step was to study the response of the atmospheric GCMs ARPEGE-climat and LMDz in aquaplanet configuration, to a range of SST latitudinal distributions. The purpose was to investigate the existence of multiple precipitation regimes, explore their characteristics and untangle the mechanisms at play in regime transition. The transition from the double regime with two ITCZs to the single regime with only one ITCZ at the equator was analyzed. In both models, the transition between these regimes is mainly driven by changes in the low-level convergence that are forced by the atmospheric boundary layer temperature gradients. Model-dependent, dry and moist feedbacks intervene to reinforce or weaken the effect of the temperature forcing. Dry dynamical feedbacks are mainly driven by horizontal advection of cold subtropical air. Moist thermodynamics which are only active in LMDz; they act as negative feedbacks on low-level convergence and are associated with cooling in the stratospheric cold top and in the boundary layer by convective downdrafts. Moist processes play a crucial role in the ITCZ structure through their influence on the vertical profile of convective heating and modulation of moisture-convection feedbacks, two variables that are very sensitive to the convection scheme and, in particular, to lateral convective entrainment. The influence of lateral convective entrainment on the ITCZ structure is analyzed through a hierarchy of model configurations (coupled ocean-atmosphere, atmospheric and aquaplanet) using the CNRM-CM5 GCM. The sensitivity of the ITCZ structure to this parameter is robust across our hierarchy of models. In response to an increased entrainment rate, the realistic simulations exhibit a weakening of the southern side of the double ITCZ over the southeastern Pacific. The change in ITCZ configuration is associated with a more realistic representation of the tropical circulation driven by feedbacks between large-scale dynamics and deep convection. Together with vertical dynamics, SST and associated coupled feedbacks drive the ITCZ location. Sensitivity experiments to lateral entrainment show that ocean-atmosphere feedbacks amplify the double ITCZ bias. A multi-model analysis using CMIP5 GCMs show that the double ITCZ bias has become small in atmosphere-only simulations, and that coupled atmosphere-ocean feedbacks account for a large part of this bias in coupled simulations

Le changement climatique global participe à la redistribution des ressources en eau à l’échelle de la planète. Les impacts sont particulièrement notables en région de montagne où les gradients de précipitations et de températures sont très importants. Dans les régions tropicales de hautes altitudes, au sein desquelles la variabilité spatiale des précipitations est forte, l’estimation de cette variable sur une large gamme d’échelles d’intérêt pour les climatologues, météorologues et hydrologues est un défi. La modélisation glacio-hydrologique a pour but de comprendre les processus observés actuellement pour avoir la capacité de donner des réponses sur les évolutions possibles des écoulements qui seront causés par un changement climatique et une évolution des activités anthropiques. L’enjeu d’une telle modélisation, en zone de montagne tropicale, est de reproduire non seulement l’évolution saisonnière du débit, mais aussi l’évolution annuelle et pluri-annuelle des zones englacées. Cependant, ce type d’étude reste limité par la régionalisation des variables météorologiques. Durant l’année hydrologique 2012/2013, trois types de produits de précipitations (mesures de terrain, données satellitaires, sorties de modèle climatique régional (MCR)) sont tout d’abord comparés sur le bassin versant du Rio Santa au Pérou, d’un superficie de 10 400 km², dont 3,3 % est englacée, puis l’impact de ces différentes variables de forçage sur les sorties d’un modèle glacio-hydrologiques semi-distribué est évalué.Le produit satellite est celui de TRMM3B42; les sorties du MCR sont celles de WRF, à trois résolutions imbriquées : 27, 9 et 3 km ; les données journalières de précipitations sont interpolées en utilisant un algorithme de krigeage avec dérive externe (KED), en appliquant l’altitude ou bien les cumuls annuels des sorties de WRF comme dérive externe. Les sorties de WRF surestiment fortement les cumuls annuels, comparées aux produits TRMM ou KED. La physique du modèle permet cependant d’avoir un produit qui restitue correctement les cycles temporels saisonnier et journalier des précipitations. Le produit satellitaire TRMM montre des erreurs dans la saisonnalité des précipitations au niveau des pixels englacés, et une surestimation des cumuls en saison sèche, et en fait un produit qui n’est pas représentatif des champs de précipitations en zone de montagne. Les produits de krigeage sont de bons interpolateurs des précipitations à une résolution de 3 km. L’utilisation de l’altitude comme dérive, entraîne une augmentation des précipitations jusqu’aux plus hauts sommets de la Cordillère Blanche ; l’utilisation des cumuls de WRF bénéficie de la prise en compte de la physique atmosphérique du modèle pour correctement représenter les précipitations orographiques. Malgré une forte surestimation des volumes précipités, la modélisation climatique fournit, pour des zones de topographie complexe peu échantillonnées, des informations essentielles sur la temporalité et la distribution spatiale des précipitations. Cependant, les mesures in situ restent essentielles pour estimer les précipitations en termes de quantités et développer des méthodes d’interpolation ou de correction des sorties de modèle atmosphérique.La modélisation glacio-hydrologique est réalisée avec l’outil DHSVM-GDM, incluant une représentation des zones englacées et de la dynamique glaciaire. La force de cet outil est de pouvoir évaluer l’ensemble des composantes du bilan en eau, à différents pas de temps. Cependant, il reste difficile de représenter correctement à la fois les zones glaciaires et les zones non englacés sur un bassin versant tel que celui du Rio Santa. L’utilisation de différentes variables de forçage montre qu’une étude approfondie sur la variable de précipitations est nécessaire en amont de tout modélisation glacio-hydrologique pour simuler les zones de hautes altitudes, impactant les résultats de la modélisation en terme de perte en volume glaciaire
Global climate change participates in the redistribution of water resources at the global scale. Impacts are particularly important in mountainous regions where precipitation and temperature gradients are important. In high altitude tropical regions, where precipitation spatial variability is significant, the estimation of precipitation over the broad range of scales of interest for climatologists, meteorologists and hydrologists is challenging. Glacio-hydrological modeling aims at understanding current processes in order to have the ability to give answer on possible evolutions of stream flow that will be caused by climatic changes and the development of anthropogenic activities. The issue of such modeling, in a tropical mountain area, is to reproduce not only the evolution of seasonal flow, but the annual and multi-annual evolution of glaciated areas. However, this type of study is limited by the regionalization of meteorological variables. During the hydrological year 2012/2013, three types of precipitation products (in situ data, satellite data, outputs from a regional climate model (RCM)) are first compared over the Rio Santa watershed in Peru, with an area of 10400 km² which 3.3 % is glaciated, then the impacts of those forcing variables on the outputs of a semi-distributed glacio-hydrological model are evaluated.The satellite product is TRMM 3B42 ; RCM outputs are obtained from WRF at three nested resolutions: 27, 9 and 3 km; daily in situ data are interpolated using a kriging with external drift (KED) algorithm, with the altitude or WRF annual amounts as the external drift. WRF outputs largely overestimate the annual totals, compared to TRMM or KED. However, the physics of the model allows to accurately reproduce the seasonal and daily time cycles of precipitation. TRMM performs poorly over ice covered surfaces and overestimate monthly value during the dry season, making it non representative of precipitation patterns in mountainous areas. Kriging products are good interpolators of precipitation at 3 km resolution. Using altitude as the external drift results in an increase of precipitation to the highest peaks of the Cordillera Blanca; using annual totals of WRF benefits from the atmospheric physic of the model to correctly represent orographic precipitation. Despite a strong overestimation of precipitation quantities, climate modeling provides, for sub-sampled complex topographic area, essential information on the temporal and spatial distribution of precipitation. However, in situ measurements remain essential to estimate precipitation in terms of quantities, and develop interpolation or correction methods of atmospheric model outputs.Glacio-hydrological modeling is performed with the DHSVM-GDM model, including the simulation of glaciated areas and of the glacier dynamic. The strength of such model is to assess the overall element of the water balance, at different time steps. However, it remains difficult to properly represent both the glaciated and non-glaciated areas on a watershed such as the Rio Santa. Using various forcing variables show that a comprehensive study on precipitation is needed before any glacio-hydrological modeling to simulate high altitudes area, impacting the modeling results in terms of ice volume loss

Les travaux présentés portent sur l'évaluation de prévisions météorologiques probabilistes issues de systèmes de prévision d'ensemble. Les principaux critères utilisés sont les termes de résolution et de fiabilité du score de Brier. Les prévisions issues de systèmes opérationnels sont comparées à celles obtenues par des méthodes statistiques à partir de l'intégration unique d'un modèle de prévision. On s'intéresse également à des systèmes de prévision d'ensemble consistant à regrouper les prévisions issues de quelques centres opérationnels. Les conditions requises pour une estimation réaliste de la performance de prévisions issues d'un ensemble sont examinées par ailleurs. La variabilité spatiale et temporelle de la fiabilité impose une stratification des données que ne permettent pas toujours les échantillons de taille réduite disponibles pour la vérification. Un autre problème essentiel est celui de la catégorisation des probabilités prévues, qui permet la décomposition du score de Brier
Probabilistic meteorological forecasts based on ensemble prediction systems are evaluated. The resolution and reliability components of the decomposition of the Brier score are used for quantifying the performance. Probabilistic forecasts based on operational ensembles are compared to those obtained from a single model run, through a statistical scheme. " Poorman ensembles ", consisting of a few deterministic forecasts run in different operational centres, are evaluated too. The conditions for a realistic estimation of the performance of ensemble based probabilistic forecasts are also investigated. The spatial and interannual variability of the reliability implies a strong stratification of the data, that is not always possible with available samples limited in size. Another, essential issue is the categorization of forecast probabilities, required for achieving the decomposition of the Brier score

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.

Dans le cadre des responsabilités du CMRS de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRMGAME, cette thèse a été proposée pour explorer diverses pistes visant à améliorer la description des cyclones et leur prévision dans un modèle à méso-échelle sur l'océan Indien. Deux axes principaux ont été envisagés : l'utilisation de pseudo-observations de contenu intégré en vapeur d'eau (TCWV) dérivé des analyses du CEPMMT dans les zones nuageuses / pluvieuses conjointement à l'utilisation d'un bogus de vents 3D pour contraindre la position, la taille et l'intensité des cyclones tropicaux et l'utilisation des variances d'erreur "du jour" dans l'algorithme d'assimilation. Tant l'analyse et la prévision de la position que celles de l'intensité nous intéressent : les diagnostics sont donc ciblés sur les améliorations de celles-ci. Attendu que les cyclones tropicaux présentent une large zone nuageuse / pluvieuse dépourvue d'observations assimilées, nous nous intéressons aux impacts des pseudo-données de TCWV dans ces zones, données susceptibles d'apporter une information nouvelle, aidant à mieux contraindre l'analyse. Les pseudo-observations de TCWV en milieu nuageux / pluvieux sont obtenues à partir d'un algorithme construit en corrélant le TCWV des analyses 1D-VAR du CEPMMT avec les températures de brillance microondes des instruments SSM/I sur le sud-ouest de l'océan Indien. Ces données sont assimilées en mode 3D-VAR dans le modèle ALADIN Réunion ainsi qu'un bogus de vents 3D développé à la CRC. L'étude de 5 semaines couvre trois cyclones intenses sur ce bassin, en 2007. Les impacts sont très positifs en terme de réduction d'erreur de position : plus de 75% de réduction de cette erreur à l'analyse et un impact de ce meilleur positionnement dans les prévisions, avec un impact positif et statistiquement significatif jusqu'à 24h. L'apport des données de TCWV est notable en terme d'amélioration structurelle : dans une comparaison aux données de pluies instantanées du satellite TMI, l'expérience assimilant le bogus de vents 3D et les données de TCWV nuageuses / pluvieuses ressort comme étant la plus réaliste. Le rayon des vents maximaux, la position des bandes spiralées périphériques et les asymétries des cyclones tropicaux sont mieux décrits grâce au cyclage du TCWV et sont en meilleur accord avec les observations TMI. Pour explorer les impacts d'une cascade d'échelle d'ALADIN Réunion, une version du modèle AROME a été implémentée sur une partie du bassin du sud-ouest de l'océan Indien et intégrant la Réunion. L'orographie plus réaliste du modèle AROME Réunion à 4 km de résolution horizontale permet de bien capturer les précipitations cycloniques. Les réflectivités radar simulées semblent cohérentes avec les structures observées par le radar du Colorado à l'île de la Réunion et les structures de fine échelle sont moins étalées mais plus intenses dans AROME Réunion. .
Is part of the responsibilities of the RSMC of La Reunion and in line with the research topics of the LaCy and the CNRM-GAME, this PhD thesis has been suggested so as to investigate leads that would help better describe and predict tropical cyclones in a mesoscale model over the Indian ocean. Two main topics were investigated : the use of pseudo-observations of total column water vapour (TCWV) derived from the ECMWF analyses in cloudy/rainy areas jointly with a 3D wind bogus so as to constrain position, size and intensity of tropical cycles, and the use of error variances "of the day" in the data assimilation algorithm. We are interested equally in the position and intensity analyses and forecasts : scores and diagnostics thus target those two quantities. Since tropical cyclones exhibit large circular, cloudy/rainy areas which are devoid of observations that can be assimilated, we look at the impacts of those pseudo-observations of TCWV when assimilated in those areas. It is expected that this data can bring new information to the data assimilation system, thus helping constrain the analysis. The pseudo-observations of TCWV in cloudy/rainy areas are derived from an algorithm built by correlating the ECMWF's 1D-VAR TCWV analyses with the SSM/I brightness temperatures, over the southwest Indian ocean bassin. The TCWV data is then assimilated in a 5-week study during the year 2007, study which covered three intense cyclones over the basin. The TCWV data assimilation is done in 3D-VAR mode in the ALADIN Reunion model and is completed by the use of a 3D wind bogus, developed internally at the CRC. The impacts are very positive in terms of direct position error reduction : at analysis, the error was lowered by 75% and through this better positioning, a positive impact was further seen in the forecasts up to 24h, with statistical significance. The TCWV data impact is most notable in terms of structural improvement : when compared to TMI instantaneous rain rates, the experiment that assimilated both the 3D wind bogus and the TCWV data stands out as reproducing the most realistic cyclonic features. The radius of maximum winds, the pattern of spiral rainbands and the general asymetries of the tropical cyclones are better described thanks to the cycling of this data and are in better agreement with the TMI observations. In order to explore the impact of downscaling from ALADIN Reunion, a version of the high resolution model AROME has been implemented over a part of the southwest Indian ocean and covers Reunion island. The sharper, more realistic orography of the AROME Reunion model at 4 km horizontal resolution allows to better capture cyclonic precipitations. .

Les techniques en ondelettes pour l'étude des structures géophysiques dans le domaine atmosphérique sont passées en revue afin de compléter les outils couramment utilisés (FFT. . . ). Leurs contributions résident dans l'analyse visuelle et de synthèse de l'information des phénomènes géophysiques multi-échelles et / ou non-stationnaires et de leur quantification. Notre étude porte également sur les ondes de gravité qui jouent un rôle essentiel dans la circulation générale et qui restent mal documentées dans la région tropicale de l'hémisphère Sud dû à un manque de mesures expérimentales. Les techniques en ondelettes sont appliquées aux mesures à haute résolution issues des radiosondages (La Réunion, Irène, Tromelin) et du Lidar Rayleigh (La Réunion) pour l'analyse des ondes de gravité dans la basse et moyenne atmosphère. Dans la première partie, nous rappelons principalement le contexte historique des techniques en ondelettes, les descriptions et les théories des structures ondulatoires, en particulier des ondes de gravité en région tropicale. Dans une seconde partie, nous présentons les techniques en ondelettes : la transformée en ondelettes continues et les analyses multirésolution et en paquets d'ondelettes. Leur utilisation pratique est illustrée sur des signaux académiques. Dans une troisième partie, des études géophysiques soulignent la variabilité multi-échelle de l'ozone induite par les ondes de gravité dans la basse atmosphère au-dessus de la Réunion et Irène. De nouvelles méthodes, issues de l'analyse en ondelettes, sont proposés pour estimer les paramètres d'ondes de gravité à partir des données température du Lidar et pour suivre leur évolution spatio-temporelle. Pour finir, une étude climatologique préliminaire des paramètres spectraux des modes cohérents, extraits des données de Tromelin par la transformée en ondulettes continues, révèle le rôle prépondérant de la génération des ondes de gravité en région tropicale, particulièrement en été.

Les orages tropicaux jouent un rôle incertain dans le transport de l'air troposphérique dans la stratosphère limitant notre capacité à prévoir le climat futur. Le transport par les orages pourrait en effet être sous-estimé dans les modèles de climat aux résolutions trop grossières. L'efficacité de ce transport est analysée à partir de simulations numériques de l'orage Hector the Convector jusqu'à une résolution de 100 m, la plus fine jamais utilisée pour un cas de convection très profonde. Les percées nuageuses, qui avaient été observées à son sommet à 18 km d'altitude, sont reproduites et l'hydratation nette de la stratosphère est quantifiée. La contribution des orages tropicaux au flux d'eau de la troposphère à la stratosphère est ainsi estimée à près de 20 %. La quasi-convergence aux résolutions de 200 m et 100 m suggère que de telles résolutions sont nécessaires pour représenter correctement les ascendances. L'analyse individuelle des ascendances indique que les deux plus grandes contribuent à plus de 90 % du flux de masse vers la basse stratosphère. Elles sont plus larges, plus puissantes et contiennent plus d'eau que les plus grandes ascendances une heure avant et une heure après, et leur cœur convectif apparaît très peu dilué. L'alimentation en surface par des lignes de convergence intensifiées par des poches froides et la faible dilution des deux plus grandes ascendances sont déterminantes dans l'apparition de la convection très profonde. L'analyse isentropique de la circulation générale dans Hector confirme le flux de masse calculé par l'analyse des ascendances. Elle le corrige dans les basses couches en prenant en compte les flux turbulents, et en haute troposphère en filtrant les ondes de gravité. Elle met en évidence l'importance du dégagement de chaleur latente dû à la congélation dans les plus grandes ascendances pendant la phase de percée en stratosphère
The tropical thunderstorms play an uncertain role in the transport of tropospheric air into the stratosphere, limiting our capability to predict the future climate. The transport by the thunderstorms may be underestimated by the climate models, due to their coarse resolutions. The efficiency of this transport is analysed using numerical simulations of the thunderstorm Hector the Convector with resolutions down to 100 m, the finest ever used for a case of very deep convection. The overshoots, that were observed at its top at 18 km altitude, are captured and the net hydration of the stratosphere is quantified. The contribution of the tropical thunderstorms to the water flux from the troposphere to the stratosphere is then estimated to about 20 %. The almost convergence at 200 m and 100 m suggests that such resolutions are necessary to correctly represent the updafts. The individual analysis of the updrafts indicates that the two tallest contribute beyond 90 % of the mass flux into the stratosphere. They are larger, more vigorous and contain more water than the tallest updrafts one hour before and one hour after, and their convective core was weakly diluted. The supply from the surface by the convergence lines, intensified by the cold pools, and the weak dilution of the two tallest updrafts are determinant for the development of very deep convection. The isentropic analysis of the overturning inside Hector confirms the mass flux computed with the updrafts analysis. It corrects the estimate in the lower troposphere by taking into account the turbulent flux, and in the upper troposphere by filtering out the gravity waves. It highlights the importance of the latent heating due to freezing in the two tallest updrafts during the phase of overshoot in the stratosphere

De nombreux travaux indiquent qu'il est important d'étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l'Amérique du Sud. J'ai effectué une validation de l'outil en complément d'une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d'espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d'un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l'échelle locale des difficultés venant d'une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l'initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l'initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d'une sur-estimation des émissions 'a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l'impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle.

La prévision d'anomalies saisonnières et intrasaisonnières des précipitations est utile dans des domaines tels que l'agriculture et la gestion de l'eau, ainsi que dans la prévention des catastrophes climatiques dans les pays tropicaux. Les anomalies de température de la surface de la mer (Sea Surface Temperature; SST) associées au forçage El Nino/Southern Oscillation (ENSO) constituent une source majeure de prévisibilité dans les tropiques. En effectuant une mise à l'échelle dynamique des prévisions de modèles de circulation générale (MCG), les modèles régionaux du climat (MRC), grâce à leur résolution accrue, pourraient permettre une bonne prévision de ces anomalies saisonnières et intrasaisonnières dans les tropiques. Cette étude constitue une évaluation de l'habilité d'un MRC (le Rossby Center Regional Atmospheric Model version 3; RCA) à effectuer une mise à l'échelle des anomalies de SST et circulation de grande échelle associées au forçage ENSO. RCA est configuré sur un domaine comprenant l'est de l'Océan Pacifique tropical et les tropiques américaines, et il est exécuté pour 27 années différentes pour la période 1979-2005. Le modèle utilise comme conditions aux frontières les SST observées et les réanalyses du European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) pour la circulation de grande échelle. Nous étudions la performance de RCA à représenter les patrons régionaux de précipitation dans les tropiques américaines, en se concentrant sur la climatologie et la variabilité saisonnière et intrasaisonnière associée à ENSO. Les statistiques intrasaisonnières à l'étude sont la distribution de l'intensité de précipitation ainsi que les moments de transition entre les saisons sèches et humides. Deux articles acceptés pour publication dans la revue Tellus Series A : Dynamic Meteorology and Oceanography sont présentés ici, le premier se concentrant sur l'échelle saisonnière et le second sur l'échelle intrasaisonnière. Il est démontré que le modèle RCA reproduit la majorité des caractéristiques régionales de la précipitation ainsi que la variabilité de la précipitation associée à ENSO. Cette étude est une évaluation préliminaire pour le modèle RCA, qui devrait être suivie par une analyse plus poussée qui utiliserait des conditions aux frontières provenant d'un MCG. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional du Climat, ENSO, Variabilité interannuelle, Précipitation, Tropiques américaines.

Les liens entre le climat et la dynamique des aquifères canadiens sont encore mal connus. L'analyse des phénomènes climatiques à grande échelle, qui s'est avérée utile pour comprendre les causes des fluctuations interannuelles des débits en rivière, pourrait également expliquer en partie les cycles observés dans les chroniques de niveaux piézométriques. Ce mémoire a pour objectif d'étudier les causes de la variabilité de ces chroniques. Les analyses en ondelettes et de corrélation sont appliquées sur des chroniques piézométriques, de précipitations et de températures dans trois régions du Canada. Des liens de cause à effet sont recherchés avec quatre indices climatiques: l'Oscillation Nord-Atlantique (ONA), l'Oscillation Arctique (OA), l'indice Pacifique-Amérique du Nord (PAN) et l'anomalie de température au-dessus de la zone Niño-3 (ENSO3). Dans une optique de développement durable, l'étude vise à mieux comprendre le système hydrométéorologique dans son ensemble permettant éventuellement une meilleure gestion de la ressource en eau. Les trois zones choisies sont situées à l'est, au centre et à l'ouest du Canada, pour tenter de représenter des conditions climatiques et géographiques très différentes, soit: l'Ile-du-Prince-Édouard, le sud du Manitoba près de Winnipeg et l'extrême sud de l'Île de Vancouver en Colombie-Britannique. Chacune de ces régions compte trois puits de surveillance qui possèdent des séries de niveaux d'eau d'au moins 32 ans. Sept des neuf unités aquifères étudiées sont à nappe libre. Ces unités sont granulaires pour les sites à l'Île-du-Prince-Édouard, au Manitoba et en Colombie-Britannique. Les chroniques de 32 ans (1974-2005) permettent de décrire les fluctuations interannuelles de périodes de six années ou moins. Les analyses en ondelettes sont donc présentées sous forme de moyenne de périodicité pour des bandes temporelles spécifiques de 2-3 ans et de 3-6 ans. Les résultats révèlent des liens entre certains indices climatiques et les niveaux piézométriques, et par extension avec la recharge, dans chacune des régions ciblées. Dans les trois régions, des corrélations significatives sont observées entre les indices climatiques et les séries piézométriques, surtout pour la bande 3-6 ans. Plus spécifiquement, pour l'Île-du-Prince-Édouard, l'indice ENSO3 est l'anomalie climatique correspondant le mieux à la variable hydrogéologique et ce, dans les deux bandes de variabilité. Dans les prairies, des interactions fortes sont présentes pour les deux bandes de variabilité avec l'indice PAN. À l'Île de Vancouver, les plus fortes relations concernent les indices PAN et l'indice ENSO3 pour la bande de 3-6 ans ainsi que l'ONA pour la bande 2-3 ans. De façon surprenante dans la plupart des cas, les corrélations observées entre les indices climatiques et les séries piézométriques s'avèrent plus fortes que celles obtenues avec les températures et les précipitations, ce qui pourrait provenir du fait que les séries piézométriques sont influencées par une combinaison de variables climatiques. Ces résultats montrent que la variabilité interannuelle des chroniques piézométriques canadiennes peut être expliquée en partie par les phénomènes climatiques à grande échelle. Ils ouvrent la voie à l'intégration de séries d'indices climatiques dans les calculs de prévision des niveaux d'eau souterraine, améliorant ainsi la capacité de gestion de la ressource en eau souterraine. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Niveaux piézométriques, Précipitations, Températures, Indices climatiques, Analyse en ondelettes, Variabilité interannuelle, Canada.