La thèse s'est inscrite dans le cadre du programme international AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) qui vise à mieux renseigner, comprendre et prévoir la mousson de l'Afrique de l'Ouest et ses variabilités. La distribution de l'ozone dans un plan altitude-latitude a été simulée à l'aide d'un modèle méso-échelle bidimensionnel afin d'évaluer les processus participant à la formation des gradients méridiens d'ozone tels qu'ils sont observés en haute et basse troposphère grâce aux mesures aéroportées des programmes MOZAIC et AMMA. Une seconde partie est consacrée à l'analyse des données de radiosondages ozone effectués à Cotonou, Bénin. Les variations saisonnières et interannuelles de la distribution verticale de l'ozone en Afrique de l'Ouest sont soulignées. Le transport inter-hémisphérique des émissions des feux de biomasse pendant l'été boréal est démontré avec l'aide de modèles numériques (chimie-transport et dispersion lagrangienne de traceur passif).

Ce travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du programme AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine), vise à modéliser le fonctionnement hydrologique de la Haute Vallée de l'Ouémé (14400 km$²$) au Bénin. Il a pour but de réaliser une première estimation des bilans hydrologiques et de contribuer au développement d'outils capables de simuler les impacts climatiques et anthropiques sur la ressource en eau. Dans un premier temps, nous avons cherché à caractériser le fonctionnement hydrologique de la région, et à quantifier les principaux termes du bilan hydrologique à méso-échelle. Pour conceptualiser ces bassins versants, une démarche comparative a été adoptée, et deux modélisations parcimonieuses ont été mises en oeuvre: GR4J, structure empirique et générique, et TOPAMMA, formalisme dérivé de TOPMODEL et développé au cours de ce travail. Un cadre d'évaluation complet a été défini, permettant de juger les modèles en terme: (i) de performances, (ii) d'incertitudes associées à leurs prédictions ; (iii) de réalisme. Ainsi, bien que leurs performances pour simuler la relation pluie-débit soient comparables, ces modèles se distinguent lorsque les incertitudes sur les simulations et les autres composantes du cycle hydrologique sont considérées. La variabilité hydro-climatique observée dans la région au cours de 50 dernières années a également permis d'évaluer le pouvoir d'extrapolation des modèles et leur application dans des conditions non stationnaires. Nous nous sommes en particulier intéressés aux aspects méthodologiques de la détection de changements de la relation pluie-débit à partir des modèles hydrologiques. Enfin, une première estimation de la sensibilité de la réponse hydrologique au régime de mousson a été réalisée, à travers différents scénarios de forçage pluviométrique.

Les travaux présentées visent à améliorer nos connaissances sur les propriétés radiatives des aérosols désertiques aussi bien dans les courtes longueurs d'onde (SW) que dans les grandes longueurs d'onde (LW) ainsi que sur leur forçage sur la dynamique atmosphérique. Cette caractérisation est essentielle en particulier dans la région de l'Afrique du nord, qui est la plus grande source d'aérosols minéraux. Cette étude est basée sur une complémentarité entre les plateformes de mesure in situ au sol ou aéeroportées et les observations de télédétection au sol, aéroportées ou spatiales. Ces travaux se réalisent dans le cadre de la campagne de mesures AMMA qui a eu lieu en 2006, au cours d'un épisode particulièrement intense de soulèvement de poussières à l'est du continent et de transport vers l'ouest pendant une semaine. L'analyse met en évidence l'importance des aérosols désertiques sur le bilan radiatif au-dessus de l'Afrique de l'Ouest à l'échelle régionale (impact non négligeable dans le SW mais aussi dans le LW), de jour comme de nuit avec des chauffages compris entre 1.5Kjour-1 et 4Kjour-1 en moyenne de jour dans la couche d'aérosols. A la mi-journée, les taux de chauffage peuvent atteindre localement 8Kjour-1 dans les parties les plus épaisses optiquement des panaches d'aérosols de poussières désertiques. De nuit, on observe un refroidissement de l'ordre de 0.5 K jour-1 à 1Kjour-1 dans la couche de poussières et un réchauffement à la surface. Ce chauffage n'est pas sans impact sur la dynamique atmosphérique en Afrique de l'ouest du fait de son in-homogénéité spatiale et de sa variabilité temporelle. Il conduit à des modifications non seulement sur la température et l'humidité, mais également sur la force et la direction du vent. Ces modifications engendrent des changements significatifs sur le système de la mousson, comme nous avons pu le montrer à partir de simulations numériques effectuées à l'aide d'un modèle de méso-échelle. Plus précisément, la présence d'aérosols désertiques entre 1 et 4 km d'altitude est à l'origine d'un chauffage radiatif non négligeable possédant un cycle diurne à l'origine de modifications des gradients de température non seulement verticaux mais également horizontaux. Le panache d'aérosols ainsi observé au nord du Jet d'Est Africain (AEJ, African Easterly Jet) se montre propice à une augmentation des gradients verticaux de vent à l'origine de l'intensification de l'AEJ. La présence de ce panache produit également un renforcement de la structure périodique en vent. Plus bas en altitude, la dépression thermique et les vents associés sont intensifiés, du fait également, de la modification des gradients de température associés à la présence du panache d'aérosols. Le dernier volet de ces travaux porte sur la détection de ces aérosols dans l'infra-rouge au dessus du continent Africain à des fins de suivi et de prévision en utilisant les températures de brillance satellitaires. La méthode proposée de " pseudo-correction " de la vapeur d'eau sur les différences de température de brillance (BTD10-12 micromètres), permet une différenciation optimale des aérosols et des nuages au-dessus du continent. La méthode mise au point est particulièrement efficace au sud de 14°N (région Soudanienne où le couvert végétal est non négligeable), i.e. une partie du continent Africain au-dessus de laquelle très peu d'informations sont fournies par les radiomètres classiquement utilisés pour la détection des poussières.

Dans le cadre du présent travail de recherche, deux nouveaux mécanismes de soulèvements d'aérosols désertiques en Afrique de l'Ouest, durant la saison de mousson, ont été identifiés: 1- Le premier étant lié aux forts vents turbulents au niveau du front de mousson dans la région du front intertropical, très actif durant la nuit et les premières heures de la journée (Bou Karam et al., 2008). 2- Le deuxième est lié à la formation de cyclones dans la région du front intertropical, phénomène mis en évidence au cours de cette thèse, comme étant la réponse: (a) Au blocage orographique exercé par les massifs du Hoggar et de l'Air sur les masses d'air froides advectées au dessus du continent Nord Africain depuis la Méditerranée et (b) au cisaillement horizontal caractérisant le front intertropical (Bou Karam et al., 2009a). Les mécanismes identifiés, en plus de leur efficacité en termes d'émissions d'aérosols, offrent des conditions dynamiques nécessaires pour l'injection des aérosols mobilisés à des hautes altitudes, leurs donnant ainsi le potentiel pour contribuer au transport à grandes échelles spatiales et temporelles. La représentativité dans le modèle atmosphérique MesoNH de trois mécanismes forçant les émissions d'aérosols a été examinée. Ainsi, le modèle était capable de reproduire d'une manière très satisfaisante les soulèvements associés: Aux jets de basses couches (Todd et al., 2009), au front de mousson (Bou Karam et al., 2009b) et aux cyclones sahéliens (Bou Karam et al., 2009a). Par ailleurs, les études numériques ont permis de quantifier les émissions associées à chacun des mécanismes, les résultats du modèle ont suggéré que les émissions dans la région du front intertropical, durant la saison de mousson quand le front est positionné au-dessus des hot-spots de l'Afrique de l'Ouest, sont du même ordre (0.8 Tg en moyenne par jour) que celles estimées dans la région de Bodélé au Tchad, connue pour être la région source la plus importante de l'Afrique au nord de l'Equateur

La mousson africaine est un phénomène complexe issu du couplage entre le continent, l'océan et l'atmosphère. De nombreuses études ont montré un lien entre le refroidissement saisonnier de l'océan dans le golfe de Guinée (upwelling équatorial) et la mousson. Cette thèse vise à explorer les mécanismes d'interactions océan-atmosphère agissant sur les précipitations côtières de la mousson africaine au printemps boreal. Ce travail s'appuie à la fois sur des mesures in situ et satellites, et sur des données de réanalyses. La saison de mousson de 2006 a été analysée grâce au grand nombre de données rassemblées cette année-là par le programme AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine). Cette étude a permis de décrire la couche limite atmosphérique marine dans l'Est de l'Atlantique équatorial. Il en résulte que le front de température de surface de l'océan (SST) établi au nord de l'upwelling équatorial est une zone clé des interactions océan-atmosphère dans cette région. Ainsi, il a été observé qu'un refroidissement de quelques jours de la SST au sud de l'équateur est engendré par un coup de vent des alizés de sud-est et a pour effet d'intensifier le front de SST. Le vent de surface a alors tendance à ralentir au-dessus des SST froides et accélérer au-dessus des SST chaudes. L'effet des coups de vent dans le golfe de Guinée sur les précipitations côtières a ensuite été étudié à partir de mesures satellites et de réanalyses sur la période 2000-2009. Il apparaît qu'une succession de coup de vent entraîne une succession de refroidissement dans la zone d'upwelling équatorial. Ces refroidissements intensifient le front de SST qui agit sur le vent de surface et la circulation atmosphérique avec pour effet de favoriser la convection à la côte. Ces résultats confirment donc le rôle essentiel du front de SST et confortent l'hypothèse de son influence sur les précipitations côtières. Enfin, ces événements intrasaisonniers semblent influencer l'évolution saisonnière des précipitations durant la période qui précède le déclenchement de la mousson africaine.

La modulation des précipitations due aux lignes de grains affecte directement les populations d'Afrique de l'Ouest. C'est pour mieux comprendre la relation entre ces sytèmes et la mousson qu'a été mis en place le projet Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) qui s'est accompagné d'une grande campagne de mesure en 2006. C'est dans ce cadre qu'a été déployé le radar RONSARD qui nous a permis d'obtenir des champs de vent d'une part, et des classifications polarimétriques d'autre part. Cette étude tire son intérêt d'une utilisation combinée d'observations, de classifications polarimétriques du RONSARD et de modélisation grâce à une méthode de restitution microphysique, initialement développée pour les fronts européens, et adaptée aux conditions tropicales, et à l'intensité des lignes de grains. Le modèle microphysique a permis d'effectuer des restitutions en accord avec les observations du RONSARD. Pour représenter au mieux la partie convective et stratiforme d'une ligne de grains, on a montré qu'il fallait représenter au moins deux espèces de glace précipitante (graupels et neige). On a mis en évidence la compétition entre le dépôt de vapeur d'eau sur la glace précipitante et la condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes de nuage liquide dans la formation des précipitations glacées, et le rôle de celles-ci dans la formation des précipitations liquides. Le modèle microphysique nous a permis de déterminer les processus importants dans la formation des précipitations, à savoir la condensation de la vapeur d'eau en nuage liquide, la fonte, le givrage et l'accrétion du nuage liquide par la pluie. L'utilisation d'un modèle diagnostique microphysique et d'un modèle de transfert radiatif permet de relier le contenu en glace à la température de brillance, mais surtout d'établir des relations entre processus microphysiques, température de brillance et contenus intégrés en eau.

Les travaux réalisés au cours de cette Thèse ont contribué à améliorer l'estimation de l'humidité de surface du sol et de l'humidité racinaire sur la bande sahélienne en Afrique de l'ouest. La première partie a été consacrée à évaluer la capacité de différents algorithmes d'estimations de l'humidité du sol basées sur des mesures satellites dans le domaine spectral de l'infrarouge thermique. Dans un deuxième temps, une méthode a été développée dans le but d'obtenir une cartographie de l'humidité du sol à une résolution temporelle fine (< 3h) en se basant sur deux produits satellites: un produit satellite de précipitation et une cartographie journalière micro-onde sensible à l'humidité du sol. Dans un troisième temps, une évaluation de la fiabilité et de la robustesse de la méthodologie a été proposée. Enfin, une méthode semi-empirique a été utilisée afin de produire une cartographie de l'humidité de la zone racinaire (0-1 m) sur l'ensemble de la bande sahélienne. Les mesures de terrain obtenues sur trois sites situés au Mali, au Niger et au Bénin dans le cadre du programme AMMA ont servi de référence pour évaluer la qualité des estimations de l'humidité superficielle et racinaire à chaque étape de ce travail. Les résultats montrent qu'une estimation de l'humidité superficielle du sol est possible avec une précision de moins de 3 % vol. sur la bande sahélienne. L'erreur est de l'ordre de 5% vol. sur la zone soudanienne (Bénin). La précision est identique sur l'estimation de l'humidité racinaire. Enfin, la méthode développée permet parallèlement de corriger les produits satellites de précipitation et notamment la surestimation du cumul annuel et du nombre d'événements des trois produits satellites utilisés dans ce travail.

C'est a l'échelle de la turbulence que se produit l'entraînement d'air sec du flux d'Harmattan a l'intérieur du flux humide de Mousson. Ce processus de petite échelle est analysé dans le cadre du programme AMMA (Analyse Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) qui vise a mieux renseigner et prévoir la mousson de l'Afrique de l'ouest. Les mesures atmosphériques réalisées par l'avion de recherche français ATR-42 et la modélisation des grands tourbillons (LES) sont complémentaires et permettent de documenter la structure verticale, moyenne et turbulente de la couche limite Sahélienne, de d'écrire les intrusions d'air sec et leur contribution dans les transferts turbulents, de quantifier le processus d'entraînement, de tester les paramétrisations existantes et de les relier aux conditions de grande échelle, et aux caractéristiques de la couche limite et de ses interfaces, notamment du cisaillement de vent Mousson/Harmattan.

Le changement climatique est relié à l'évolution de la composition chimique de l'atmosphère et de sa capacité oxydante, impliquant le système COV-NOy-HOx-O3. La troposphère tropicale, de l'Afrique de l'Ouest en particulier, joue un rôle critique sur la composition atmosphérique globale pour trois raisons majeures : (1) l'existence d'importantes sources de précurseurs d'espèces photooxydantes, (2) une photochimie active, (3) une activité convective intense en période de mousson. Pour évaluer son rôle, il est nécessaire de bien caractériser ces différents processus et leur interaction. Cette question est au coeur du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dans lequel s'inscrit cette thèse. Ce travail a pour objectif de caractériser et d'évaluer l'impact de la convection nuageuse profonde sur la chimie photooxydante de la troposphère libre en Afrique de l'Ouest, en particulier pour les composés organiques volatils (COV), qui sont d'importants précurseurs d'ozone. Ce travail s'appuie sur les données physico-chimiques recueillies sur les deux avions de recherche français au cours de la campagne d'observation intensive de l'été 2006 de AMMA. Afin de compléter le dispositif instrumental embarqué, une nouvelle instrumentation de mesure indirecte des COV a été d'abord développée. Puis, l'utilisation de traceurs physico-chimiques et la mise en place d'outils diagnostiques appliqués aux COV (profils verticaux de concentrations, rapport de concentration de COV ad hoc, horloge photochimique, réactivité totale vis-à-vis de OH) ont montré que la convection profonde assure un transport vertical rapide et efficace des espèces gazeuses réactives émises près de la surface vers la haute troposphère. Enfin, un modèle photochimique de boîte 0D a permis de renseigner l'évolution de la composition chimique des masses d'air post-convectives. Les simulations montrent que les espèces transportées par la convection participent activement à la chimie et conduisent à une production nette et significative d'ozone dans la haute troposphère. La sensibilité de la production d'ozone aux précurseurs gazeux (COV et NOx) a été également évaluée

Les océans expliquent une part importante de la variabilité des pluies de mousson en Afrique de l'ouest. Quels sont les mécanismes physiques de ces interactions océan- atmosphère ? Comment sont-elles reproduites par les modèles de climat ? Ces deux questions sont ici abordées, en séparant d'emblée les échelles de temps interannuelles et décennales, et en confrontant les simulations réalisées pour le 4e rapport du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (GIEC) aux données observées du xxe siècle. À l'échelle interannuelle, les anomalies de température à la surface du Pacifique équatorial, du golfe de Guinée, et de la Méditerranée sont statistiquement liées aux anomalies des pluies d'Afrique de l'ouest. La question de la stationnarité de ces liens au cours du xxe siècle est brièvement abordée. Les mécanismes physiques sont ensuite appréhendés dans les réanalyses atmosphériques et dans les simulations couplées du GIEC. Pour comprendre le comportement du modèle du Centre national de recherches météorologiques (CNRM), différentes expériences de sensibilité sont réalisées en prescrivant à l'océan une tension de vent réanalysée, sur le Pacifique tropical ou sur tout globe. Une simulation atmosphérique avec des températures de surface prescrites est aussi utilisée pour discuter du rôle du couplage océan-atmosphère. Étant donné le caractère saisonnier de la mousson africaine, le phasage temporel de la variabilité océanique doit être considéré avec attention. Dans les modèles couplés, les biais de l'El Niño-Southern Oscillation (ENSO) et de l'Atlantic Niño conduisent en effet à des interactions océan-mousson différentes de celles observées. À terme, une meilleure compréhension et simulation de la variabilité océanique et de ses influences pourrait permettre d'améliorer les scores de prévision saisonnière sur l'Afrique de l'ouest