La région arctique s’ouvre peu à peu aux activités humaines, en raison du réchauffement climatique et de la fonte des glaces, dûs en partie aux effets radiatifs des aérosols et de l'ozone. En conséquence, les émissions locales de pollution en Arctique pourraient augmenter, et devenir prépondérantes comparées à la source historique liée au transport de pollution depuis les moyennes latitudes. Dans cette thèse, j’effectue des simulations régionales de la troposphère arctique avec le modèle WRF-Chem, combiné à de nouveaux inventaires des émissions de pollution locales en Arctique (navigation et torches pétrolières). Deux cas d’étude issus de campagnes de mesure par avion sont analysés. Premièrement, j’étudie un évènement de transport d’aérosols depuis l’Europe au printemps 2008, afin d’améliorer les connaissances sur cette source majeure de pollution. Deuxièmement, je détermine l’impact des émissions de la navigation en Norvège en été 2012, où la navigation Arctique est actuellement la plus intense. J’utilise ces cas d’étude pour valider la pollution modélisée et améliorer WRF-Chem en Arctique. J’effectue avec ce modèle amélioré des simulations des impacts actuels (2012) et futurs (2050) de la navigation et des torches pétrolières en Arctique. Les résultats indiquent que les torches sont et devraient rester une source majeure d’aérosols de carbone suie réchauffant en Arctique. La navigation en Arctique est une source de pollution importante en été et, en 2050, pourrait devenir une source majeure de pollution locale. / The Arctic is increasingly open to human activity due to rapid warming, associated with decreased sea ice extent. This warming is due, in part, to the effect of short-lived atmospheric pollutants (aerosols, ozone). As a result, Arctic pollutant emissions should increase in the future, and their impacts might become significant compared to the now predominant source due to pollution transport from the mid-latitudes. In this thesis, regional simulations of the Arctic troposphere are performed with the WRF-Chem model, combined with new emission estimates for oil and gas extraction and shipping in the Arctic. The model is used to analyze two case studies from recent airborne measurement datasets: POLARCAT-France in 2008, ACCESS in 2012. First, I investigate an aerosol transport event from Europe to the Arctic in spring 2008, in order to improve our understanding of this major source of Arctic pollution. Second, I determine the air quality and radiative impacts of shipping emissions in Northern Norway in summer 2012, where most current Arctic shipping occurs. I use these results to validate modeled pollution, and to improve WRF-Chem for Arctic studies. The updated model is used to investigate the current (2012) and future (2050) impacts of Arctic shipping and Arctic gas flaring in terms of air quality and radiative effects. Results show that Arctic flaring emissions are and should remain a strong source of local black carbon aerosols, causing warming, and that Arctic shipping is already a strong source of aerosols and ozone during summer. In 2050, diversion shipping through the Arctic Ocean could become a major source of local surface aerosol and ozone pollution.

Cette thèse a pour but de préparer un travail d’extrapolation de l’impact des overshoots stratosphériques (SOC) sur le bilan de vapeur d’eau (VE) dans la couche de la tropopause tropicale (TTL) et dans la basse stratosphère à l’échelle continentale.Pour ce faire, nous profitons des mesures de la campagne de terrain TRO-Pico tenue à Bauru, au Brésil, pendant deux saisons convectives/humides en 2012 et 2013, et de plusieurs simulations numériques de la TTL sur un domaine englobant une grande partie de l’Amérique du Sud avec le modèle méso-échelle BRAMS.Premièrement, nous effectuer une simulation d’une une saison humide complète sans tenir compte des SOC. Cette simulation est ensuite évaluée pour d’autres caractéristiques clés typiques (température de la TTL, VE, sommets de nuages et ondes de gravité) dans la TTL. En l’absence de SOC et avant d’extrapoler son leur impact, nous démontrons que le modèle reproduit correctement les caractéristiques principales de la TTL. L’importance de l’ascension lente à grande échelle par rapport aux processus convectifs profonds à échelle finie est ensuite discutée.Deuxièmement, à partir de simulations BRAMS à fine à échelle de cas de SOC observés pendant TRO-Pico, nous déduisons des quantités physiques (flux de glace, bilan de masse de glace, tailles des SOCs), qui serviront à définir un forçage de l’impact des overshoots dans des simulations à grande échelle. Nous montrons un impact maximum d’environ 2 kt en VE et 6 kt de glace par SOC. Ces chiffres sont 30% nférieurs pour un autre réglage microphysique du modèle. Nous montrons que seul trois types d’hydrométéores du modèle contribuent à cette hydratation. / This dissertation aims at laying a foundation on upscaling work of the impact of stratospheric overshooting convection (SOC) on the water vapor budget in the tropical tropopause layer (TTL) and lower stratosphere at a continental scale.To do so, we take advantage of the TRO-Pico field campaign measurements held at Bauru, Brazil, during two wet/convective seasons in 2012 and 2013, and perform accordingly several numerical simulations of the TTL which encompass through a large part of south America using the BRAMS mesoscale model.Firstly, we adopt a strategy of simulating a full wet season without considering SOC. This simulation is then evaluated for other typical key features (e.g., TTL temperature, convective clouds, gravity wave) of the TTL. In the absence of SOC and before upscaling its impact, we demonstrate that the model has a fair enough ability to reproduce a typical TTL. The importance of large-scale upwelling in comparison to the finite-scale deep convective processes is then discussed.Secondly, from fine scale BRAMS simulations of an observational case of SOC during TRO-Pico, we deduce physical parameters (mass flux, ice mass budget, SOC size) that will be used to set a nudging of the SOC impact in large-scale simulations. A typical maximum impact of about 2kt of water vapor, and 6kt of ice per SOC cell is computed. This estimation is 30% lower for another microphysical setup of the model. We also show that the stratospheric hydration by SOC is mainly due to two types of hydrometeors in the model.

L’étude de la pollution troposphérique inclut l’étude des gaz traces provenant de sources anthropiquesdiverses, dont l’impact varie de l’échelle locale à globale. Pour caractériser cette pollution, il est nécessairede mesurer avec précision les concentrations en polluants. Dans le cadre de projets européens, troiscampagnes aéroportées ont été conduites, dans le bassin méditerranéen, en Afrique de l’ouest et enMalaisie, pour mesurer différents types de polluants grâce, entre autres, à un spectromètre à lasersinfrarouges, SPIRIT, capable de mesurer rapidement en ligne de faibles variations de NO2 et CO. Les jeuxde données de ces gaz traces (et d’autres) ont été combinés avec un modèle lagrangien de dispersion departicules, FLEXPART, pour identifier différentes sources de pollution locales et régionales de l’air. Cettethèse présente ainsi les mesures et le travail de modélisation entrepris afin de définir les sources depollution de chaque région. Il a été montré que le bassin méditerranéen a été impacté, de la moyenne à lahaute troposphère pendant l’été, par des émissions de feux de biomasse venant de Sibérie et du continentnord-américain. Les régions ouest-africaine et malaisienne sont aussi impactées par des émissions de feuxde biomasse transportées depuis l’Afrique centrale dans le premier cas, et de feux locaux dans le second.En outre, ces régions sont influencées par des émissions provenant de l’exploitation du pétrole et du traficmaritime. FLEXPART a été utilisé afin d’identifier l’origine des pics de pollution mesurés au cours descampagnes. Nous avons ainsi montré que les conditions atmosphériques, qui définissent la hauteurd’injection du panache de la plateforme pétrolière, ainsi que le flux d’émission sont des paramètres clésdans la caractérisation des mesures par le modèle. / The study of tropospheric pollution includes the study of trace gases coming from various anthropogenicsources that can impact scales ranging from local to global. To characterise this pollution, it is necessary tobe able to measure with precision pollutant concentrations. Within the frame of European projects, threeairborne campaigns in the Mediterranean Basin, in West Africa and in Malaysia were conducted to measuredifferent types of pollutants thanks to, among others, an infrared laser spectrometer, SPIRIT, able to rapidlymeasure on-line small variations in NO2 and CO. The data sets of these trace gases (and others) have beencombined with a Lagrangian model of particle dispersion, FLEXPART, to fingerprint different sources of localand regional air pollution. Thus, this thesis presents the measurements and the modelling work undertakenin order to define the sources of pollution of each region. It has been shown that the Mediterranean Basinwas impacted, in the mid to upper troposphere during summer, by biomass burning emissions coming fromSiberia and the Northern American continent. West African and Malaysian regions are also impacted bybiomass burning emissions transported from central Africa in the first case, and from local fires in thesecond. In addition, those regions are influenced by emissions coming from oil exploitation and maritimetraffic. FLEXPART was used in order to identify the origin of the pollution peaks measured during thecampaigns. It has been shown that atmospheric conditions, which define the injection height of the oilplatform plume, and also the emission flux are key parameters in the characterisation of the measurementsby the model.