Atmospheric trace components play a critical role in the earth–atmosphere system through their interaction and perturbation to global atmospheric chemistry. They perturb the climate through scattering and absorbing of solar radiation (direct effects), thereby impacting on the heat energy balance of the atmosphere, and alter cloud microphysical properties affecting cloud formation, cloud lifetime and precipitation formation (indirect effects). These trace components can also have adverse effects on human health, visibility and air quality (AQ) composition, including various feedback processes on the state of the atmosphere. As well as their direct and indirect effects, aerosols are important for cloud formation. They serve as cloud condensation and ice nuclei (CCN and IN) during cloud droplet and ice crystal formations. Although many connections between clouds and aerosol effects have been established in cloud physics and climate modelling, aerosol–cloud interaction (ACI) is still one of the areas of large uncertainties in modern climate and weather projections. Different models have been developed placing much emphasis on ACIs, to have robust and more consistent description processes within the meteorological and chemical variables to account for ACIs and feedback processes. Because pollutant distributions are controlled by a specific meteorology that promotes residence times and vertical mixing in the atmosphere, reliable chemical composition measurements are required to understand the changes occurring in the earth–atmosphere system. Also, because atmospheric pollution is a combination of both natural and man-made (anthropogenic) sources, to direct controlled and/or mitigation procedures efficiently, contributions of different sources need to be considered. Occasionally these are explored from a particular region or global environment, depending on a specific area of interest. A fully coupled online meteorology–chemistry model framework (WRF-Chem) is used to investigate atmospheric ACIs over southern Africa –a region characterized by a strong and intense seasonal biomass burning (BB) cycle. The large transport of aerosol plumes originating from the seasonal burning from agriculture, land-use management and various activities give rise to a unique situation warranting special scrutiny. Simulations are conducted for the 2008 dry season BB episode, implementing a chemical dataset from various emission sources (anthropogenic, BB, biogenic, dust and sea salt) with the meteorological conditions. A base line (CNTRL) simulation was conducted with all emission sources from 26 August to 10 September 2008. To probe the contribution of BB on the regional pollution and influence on ACIs, a sensitivity (TEST) simulation was conducted without BB emissions and compared to the base line. The impact of natural and anthropogenic aerosol particles is studied and quantified for the two simulations, focusing on aerosol concentration and cloud responses under different model resolutions. A statistical analysis of pollutant concentration of major regulated species and cloud variables is conducted and the percentage difference used to assess the contribution due to BB emissions. Results confirm the high variability of spatial and temporal patterns of chemical species, with the greatest discrepancies occurring in the tropical forests whereas the subtropics show more urban/industrial related emissions. Whilst CO and O3 show statistically significant increases over a number of cities/towns, the trend and spatial variability is much less uniform with NO2 and PM in most urban and populous cities. Statistical analysis of major chemical pollutants was mainly influenced by BB emissions. O3, NOx, CO and PM increase by 24%, 76%, 51%, 46% and 41% over the main source regions, whereas in the less affected regions concentrations increased by 5%, 5%, 5%, 3% and 2% when BB emissions are included. This study sheds new light on the response of cloud processes to changing aerosol concentrations and different model resolutions. In the parameterised case (dx = 20 km), clouds become more cellular, correlated with high supersaturations, whereas in the resolved case (dx = 4 km), they become more faint with relatively lower supersaturations. Aerosol effects on cloud properties were further studied and statistical analysis conducted on CCN, cloud droplet number concentration (CDNC), supersaturation and aerosol optical depth (AOD) at two different grid spacings. Most clouds occur to the west of the domain coincident with increase in aerosol concentration and AOD, while single scattering albedo (SSA) decreases. A considerable cloud ‘burn-off’ occurs in tropical west Africa, where aerosols can also be lofted up to 500-hPa level when BB emissions are included in the simulation. Due to BB, absorbing aerosol increased by 76% and 23% over tropical west and subtropical southeast, while tropical east shows no change. The study shows that tropical central Africa is characterized by an increased build-up in biomass burning aerosols (BBAs), forming a regional haze with high AOD; this becomes stronger near active burning areas with a significant proportion occurring to the west. AOD enhancement increases up to 38%, 31% and 11% in the west, east and south respectively. Although CDNC increased in areas with high aerosol concentration, supersaturation decreases (in the small domains) since increase in aerosol number concentration decreases maximum supersaturation Smax. Changes in absorbed radiation increased by +56 Wm-2, +23 Wm-2 and +14 Wm-2 in the west, east and southeast. To further evaluate the model sensitivity and its skill, an analysis was conducted by comparing the model performance with measurement data. Simulated AOD, surface concentrations of CO and O3, ozonesondes and liquid water path (LWP) were compared with measured data from MODIS satellite, SAFARI2000 field study and Cape Point WMO. The model shows a good skill in capturing and reproducing the trends as that measured. However, a severe lack of measurement data over southern Africa makes it more difficult to effectively evaluate WRF-Chem over southern Africa. There is a need for increased availability of measurements to adequately compare with models. This study is one of the first WRF-Chem studies conducted over southern Africa to simulate the weather and pollution interaction. The novelty of the present study is the combined analysis of ACI sensitivity to aerosol loading and cloud response in a regime-based approach. The study concludes with a brief discusssion of future directions for work on AQ and modelling interactions between pollution and weather over southern Africa.

Ce travail a consisté à analyser et de simuler à l’aide du modèle INCA-Indoor la qualité de l’air intérieur, et de développer une nouvelle méthodologie pour étudier les contributions des différents processus aux concentrations de polluants. Cette nouvelle méthodologie se base sur un nouveau programme de sensibilité INCA-Indoor-D, permet d’identifier rapidement les paramètres les plus sensibles qui peuvent influencer la qualité de l’air intérieur. Le modèle INCA-Indoor a été validé expérimentalement en utilisant les données mesurées lors de la campagne MERMAID (2014-2015). L’application du programme de sensibilité INCA-Indoor-D est pour analyser des sensibilité des concentrations de OH par rapport aux divers paramètres. Une classification de l’importance de ces paramètres en fonction de la sensibilité a ainsi été effectuée. Ce travail de thèse offre une nouvelle analyse de la pollution de l’air ainsi que de nouvelles perspectives d’études possibles dans un bâtiment basse consommation. / This study consisted in the study of indoor air quality with INCA-Indoor model, and especially the development of a fast methodology to identify the most sensitive parameters influencing indoor air quality. The methodology is based on a sensitivity program INCA-Indoor-D, which was built to identify the most important parameters affecting pollutant concentrations. With measurement data from MERMAID (2014-2015), it is intended to continue to evaluate the INCA-Indoor model, which was used to analyze the indoor air quality of a low energy building. The first application of the sensitivity program INCA-Indoor-D is performed to develop a comprehensive sensitivity analysis of indoor [OH] with respect to diverse parameters. Sensitivity has been settled with a classification of the parameters. The results in this study provide useful information about roles of different processes controlling indoor air quality and the effects of different parameters on indoor pollutant concentrations.

Le méthane est un puissant gaz à effet de serre direct et indirect, dont l’évolution récente reste mal comprise et débattue. L’objectif de ma thèse est l’étude de la capacité des nouvelles mesures du méthane par satellite à quantifier les flux annuels de méthane et leurs variations interannuelles. J’assimile les observations de trois systèmes d’observations satellitaire et du réseau de mesures traditionnelles de surface dans un système d’inversion bayésien variationnel sur des fenêtres temporelles longues cohérentes avec la durée de vie du méthane. Dans un premier temps, je montre que le réglage objectif des statistiques d’erreur de chaque système permet un bon accord entre les estimations des bilans annuels régionaux de méthane obtenus avec TANSO-FTS, IASI et le réseau de surface.Ce résultat permet d’envisager la combinaison de ces mesures pour mieux contraindre les estimations des émissions de méthane. En revanche, les résultats obtenus avec les mesures de SCIAMACHY alors en fin de vie, restent incohérents, probablement à cause d’une structure d’erreur difficile à modéliser. Dans un deuxième temps, je montre que le réseau de surface et IASI détectent la plupart des anomalies de flux de méthane en Afrique du Sud et en Asie de l’Est alors que TANSO-FTS détecte la quasi-totalité desanomalies en Afrique du Nord. De plus, négativement corrélées à l’humidité du sol, les anomalies récentes en Afrique du Nord et en Asie de l’Est suggèrent, respectivement, une augmentation des émissions des feux et un changement de pratique dans la riziculture.Je mets aussi en évidence une contribution majoritaire des terres des basses latitudes del’hémisphère nord à la tendance récente du méthane. / Methane is a powerful greenhouse gas with direct and indirect effect on global warming but its recent trend is misunderstood and still debated. My PhD aims at evaluating the ability of new satellite methane measurements to quantify the methane annual fluxes and their interannual variability. I assimilate the measurements of three satellite observing systems and the traditional observing surface network in a bayesian variational inversion system over long temporal windows consistent with the methane lifetime.First, I show that the tuning of input error statistics of each observing system allows a good agreement between the annual regional methane budgets inferred from TANSO-FTS, IASI and the surface network. This result opens the possibility to combine these measurements to better constrain the methane emission estimates. However, the results inferred from SCIAMACHY measurements acquired at the end of the life of the instrument, remain inconsistent, probably because of an error structure that is difficult to model.Secondly, I show that the surface network and IASI detect the main methane flux anomalies in South Africa and in East Asia whereas TANSO-FTS detects almost all the anomalies in North Africa. Moreover, negatively correlated with soil moisture, the recent anomalies observed in North Africa and in East Asia suggest, respectively, an increase of fire emissions and a change in rice culture practices. I also show that the lands over the Northern Hemisphere low latitudes have a major contribution to the recent methane trend.

Développé initialement pour la correction du retard humide des signaux GPS, le lidar Raman vapeur d’eau de l’Institut National de l’information Géographique et forestière (IGN) pourrait aujourd’hui servir pour d’autres applications telles que la climatologie et la météorologie. Cependant, quelle que soit l’application visée, il est primordial d’assurer une très bonne précision de la mesure. Un étalonnage fiable et stable de l’instrument est alors requis. Lors de la dernière campagne de mesures (Démévap) qui consistait à inter-comparer différentes techniques d’étalonnage, une dérive du coefficient d’étalonnage du lidar a été observée. Ce travail revient alors sur cette dérive et explore, dans un premier temps, les signaux enregistrés durant cette campagne. En découle alors un inventaire de sources d’erreurs et de variations pouvant expliquer ces résultats. Trois sources majeures de variations seront ensuite étudiées de manière approfondie : la dépendance en température des sections efficaces Raman induite par l’usage de filtres étroits, l’impact du choix des optiques de transmission et détection du signal et les problèmes liés à l’électronique de détection. À l’aide de simulations numériques, modélisations et tests en laboratoire, on s’est efforcés de mettre en évidence et de quantifier les variations. Des solutions permettant de minimiser ces instabilités ont aussi été proposées et testées. Finalement, le système lidar a été remonté entièrement et une campagne de validation des améliorations a été menée à Saint-Mandé. Sur une période de cinq mois, on a pu contrôler la stabilité instrumentale et étudier l’étalonnage du lidar à l’aide de capteurs d’humidité placés au sol. / The IGN (Franch Mapping Institut) water vapor Raman lidar has been developed in order to correct the wet delay of GPS signals. Today, the goal is to open up to other applications such as meteorology and climatology. Regardless the applications, high accuracy is and will be completed with a reliable calibration of the instrument. The latest campaign, during which the IGN Raman was experimented, was Demevap. Several lidar calibration techniques were compared, and results showed a common drift all along the campaign. The work presented here starts with a detailed investigation of the Demavap absolute signals. This first step allowed listing different likely sources of errors and instabilities in the system which lead to fluctuations of the calibration coefficient. Among them, we chose to study thoroughly three subsystems which appear to have a major influence on the calibration coefficient variations: the temperature dependence of the Raman cross sections induced by the use of narrowband interference filters, the effect of the optical configuration of the detection part of the lidar and problems linked to the electronic part of the detection. We strive to highlight and quantify the variations by means of numerical simulations, models and laboratory experiments. Furthermore, we proposed theoretical, empirical and instrumental solutions for the mitigation of these variations. Eventually, long term calibration coefficient stability of the overall system will be assessed with regular water vapor profile recordings and calibration measurements spread over several months.

Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique. / To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region.

L'Oscillation de Madden-Julian (MJO) est le principal mode de variabilité intrasaisonnière (20-90 jours) dans les tropiques. La MJO se caractérise par une perturbation de la dynamique de grande échelle et des précipitations se propageant principalement vers l'Est à une vitesse 5 m/s à l'équateur, et aussi vers le Nord en été boréal. Malgré son importance, cette perturbation est mal reproduite dans les modèles de circulation générale (MCG). Ce défaut des MCGs a été attribué en partie à un déclenchement trop fréquent du schéma de convection profonde du modèle qui préserverait trop la stabilité statique dans les tropiques et empêcherait la formation de fortes perturbations organisées de la convection et le développement de la réponse dynamique de grande échelle qui en résulte. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier l'impact de l'inhibition de la convection sur l'état moyen et la variabilité tropicale dans le MCG LMDZ. Pour cela, deux paramètres - la fermeture et l'entraînement - d'un même schéma convectif, qui étaient initialement basés sur le profil vertical de la convergence d'humidité, ont été modifiés. Le taux entraînement du schéma modifié est proportionnel à l'humidité relative de l'environnement. Des études de sensibilité dans un modèle unidimensionnel montrent que, par rapport au schéma initial, cette modification a pour effet d'inhiber la convection dans une atmosphère sèche et de la favoriser en atmosphère humide, les précipitations deviennent donc plus rares et plus intenses. Avec ce nouvel entraînement, les simulations globales du modèle atmosphérique LMDZ présentent effectivement une plus forte variabilité tropicale de la dynamique et des précipitations à toutes les échelles de temps. Le cycle saisonnier des précipitations est aussi mieux reproduit ainsi que la propagation vers l'Est et vers le Nord des perturbations intrasaisonnières. L'ajout d'une fermeture en CAPE modifie peu ce comportement, mais accélère légèrement la propagation vers le Nord et vers l'Est de la MJO, et donne un état moyen et une variabilité un peu plus réaliste dans les tropiques. / The Madden-Julian oscillation (MJO) is the dominant mode of the Tropical intraseasonal variability. The MJO is characterized by a wide region of rain perturbation propagating eastward along the equator at a speed of about 5 m/s, from the Indian Ocean to the Central Pacific with a period of 20-90 days. Its boreal summer counterpart, referred as the Boreal Summer Intraseasonal Oscillation (BSISO), propagates both eastward and northward. The LMDZ atmospheric global circulation model (GCM), like most climate models, still has difficulties to represent correctly these two modes of tropical intraseasonal variability. One of the causes of this deficiency has been attributed to the lack of intense rain events organized at large scale. If the convection is triggered too easily in a GCM, the convective instability cannot accumulate in a column and trigger an organized convection at a basin scale. This thesis consisted in testing the role of several ways of inhibiting the convection in the simulation of the MJO in the LMDZ GCM. For this purpose, we have first evaluated the impact of entrainment and closure assumptions of the convective scheme on the structure of the atmospheric column using a 1D model and on the tropical variability using the LMDZ GCM. An entrainment that is dependant on the relative humidity of the environment has been implemented in the Tiedtke (1989) convective scheme. The new entrainment inhibits the convection in a dry environment and promotes the convection in a humid environment. This favours strong ascents and subsidence and consequently increases the variance of precipitation at all time scales. The new closure, based on the convective instability (CAPE) instead of the moisture convergence, decreases the occurrence of strong rain events and gives a more realistic mean state. The east-west ratio is increased at intraseasonal scale but it is not sufficient to organise correctly the eastward propagation related to the MJO. The seasonal cycle of the tropical precipitation over India is however improved. The LMDZ is able to reproduce correctly the signature of the northward propagation of the BSISO with a period of 40 days in Boreal Summer. We have shown, with A Local Mode Analysis (LMA), that the new entrainment produces intraseasonal perturbations related to the northward propagation of the BSISO which are more reproducible and more organized on the northern Indo-Pacific region.

L’objectif de la thèse était d’analyser deux types de perturbations de l’ionosphère supérieure observées sur les mesures de plasma fournies par le satellite DEMETER.Les premières sont des Perturbations Ionosphériques Itinérantes de moyenne échelle engendrées par l’action sur le plasma des ondes de gravité atmosphériques qui se propagent jusqu’à haute altitude. Elles prennent la forme de variations quasi-périodiques de densité du plasma qui peuvent atteindre des amplitudes considérables et sont plus fréquentes dans l’hémisphère Sud avec un maximum au-dessus de l’Océan Pacifique. Elles peuvent modifier l’électrodynamique de l’ionosphère et amplifier le champ électrique d’origine dynamo.Les secondes sont observées dans l’ionosphère équatoriale comme des augmentations à grande échelle de la densité du plasma sous la forme de plateaux. En fonction des conditions d’activité magnétique, des dépressions de densité à moyenne échelle peuvent apparaitre sur les plateaux et conduire à la formation des bulles de plasma équatoriales. / This thesis aims at analyzing two kinds of ionospheric disturbances observed on plasma measurements on-board the DEMETER satellite.The first events are Mid-Scale Traveling Ionospheric Disturbances that develop through the interaction between atmospheric gravity waves and the ionospheric plasma. They are observed as quasi-periodic variations of the plasma density that may reach very large amplitudes and are more frequently observed in the Southern hemisphere with a maximum over the Pacific Ocean. These MSTID may strongly modify the electrodynamics of the mid latitude ionosphere and form structures where the dynamo electric field is significantly enhanced.The second events are detected in the equatorial ionosphere as large scale enhancements of the plasma density under the form of plateau. Depending on the level of magnetic activity these large scale structures may be modified by mid-scale density depletions that, eventually, get instable and led to the formation of depleted plasma bubbles.

L'observation de la variabilité de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère peut être réalisée en passant par la mesure du paramètre thermodynamique appelé réfractivité. Les radars météorologiques peuvent mesurer les changements de réfractivité dans la couche limite de l'atmosphère en exploitant la phase des signaux de retour des cibles fixes situées aux alentours. La cartographie de ce paramètre a été mise en place à plusieurs reprises lors de campagne de mesures aux Etats-Unis et en Europe, ce qui a démontré qu'elle est maintenant possible dans un rayon de 30 km autour du radar, avec une résolution temporelle de 15 minutes et une résolution spatiale de 5 km. . Un travail de simulation fait par Besson et al. 2012, à l'origine fait pour étudier les sources d'erreur de repliement de la phase, a permis de montrer que la variabilité de la réfractivité augmente considérablement notamment pendant les après-midi et l'été. Depuis trois ans, le travail mené au LATMOS et à Météo-France a consisté à étudier la possibilité de mesurer les fluctuations à l'échelle hectométrique dans l'atmosphère en utilisant la variabilité de la réfractivité. La première étape de ce travail, basée sur un jeu de données issues des réseaux opérationnels de Météo-France (stations automatiques et radar de Trappes) a permis d'établir un lien clair entre les variabilités à 5 minutes, de la réfractivité radar, et de la réfractivité in-situ.La deuxième étape du travail a consisté à regarder la nature de ce lien à plus petite échelle pour comprendre les limites éventuelles de la mesure. Ainsi, une campagne de mesure, TeMeRAiRE (Test de la Mesure de Réfractivité Atmosphérique par Radar à l'Echelle hectométrique) a été menée durant l'été 2014 sur le site instrumenté du SIRTA. Afin de se placer en conditions contrôlées, deux radars ont été placés en visée fixe et horizontale vers 4 réflecteurs connus. L'échantillonnage temporel était de 0,25s pour BASTA et de 1,5ms pour CURIE. Des stations de mesures in-situ ont également été placées à côtés des cibles. Les premiers résultats montrent que la mesure de réfractivité, et de sa variabilité, est possible aux fréquences utilisées (bande X et bande W), ce qui constitue en soi une première. Nous avons aussi pu démontrer que la différentiation spatiale conduit à une résolution spatiale de l'ordre de 100m, et proposer une explication pour un comportement spécifique, et très localisé, de la réfractivité sur le site du SIRTA. e but est maintenant de regarder, par le biais de comparaisons entre les différents instruments, si la mesure radar de la variabilité de la réfractivité dans un volume d'atmosphère constitue effectivement une mesure locale, et si cette dernière peut donner une information sur l'état turbulent de l'atmosphère et son évolution. / Weather radars can retrieve refractivity changes based on phase variations of stationary targets. These retrievals provide valuable information of moisture in the atmospheric boundary layer along the radar path. Recent work on errors associated with these retrievals has shown that the refractivity variability is stronger during the afternoon and the summer season. This observation has led us to study further the link between the refractivity variability measured by radar and the small scales atmospheric fluctuations. First, we compared the variability of the refractivity retrieved from operational weather radars operating at C-band (5.6 GHz) to the variability of the refractivity directly measured by Automatic Weather Stations (AWS). A strong correlation between the two measurements was shown with a negative bias increasing with range from the radar. The bias is well explained when the variability signal is strong if one considers the model of a frozen turbulence transported by the wind. In winter, the measured variability was weaker and close to quantization noise of the AWS measurements, so it was more difficult to draw thesame conclusions. Overall, we were able to demonstrate qualitatively and quantitatively that the refractivity variability retrieved using the radar observations and measured by AWS stations is due to low-level coherent turbulent structures. Next, in order to obtain information at hectometre’s scales, a dedicated field campaign was conducted at SIRTA atmospheric observatory, near Paris. From June to September 2014 two radars (a 94 GHz W-band and a 9.5 GHz X-band radar) were pointing horizontally toward four corner reflectors aligned along a 700 meters line. Two wind and humidity high frequency measurement towers were deployed near the targets. Inter-comparisons between radar and in-situ refractivity measurement also showed a very good correlation. We finally demonstrated the possibility to compute radar refractivity on the path between two targets separated by 50 to 350 m and used this measure of the local variability of the refractivity to identify boundary processes linked to low level atmospheric turbulence.

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).

The mean strengths of the wintertime stratospheric polar vortices are known to be related to the phase of the quasi-biennial oscillation (QBO) in the tropical stratosphere from circulation statistics - the "Holton-Tan relationship". The principal topic of this thesis is improving understanding of the mechanism behind the QBO's influence. Following the example of previous studies, the QBO influence on the Northern Hemisphere (NH) extratropics on monthly time scales in an observational reanalysis is examined, and is shown to closely resemble the stratospheric Northern annular mode (NAM). It is argued that this may not be informative about the mechanism, as the response could be NAM-like for many different mechanisms. It is suggested that examining the transient response of the NH extratropics to forcing by the QBO would be much more informative, particularly on time scales of a few days. In a primitive equation model of the middle atmosphere, the long-term stratospheric NH response to imposed zonal torques is often found to be NAM-like under perpetual January conditions, with wave feedbacks making a very important contribution. However, the response in runs with a seasonal cycle is not NAM-like. Investigation of the transient responses indicates the wave feedbacks are qualitatively similar in each case but only strong enough under perpetual January conditions to make the long-term response NAM-like. This supports the hypothesis that feedbacks from large-scale dynamics tend to make the stratospheric response to arbitrary forcings NAM-like, and therefore indicates that the long-term response is not generally useful for understanding forcing mechanisms. Examining the short-term transient response to known torques is found to be more successful at inferring information about the torques than several other previously proposed methods. Finally, the short-term transient response of the NH extratropics to forcing by the easterly QBO phase in a general circulation model is found to be consistent with the proposed mechanism of Holton and Tan (1980), indicating that this mechanism plays a role in the Holton-Tan relationship.