Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface. / Along the southern margin of permafrost, the boreal forest is underlain by ice-rich and relatively warm permafrost which is converted into permafrost-free peatlands and lake ecosystems due to warmer temperatures and increased thaw rates. At the same time, in the continuous permafrost zone the tree-line of the boreal forest is advancing northward into what is currently Arctic tundra. Both land cover changes in the Taiga Plains ecozone are affecting the magnitude of complex feedback loops, including regional biophysical feedbacks through altered net water vapor and heat exchanges caused by changes in land surface albedo, hydrology and surface roughness. Changes affecting the ecosystems are numerous and it is currently hard to estimate the direction (positive or negative) and magnitude of the resulting biophysical feedbacks. To improve our understanding of implications arising from land cover changes, the energy and water exchanges between surface and atmosphere at three sites in the Northwest Territories, Canada are characterized: Scotty Creek (boreal forest-peatland landscape with sporadic permafrost), Havikpak Creek (boreal forest with continuous permafrost) and Trail Valley Creek (tundra with continuous permafrost). The results of this study are based on measurements of water vapor and heat fluxes obtained with the eddy covariance technique, in addition to supporting ancillary measurements (e.g., net radiation, ground heat flux). For the growing season of 2013, biotic and abiotic controls (ex. light intensity, water availability, etc.) of evapotranspiration at the three sites were identified and analyzed leading to a projected increase in water and energy limitation for Trail Valley Creek. This limitation can be explained by increased energy repartition to sensible heat than to latent heat, following alterations of the land surface as the treeline moves towards the arctic tundra landscape. The relative increase in the sensible heat flux is an indication for an amplified positive feedback of rising air temperature. A comparison of modeled planetary boundary layer heights with Environment Canada atmospheric profiles for the sites leads to the same projection of a positive air temperature feedback. As the treeline moves north, at Trail Valley Creek, an increase of its planetary boundary layer is expected and the opposite phenomenon is expected at Scotty Creek. Albedo, hydrology and surface roughness will be modified, affecting energy partitioning and atmospheric layers which in turn will influence climate. The two methods have led to the same conclusion and highlight the importance of mutual influence between climate and land surface characteristics.

Le phénomène d'îlot de chaleur urbain engendre de l'inconfort thermique auprès des habitants. Améliorer le microclimat en zone urbaine est donc l'une des préoccupations des aménageurs. La végétalisation des villes s'avère une solution prometteuse, car l'évapotranspiration des plantes etles ombres portées des arbres ont un impact significatif sur le bilan thermique de l'atmosphère alentour. Un défi majeur aujourd'hui est le développement d'un modèle de simulation microclimatique capable de reproduire les conditions climatiques d'une rue, voire d'un quartier urbain végétalisé, dans l'objectif de proposer un outil d'aide à la décision pour l'aménagement des villes durables. L'objectif de cette thèse est d'étudier comment prendre en compte la végétation et plus particulièrement les arbres, dans un modèle microclimatique 30 afin de simuler le microclimat d'un quartier. Deux modèles, LASER/F et RATP sont appliqués à l'échelle d'un arbre et d'un parc urbain pour mener à bien cette étude. / The urban heat island phenomenon causes thermal discomfort to residents. lmproving the microclimate in urban areas is therefore one of the concerns of urban plan ners. The greening of cities (with lawns, trees, green roofs, etc.) is a promising solution, as the transpiration of plants and the shadows of trees have a significant impact on the thermal balance of the surrounding atmosphere. This act must be planned to optimize the benefits of vegetation. A key challenge today is thus the development of a microclimatic simulation model capable of reproducing the climatic conditions of a street, or even a vegetated urban neighborhood, with the aim of proposinga decision support tool for the development of sustainable cities. The aim of this thesis is to study how to consider vegetation and especially trees, in a 30 microclimatic model to simulate the microclimate of a neighborhood. Two models, LASER/F and RATP were applied at the scale of a tree and an urban park to carry out this study.

L'hydrogéologie en milieu fissuré nécessite, plus encore que dans d'autres milieux, une parfaite connaissance de la géométrie et de la structure du magasin. Des études poursuivies dans ce sens par de nombreux auteurs ont été effectuées en milieu carbonaté karstique ( L.KIRALI, 1969, J.C. GRILLOT , 1979) ou en milieu granito-gneissique ( J.AVIAS, 1967, F.O. FRANCISS, 1970, O.JAMIER, 1975), mais peu de chercheurs se sont penchés sur le problème des écoulements souterrains dans des milieux où, comme les schistes et les micaschistes, la présence d'une schistosité ou d'une foliation fine rend très difficile l'étude de la fissuration. Cette difficulté de connaissance du milieu doublée de la difficulté d'observation d'écoulements profonds à partir de la surface, entraine la nécessité de surprendre les écoulements lors de leur trajet, à l'occasion de l'exécution de travaux souterrains. C'est ce que nous avons pu réaliser grâce au percement de la galerie Arc-Isère. L'étude qui nous a été confiée comportait donc deux buts: - la mise en évidence des directions et des modes d'écoulements des eaux dans des milieux dont rien à priori ne permettait de penser qu'ils puissent être favorables à des circulations profondes. Pour cela, nous nous devions de connaître la structure intime des milieux considérés et la nature des circulations aquifères qui les parcourent; - la connaissance hydrogéologique d'un secteur de la bordure occidentale du massif de Belledonne, dont l'étude globale entreprise par le laboratoire d'Hydrogéologie de l'Institut Dolomieu comptait deux précédents volets avec les travaux de M. MICHEL (1971) et G.PAPPINI (1976). Nous n'avons pas poursuivi ici un but strictement monographique, mais tenté d'établir une méthodologie d'étude comparative surface-profondeur du milieu fissuré avec, en conclusion ou plutôten application, l'étude d'un cheminement thermo-minéral.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration. / In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.

L'impact des modifications climatiques et de l'augmentation de la démographie sur le cycle de l'eau et de l'énergie dans la région ouest africaine passe par la quantification des échanges entre les différents couverts de la surface continentale et l'atmosphère. Toutefois, la compréhension du rôle des interactions entre la surface et l'atmosphère dans la dynamique de la mousson ouest africaine est limitée par le manque d'observations dans cette région. Cette thèse porte sur l'étude des flux turbulents, en particulier l'évapotranspiration réelle, en climat soudanien. Les deux couverts étudiés sont une forêt claire (site de Bellefoungou) et une mosaïque de culture/jachère (site de Nalohou), situés dans la région du Nord – Bénin. On dispose de quatre années de mesures (2007 à 2010). Les sites d'étude font partie de l'observatoire hydro – météorologique AMMA – CATCH.Les données de flux turbulents de l'atmosphère ont été mesurées avec la technique d'eddy covariance. La partition énergétique des flux a été examinée à travers la fraction évaporative (EF) et le rapport de Bowen (β) aux échelles diurne, saisonnière et inter-annuelle. Des caractéristiques de surface (conductance de surface et aérodynamique) et le coefficient de découplage ont été calculés pour interpréter la dynamique de l'évapotranspiration réelle.L'analyse des résultats est basée sur un découpage du cycle saisonnier suivant quatre phases du cycle de la mousson : la saison sèche, la saison humide, les phases d'humidification et d'assèchement de l'atmosphère. Aux échelles diurne et saisonnière, on montre que le taux d'évapotranspiration réelle de la forêt est toujours supérieur à celui de la mosaïque de culture/jachère quelle que soit la saison. L'évapotranspiration réelle demeure non nulle en saison sèche sur le site de Nalohou malgré les conditions de surface peu favorables à ce processus. En saison humide, après le saut de mousson, la partition énergétique des flux atteint un régime stationnaire avec une moyenne égale à 0,75 à Bellefoungou et 0,70 à Nalohou pour les 4 années étudiées. Le rapport de Bowen pris dans le même ordre est environ de 0,4 et 0,6 traduisant ainsi, en dépit des conditions humides, la part non négligeable du flux de chaleur sensible sur les deux couverts végétaux. La différence de rugosité entre les deux couverts végétaux entraîne une conductance aérodynamique nettement supérieure à Bellefoungou par rapport à Nalohou. On montre également que la végétation du site de Nalohou est plus efficace en transpiration pendant la saison humide que celle du site de Bellefoungou. A l'échelle inter-annuelle, on n'a pas pu mettre en évidence une relation entre flux de chaleur latente et pluviométrie pour les quatre années étudiées qui sont toutes des années excédentaires. Cependant nous avons observé que le rayonnement net explique la majeure partie de la variabilité inter-annuelle des flux turbulents.Enfin, nous avons également montré avec le coefficient de découplage que la surface soudanienne et l'atmosphère restent couplées toute l'année. Ce fonctionnement de l'interface surface – atmosphère reflète le rôle majeur que jouent les conditions de surface dans la variabilité saisonnière de l'évapotranspiration réelle. Les résultats issus de cette étude donnent une première estimation des flux de chaleur latente et de chaleur sensible sur une forêt claire et une mosaïque de culture/jachère en climat soudanien. Ils sont d'une importance capitale pour la paramétrisation et la validation des modèles de surface ainsi que pour la quantification robuste de la ressource en eau disponible en surface pour l'agriculture, principale activité génératrice de revenus des populations locales. / Assessing the impact of climate and anthropic changes on the water and energy cycles, mainly rely on the quantification of the transfer between the various land covers and the atmosphere. Nevertheless the land – atmosphere interactions in the West African monsoon dynamic is not yet well understood because of the lack of observations in this region. This thesis focuses on the analysis of the sensible and latent heat fluxes under Sudanian climate. The two studied land covers are a clear forest (Bellefoungou) and a cultivated area (Nalohou), located in northern Benin, during four years (2007-2010). The study sites are a part of the hydro – meteorological AMMA – CATCH observatory.Turbulent fluxes were measured with the eddy covariance technique.The flux partitioning was investigated through the evaporative fraction (EF) and the Bowen ratio (β) at diurnal, seasonal and inter-annual scales. Surface characteristics (surface and aerodynamical conductance) and the decoupling factor were calculated to interpret the dynamic of the actual evapotranspiration.The analysis was performed according to four different stages of the monsoon cycle: dry and wet seasons drying and moistening intermediate stages. At diurnal and seasonal scales, actual evapotranspiration was always higher on the forest than on the cultivated area. It remained non zero during the dry season at Nalohou despite surface conditions which were not favorable to this process. During the wet season, after the monsoon onset, EF remained steady with a mean seasonal value of 0.75 at Bellefoungou and 0.70 at Nalohou for the four studied years. The Bowen ratio was 0.4 and 0.6 respectively, thus the sensible heat flux was significant on the two contrasted vegetation covers during the wet season. The contrasted roughness length of the two vegetation covers led to a highest aerodynamic conductance at the clear forest site. The mixed of crop/fallow was shown to be more efficient than the clear forest regarding wet season transpiration. At the inter-annual scale, no relationship can be evidenced between evapotranspiration and annual rainfall for the studied period (2007-2010), which was rather rainy. Nevertheless, the net radiation explains the main part of turbulent fluxes inter-annual variation.Finally, complete surface atmosphere decoupling was never observed. This property of the surface – atmosphere interface underlines the key role of the surface conditions in the actual evapotranspiration. Our results provide a first estimate of the latent and sensible heat fluxes over a clear forest and a mixed crop/fallow under sudanian climate. They are relevant to land surface models parametrisation or evaluation and to a robust quantification of the water resources for agriculture, the main economic activity in this region.

La gestion intégrée de l’eau souterraine constitue un défi majeur pour les activités industrielles, agricoles et domestiques. Dans certains systèmes agricoles, une gestion optimisée de la nappe phréatique représente un facteur important pour améliorer les rendements des cultures et l’utilisation de l'eau. La prévision de la profondeur de la nappe phréatique (PNP) devient l’une des stratégies utiles pour planifier et gérer en temps réel l’eau souterraine. Cette étude propose une approche de modélisation basée sur les arbres de décision pour prédire la PNP en fonction des précipitations, des précédentes PNP et de l'évapotranspiration pour la gestion de l’eau souterraine des champs de canneberges. Premièrement, deux modèles: « Random Forest (RF) » et « Extreme Gradient Boosting (XGB) » ont été paramétrisés et comparés afin de prédirela PNP jusqu'à 48 heures. Deuxièmement, l’importance des variables prédictives a été déterminée pour analyser leur influence sur la simulation de PNP. Les mesures de PNP de trois puits d'observation dans un champ de canneberges, pour la période de croissance du 8 juillet au 30 août 2017, ont été utilisées pour entraîner et valider les modèles. Des statistiques tels que l’erreur quadratique moyenne, le coefficient de détermination et le coefficient d’efficacité de Nash-Sutcliffe sont utilisés pour mesurer la performance des modèles. Les résultats montrent que l'algorithme XGB est plus performant que le modèle RF pour prédire la PNP et est sélectionné comme le modèle optimal. Parmi les variables prédictives, les valeurs précédentes de PNP étaient les plus importantes pour la simulation de PNP, suivie par la précipitation. L’erreur de prédiction du modèle optimal pour la plage de PNP était de ± 5 cm pour les simulations de 1, 12, 24, 36 et 48 heures. Le modèle XGB fournit des informations utiles sur la dynamique de PNP et une simulation rigoureuse pour la gestion de l’irrigation des canneberges. / Integrated ground water management is a major challenge for industrial, agricultural and domestic activities. In some agricultural production systems, optimized water table management represents a significant factor to improve crop yields and water use. Therefore, predicting water table depth (WTD) becomes an important means to enable real-time planning and management of groundwater resources. This study proposes a decision-tree-based modelling approach for WTD forecasting as a function of precipitation, previous WTD values and evapotranspiration with applications in groundwater resources management for cranberry farming. Firstly, two models-based decision trees, namely Random Forest (RF) and Extrem Gradient Boosting (XGB), were parameterized and compared to predict the WTD up to 48-hours ahead for a cranberry farm located in Québec, Canada. Secondly, the importance of the predictor variables was analyzed to determine their influence on WTD simulation results. WTD measurements at three observation wells within acranberry field, for the growing period from July 8, 2017 to August 30, 2017, were used for training and testing the models. Statistical parameters such as the mean squared error, coefficient of determination and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient were used to measure models performance. The results show that the XGB algorithm outperformed the RF model for predictions of WTD and was selected as the optimal model. Among the predictor variables, the antecedent WTD was the most important for water table depth simulation, followed by the precipitation. Base on the most important variables and optimal model, the prediction error for entire WTD range was within ± 5 cm for 1-, 12-, 24-, 26-and 48-hour prediction. The XGB model can provide useful information on the WTD dynamics and a rigorous simulation for irrigation planning and management in cranberry fields.

La forêt boréale recouvre 30% de la surface du Canada et 14% de la surface émergée de la terre. Les changements climatiques vont fortement l’affecter, et ces écosystèmes vont significativement impacter la climatologie et l’hydrologie mondiale avec des échanges importants d’eau, d’énergie et de carbone entre le sol et l’atmosphère. Il est maintenant crucial de bien comprendre le bilan d’énergie de surface sur ce biome pour efficacement prévoir son comportement et son évolution dans un climat changeant. Beaucoup d’études ont analysé le bilan d’énergie de la forêt boréale, mais des lacunes importantes subsistent : il y a peu d’études en terrain non plat, ou dans des zones recevant d’importantes précipitations, ou encore avec des mesures à des échelles spatiales variées, et encore moins des combinaisons de ces trois possibilités. Le principal but de cette thèse est d’attaquer ces lacunes de front en offrant l’analyse du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration d’une forêt boréale humide couvrant une topographie prononcée, et ce à plusieurs échelles spatiales (point : ~m²; locale : ~ha; régionale : ~km²). Les résultats sont principalement basés sur une campagne de mesures ayant cours à la forêt Montmorency de l’Université Laval, à 80 km au nord de Québec, Canada. La forêt est une sapinière à bouleau blanc avec des arbres à divers degrés de maturité. Là, deux tours à flux mesurant tous les termes du bilan d’énergie sont installés depuis l’automne 2015. Trois objectifs spécifiques sont associés à trois échelles spatiales de mesure ou de modélisation dans un gradient allant de l’échelle ponctuelle vers l’échelle régionale. Dans un premier objectif, l’hétérogénéité spatiale du couvert forestier est caractérisée par des mesures de rayonnement solaire sous-canopée. Ensuite, l’évaluation de la densité de végétation permet de paramétrer un schéma de surface pour obtenir la variabilité de l’évapotranspiration et de ses composantes. Les résultats montrent que même si la transmission du rayonnement est très variable de point en point (entre 7% et 69% sur toute la saison), une moyenne spatiale à l’échelle locale représente bien la zone. Les résultats de modélisation indiquent qu’une forêt plus dense cause légèrement plus d’évapotranspiration totale, car elle évapore plus de précipitations interceptées et transpire plus. Une forêt plus dense évapore toutefois moins d’eau au sol, ce qui peut mener à une humidité du sol accrue dans des conditions de sécheresse momentanée. / Dans le deuxième objectif, l’impact de fortes précipitations sur le bilan d’énergie à l’échelle locale et l’évapotranspiration en forêt boréale est évalué. Pour ce faire, le site principal de la forêt Montmorency est d’abord comparé avec 13 sites en forêt boréale dans le monde sur la base du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration. La forêt Montmorency est le site qui reçoit le plus de précipitations avec ~1600 mm a⁻¹. Pour tous les sites, la précipitation reçue est liée à l’évapotranspiration annuelle, et c’est aussi le site principal qui a la plus forte évapotranspiration, avec ~550 mm a⁻¹. Grâce à des mesures précises des débits sortants du bassin versant de 3.5 km² contenant les sites de mesure, le bilan hydrique est clairement établi : l’eau excédentaire provenant des précipitations est principalement évacuée par des débits sortants dans les cours d’eau du bassin versant, à une hauteur de ~1050 mm a⁻¹. Pour le troisième objectif, la méthode de la scintillométrie à deux longueurs d’onde est testée sur le site d’étude et ses mesures du bilan d’énergie à l’échelle régionale sont comparées à celles à l’échelle locale. Les scintillomètres sont installés à travers une vallée où est également présente une des deux tours à flux. Les faisceaux électromagnétiques parcourent 1347 m à une hauteur variant entre 5 et 100 m et une hauteur efficace de 88 m. Les résultats montrent que les deux montages expérimentaux ont une faible concordance au niveau des paramètres de structure météorologiques, mais une concordance plus qu’acceptable au niveau des flux turbulents. Pour ces derniers, la corrélation entre les scintillomètres et la tour à flux est optimale lorsque les faisceaux électromagnétiques sont entièrement inclus dans la couche de surface atmosphérique. Cependant, comme la hauteur des faisceaux est hautement variable, ceux-ci se retrouvent la plupart du temps en partie dans la couche de surface atmosphérique, ce qui mène à une corrélation tout de même acceptable dans ces circonstances. Néanmoins, les mesures des scintillomètres sont souvent de qualité douteuse lors des périodes nocturnes et lorsque l’atmosphère est stable. En bref, la forêt boréale étudiée exhibe un bilan d’énergie et une évapotranspiration significativement différents d’autres sites dans des biomes semblables recensés dans la littérature. Cette thèse apporte des précisions importantes sur ce type d’environnement. De plus, la thèse offre des outils méthodologiques rigoureux pour évaluer le bilan d’énergie à diverses échelles spatiales et élabore sur le passage entre ces échelles, une contribution à ne pas négliger pour les modélisateurs hydrologiques et du climat au Canada et dans le monde. / For the third objective, the two-wavelength scintillometry method is evaluated at the study site and its regional energy balance measurements are compared to those at the local scale. The scintillometers are installed across a valley where one of the two flux towers is localized. The scintillometers’ electromagnetic beams travel 1347 m at a height varying between 5 and 100 m and an effective height of 88 m. The results show that the two experimental systems have a low agreement in terms of the meteorological structure parameters, but a more than acceptable agreement for the turbulent fluxes. For the latter, the correlation between scintillometers and flux tower is optimal when the electromagnetic beams are entirely included in the atmospheric surface layer. However, since the beam height is highly variable, they are more often than not partially present in the atmospheric surface layer anyway, which leads to a correlation that is still acceptable in these circumstances. However, measurements of scintillometers are often unrealistic during nocturnal periods and when the atmosphere is stable. In short, the studied boreal forest exhibits an energy balance and evapotranspiration significantly different from other sites in similar biomes referenced in the literature. This thesis provides important details on this type of environment. In addition, the thesis offers rigorous methodological tools to assess the energy balance at various spatial scales and elaborates on the possibility of upscaling and/or downscaling results, a contribution not to be overlooked for hydrological and climate modelers in Canada and around the world. / The boreal forest covers 30% of Canada's surface and 14% of the earth's land surface. Climate change will severely affect it, and these ecosystems will in turn impact climate and global hydrology with significant exchanges of water, energy and carbon between the soil and the atmosphere. It is now crucial to understand the surface energy balance of this biome to effectively predict its behavior and evolution in a changing climate. Many studies have analyzed the energy balance of the boreal forest, but significant gaps remain: there are little studies in non-flat terrain, or in areas receiving significant rainfall, or with measurements at various spatial scales, let alone combinations of these three possibilities. The main aim of this thesis is to fill these gaps with a rigorous analysis of the energy balance and evapotranspiration of a boreal forest covering a pronounced topography, and this at several spatial scales (point: ~m², local: ~ha, regional: ~km²). The results are mainly based on a measurement campaign taking place at the Montmorency Forest of Université Laval, 80 km north of Québec, Canada. The forest is a balsam fir – white birch forest with trees of varying degrees of maturity. There, two flux towers are measuring all the energy balance terms since autumn 2015. Three specific objectives are associated with three spatial scales of measurement or modeling in a gradient from the point scale to the regional scale. In a first objective, the spatial heterogeneity of the forest cover is characterized by sub-canopy solar radiation measurements. Then, the vegetation density evaluation makes it possible to parameterize a land-surface scheme to obtain the variability of the evapotranspiration and its components. The results show that even though the transmission of radiation is highly variable from point to point (seasonal average between 7% and 69%), a spatial average at the local scale represents the area quite well. Modeling results indicate that a denser forest causes slightly more total evapotranspiration because it evaporates more intercepted precipitation and generates more transpiration. A denser forest, however, evaporates less water on the ground, which can lead to increased soil moisture under conditions of momentary drought. In the second objective, the impact of heavy rainfall on the local energy balance and evapotranspiration in the boreal forest is evaluated. To do this, the main site of Montmorency Forest is first compared with 13 boreal forest sites around the world on the basis of energy balance and evapotranspiration. The Montmorency Forest is the site receiving the most rainfall with ~1600 mm y⁻¹. For all sites, the precipitation received is positively related to annual evapotranspiration, which means the main site has the highest evapotranspiration rates, with ~550 mm y⁻¹. With accurate measurements of the outflow from the 3.5 km² watershed containing the Montmorency Forest measurement sites, the water balance is clearly established: excess water from precipitation is mainly discharged through outflows of the watershed, to an extent of ~1050 mm y⁻¹.

Les toitures végétalisées ont des répercussions très positives sur la performance énergétique des bâtiments. L’objectif est d’évaluer l’incidence des toitures végétalisées sur la performance énergétique des bâtiments à travers des moyens numériques et expérimentaux. La modélisation du comportement thermo-hydrique des toitures végétalisées permet de quantifier ces effets et contribue à promouvoir cette technique.Cette thématique requiert en premier lieu des compétences en énergétique du bâtiment et de modélisation thermique dynamique, si l’on souhaite établir un modèle représentatif du comportement thermo-hydrique d’un composant de toiture végétalisée. Afin de développer ces différents aspects, un travail préliminaire qui consiste en une étude bibliographique approfondie portant sur les modèles proposés dans la littérature a été entrepris. Sur la base de cette étude bibliographique, un modèle couplé de transfert de chaleur et d’humidité a été développé. Ce modèle est basé sur l’établissement des équations de bilan énergétique sur la surface du feuillage et la surface du sol. Afin d’affiner le modèle développé et d’obtenir de meilleurs résultats numériques, diverses caractérisations expérimentales des matériaux qui entrent dans la composition de la toiture végétalisée ont été effectuées. Une plateforme expérimentale (Climabat, échelle 1/10) a été conçue sur le site de l’Université de La Rochelle dans le but de mesurer l’incidence des toitures végétalisées sur les bâtiments et fournir des données permettant de calibrer et de vérifier le modèle développé. Des comparaisons ont été entreprises entre toiture végétalisée et toiture classique, une différence de température de surface extérieure de 30°C a été notée pendant la période d’été. Les résultats des simulations montrent aussi que la végétalisation des toitures de bâtiment améliore non seulement les conditions de son confort thermique mais aussi sa performance énergétique. Des campagnes de mesures ont été également effectuées sur des bâtiments réels équipés avec des toitures végétalisées. La validation expérimentale du modèle développé a été ensuite entreprise à deux échelles, l’une à échelle réduite (maquette échelle 1:10) sur des bancs d’essais sur le site de l’Université de La Rochelle et une à échelle réelle, sur des pavillons BBC existants où différentes typologies de toitures végétalisées ont été instrumentées. Une fois le modèle développé et sa pertinence vérifiée par comparaison à des mesures expérimentales, il a été couplé à un code de simulation thermique dynamique des bâtiments (TRNSYS). Cela a permis de prédire la performance énergétique et le calcul des besoins de chauffage et de climatisation des bâtiments équipés d'une toiture végétalisée. Les résultats de simulations ont montré que la présence d'une toiture végétalisée permet une réduction des besoins des bâtiments et protège la membrane d’étanchéité de la toiture des températures extrêmes et des grandes fluctuations de température. De plus, il a été constaté que l'effet des toitures végétalisées sur la réduction de la température de l'air intérieur est plus important en été. Aussi, il a été constaté que les besoins de climatisation et de chauffage dépendent fortement du niveau d'isolation de la toiture. Enfin, les simulations réalisées pour différents climats ont montré que la toiture végétalisée est bénéfique pour le climat des pays européens. / Green roofs have a positive effect on the energy performance of buildings, providing a cooling effect in summer, along with a more efficient harnessing of the solar radiation, due to the reflective properties of the foliage. To assess these effects, a thermodynamic model was developed as well as the thermo-physical properties of the green roof components were characterized.The proposed model is based on energy balance equations expressed for foliage and soil media. The influence of the mass transfer on the thermal properties, and evapotranspiration were taken into account. Then, the water balance equation was added into the developed model and numerical simulations were performed. In order to evaluate the temperatures evolution at foliage and soil ground levels.Three of the main physical properties of green roofs were experimentally investigated to determine some of the green roofs’ modeling key parameters. First, the thermo-physical properties of green roofs were characterized by correlating the thermal conductivity of the substrate with the water content for different substrates and maximum water capacities. Next, the moisture storage was characterized using the dynamic vapor sorption technique. Third, themicro-structural properties of green roof substrate were characterized using mercury intrusion porosimetry. In addition to these characterizations, the evapotranspiration term, which is very important in the water balance, was measured.The model was experimentally validated according to a green roof platform (scale 1:10) constructed on the site of the University of La Rochelle. Measurements have also been conducted in a full scale building equipped with green roofs. Once the proposed model validated, it has been coupled to a building thermal code (TRNSYS) to evaluate the impact of green roofs on the energy performance of buildings.The results show that the effect of mass transfer in the subtract was very effective in reducing the model errors. Comparisons were undertaken with a roof slab concrete model; a significant difference in temperature (up to 30 °C) between the outer surfaces of the two roofs was noticed in summer. The heat flux through the roof was also evaluated. The roof passive cooling effect was three times more efficient with the green roof. In the winter, the green roof reduced roof heat losses during cold days; however, it increased these losses during sunny days. With a green roof, the summer indoor air temperature was decreased by 2 °C, and the annual energy demand was reduced by 6% for an oceanic climate such as that of La Rochelle. Finally, the simulations performed for different climates suggest that green roofs are thermally beneficial for hot, temperate, and cold European climates.

La paramétrisation du transfert de chaleur par télédétection, basée sur le schéma SEBS, s'est déjà avérée très adaptée pour l'estimation de l'évapotranspiration (ET) sur des surfaces naturelles homogènes. Cependant, l'utilisation d'une telle méthode pour des paysages hétérogènes (e.g. régions semi-arides ou surfaces agricoles) est plus délicate, puisque le principe de la théorie de la similarité est compromis par la présence de différentes sources de chaleur et de hauteurs variées. Dans un premier temps, cette thèse a pour objectif de proposer et d'évaluer différents modèles basés sur la géométrie de la végétation qui permettent d'estimer la longueur de rugosité pour le transfert de quantité de mouvement à la surface (z0m), cette dernière étant un paramètre clé dans la caractérisation du transfert de chaleur. En revanche, une telle investigation ne peut être menée qu'à une petite échelle et à l'aide de données de télédétection très haute résolution permettant ainsi une description très détaillée de la surface. Ensuite, le second aspect de ce travail est de caractériser le transfert de chaleur dans le cas d'études régionales. Puis, la capacité de SEBS à estimer les flux de chaleur turbulents à de grandes échelles spatiales et temporelles sera évaluée. Pour ce faire, l’approche multi-échelle de SEBS (MSSEBS) a été implémentée afin de traiter une zone de 2,4 millions km2, incluant le Plateau du Tibet et l’amont des principaux fleuves d’Asie du sud-est. La combinaison de données horaires de température de surface FY-2 avec un rayonnement net journalier et des paramètres de surface avancés, permet de produire une série temporelle d’ET sur le Plateau du Tibet pour la période 2008-2010, et à une fréquence journalière. / The parameterization of heat transfer by remote sensing, and based on SEBS scheme for turbulent heat fluxes retrieval, already proved to be very convenient for estimating evapotranspiration (ET) over homogeneous land surfaces. However, the use of such a method over heterogeneous landscapes (e.g. semi-arid regions or agricultural land) becomes more difficult, since the principle of similarity theory is compromised by the presence of different heat sources with various heights. This thesis aims at first to propose and evaluate some models based on vegetation geometry for retrieving the surface roughness length for momentum transfer (z0m), which is a key parameter in the characterization of heat transfer. Such an investigation can only be led at a small scale with very-high resolution remote sensing data, for a precise description of the land surface. Therefore, the second aspect of this work is to determine how to address the characterization of heat transfer for regional studies. Then, the reliability of SEBS for estimating turbulent heat fluxes at large spatial and temporal scales has been evaluated. To do so, the Multi-Scale SEBS approach (MSSEBS) has been implemented for a 2.4 million km2 area including the Tibetan Plateau and the headwaters of the major rivers of East and South Asia. The addition of gap-filled hourly FY-2 LST data to advanced daily averaged net radiation and land surface parameters, allows to compute time-series of land surface ET over the Tibetan Plateau during the period 2008-2010, and on a daily basis.