L'urbanisation des surfaces est à l'origine de l'îlot de chaleur urbain : les températures au centre des villes sont plus élevées que dans les zones rurales environnantes. Ces phénomènes ont été étudiés pour deux campagnes de mesures. La première a eu lieu à Marseille pendant l'été 2001. L'îlot thermodynamique a été suivi par un réseau optimisé pour cette ville côtière. La nuit, l'urbanisation est le premier facteur d'explication de la variabilité de température alors que le jour cet effet est balayé par le régime de brise. Le jour les mesures des flux turbulents sont affectées par cet écoulement frais et humide. La deuxième campagne a été menée sur Toulouse pendant un an de février 2004 à mars 2005. Les données acquises ont permis de montrer l'impact des rejets anthropiques de chaleur sur le bilan d'énergie en hiver : ils peuvent atteindre plus de 100 W m-2 et compenser la moitié du déficit d'énergie solaire.

Ce travail a permis de modéliser le bilan de masse superficiel sur le bassin versant du Glacier 15 du massif Antisana (0.28 km2; 0°28'S, 78°09'W), dans les Andes tropical de l'Equateur. Le bilan de masse superficiel (MBS) entre 2000 et 2008 sur le glacier 15a de l'Antisana a été modélisé en utilisant deux approches parallèles : un modèle empirique de type degré-jour et un modèle physique de type bilan d'énergie.Dans un premier temps, la fonte a été calculée à l'aide de la température moyenne et des cumuls de précipitations alors que le calcul de la sublimation a été réalisé grâce à la vitesse du vent. Ce modèle a été appliqué au pas de temps journalier et a été calé à 4900 m d'altitude entre mars 2002 et août 2003 et validé entre janvier et novembre 2005. Un lien significatif entre la température et la fonte apparaît lorsqu'une distinction entre neige et glace est effectuée. La relation entre la fusion et la température est expliquée essentiellement par le lien significatif existant entre le bilan radiatif de courtes longueurs d'onde et la température, car le rayonnement solaire est aussi le principal moteur de la fonte. Néanmoins, cette relation disparaît dès lors que le vent devient intense. Ce point a cependant peu de conséquences sur les calculs effectués, car les périodes ventées sont marquées par des températures faibles. Le modèle a été appliqué pour évaluer dans quelle mesure cette approche est appropriée pour modéliser le bilan de masse superficiel, l'ablation, et les altitudes de la ligne de neige et de la ligne d'équilibre. Les résultats montrent qu'un modèle empirique de type degré-jour permet une modélisation précise du MBS à l'échelle d'un glacier en Equateur. Néanmoins, ce modèle ne devrait pas être appliqué à d'autres régions tropicales, en particulier là où la sublimation est importante (grâce à une saison sèche prononcée) ou lorsque les glaciers sont situés au-dessus de l'altitude moyenne de l'isotherme 0°C.Dans un deuxième temps, un modèle de bilan d'énergie superficiel (BES) distribué développé initialement pour des applications en Terre d'Adélie (Antarctique) a été appliqué sur le site du glacier 15a de l'Antisana pour quantifier l'ablation de la glace et de la neige. Ce modèle a été adapté pour les conditions tropicales puis forcé à l'aide des mesures météorologiques obtenues à proximité et sur glacier 15a. Le modèle a tout d'abord été appliqué à une altitude de référence à 4900 m pour une pente de 28° et avec un azimut NO (45°). La spatialisation du bilan d'énergie a ensuite été effectuée en discrétisant le glacier par tranches de 50 m d'altitude, puis en calculant la pente et l'azimut moyen de chaque tranche à l'aide de un modèle numérique de terrain (MNT) précis du glacier. Les données d'entrées ont été distribuées sur la langue du glacier 15a en supposant que les forçages météorologiques varient selon des gradients verticaux constants. Ces gradients ont été établis à partir de mesures de terrain. Le modèle a été calé à partir des données de bilan de masse mensuel et d'albédo journalier mesurées sur le glacier 15a entre mars 2002 et août 2003, puis validé à partir de mesures obtenues entre janvier 2005 et décembre 2008. Le modèle reproduit précisément les variations spatiales et temporelles du bilan de masse entre 4850 m et 5700 m d'altitude. Les résultats inédits de bilan d'énergie de surface distribués sur le glacier 15a ont ainsi permis d'analyser les processus physiques à l'origine des variations spatio-temporelles de l'ablation. Enfin, cette étude explique pour la première fois pourquoi les modèles de type degré-jour donnent systématiquement des résultats de bonne qualité dans cette région, venant contredire les résultats d'études antérieures. Cette thèse constitue ainsi une étape importante dans la compréhension de la sensibilité des bilans de masse aux variations de température dans cette région. / Antisana Glacier 15 basin surface mass balance (SMB) (0.28 km2;0°28'S,78° 09'W, 5750 m), located in the tropical Andes of Ecuador, between 2000 and 2008 has been modeled using two models: an empirical positive degree-day (PDD) and other physical surface energy balance approach..As a first stage, melting was calculated using daily temperature and the cumulative precipitation while sublimation was computed as wind-speed function. The PDD was applied at daily-time step and calibrated at 4900 m a.s.l. The period time to calibrate was March 2002 - August 2003 and validated was January - November 2005. A significant link between melting rates and temperature was revealed when model discriminates snow and ice surface. This relationship is explained by the link between the short-wave radiation and air temperature. However, this relationship disappears under intense wind-speed events, however this events show low air temperature, therefore they are not affect the final results. The PDD model was applied for modeling SMB, ablation, snow-line position and equilibrium line altitude. The results show this model type fits to SMB measures over Antisana glacier. However, it should not apply to other tropical regions, particularly where there are high sublimation rates (pronounced dry seasons) or where glaciers are located under the isotherm 0 ° C.A second stage, a distributed surface energy balance (DBES) model over glacier 15a of the Antisana was applied to quantify ice and snow ablation. For this task was used a model adapted to tropical conditions from Adélie Land-Antarctica BES model. Initially, the model was applied at 4900 m.a.s.l. , with a slope of 28º and NW (45 °) azimuth. For computing DBES, the glacier was divided in 18 altitude strips ( 50m/level). The model generated slops and azimuths from a digital elevation model (DEM). The meteorological vertical gradients were measured in the study zone. This values was used into de model as constants during both periods calibration and validation. The DBES model reproduced the spatial variation and temporal of SMB between 4850 m.a.s.l. and 5700 m.a.s.l.. The unpublished results of SEB distributed on the glacier 15a allowed to analyze the physical processes that to generate the spatio-temporal variation of the ablation.The DBES results show that the model applied in a former research was based on wrong assumptions and inaccurate. The results of DBES and PDD models show that the accumulated precipitation measured at the bottom of the glacier are greatly underestimated. It implies the need for new protocols for improving the precipitation measurement. Both the former research and SEB confirm the crucial role of shortwave radiation and albedo values over glacier melt. It puts also in evidence that snow metamorphism in the study zone occurs faster than other latitudes, associated with accelerated degradation of surface albedo. Finally, this research explains the reason why the PDD model provides good quality results in this region, which contradicted the results of previous study. This research contributes a better understanding about sensibility of SMB with temperature variations in the inner tropics.

L'évapotranspiration (ET) et ses deux composantes, l'évaporation du sol et la transpiration des plantes, jouent un rôle crucial dans le cycle hydrologique, en particulier dans les régions semi-arides. Le suivi de l'évaporation du sol à des échelles multiples est particulièrement intéressant pour une multitude d'applications agronomiques, hydrologiques, météorologiques et climatiques, pour lesquelles la télédétection a un grand potentiel via deux observables clés liées à l'évaporation: la température de surface (Land Surface Temperature - LST) et l'humidité du sol en surface (Soil Moisture - SM). Cette thèse avait pour but d'améliorer la représentation spatio-temporelle de l'évaporation du sol, par une modélisation multi-échelle capable d'utiliser la synergie des données de télédétection disponibles. Une nouvelle méthodologie a été développée afin d'estimer l'efficacité évaporative du sol ou SEE (Soil Evaporative Efficiency, définie comme le rapport entre l'évaporation du sol réelle et celle potentielle), avec une résolution comprise entre 100 m et 40 km. Elle combine l'humidité du sol dérivée à 40 km de résolution des données micro-ondes, la température de surface, le couvert végétal et l'albédo de surface issues des capteurs optiques avec une résolution spatiale variant de 100 m and 1 km, et des données météorologiques. Cette approche a été testée sur des zones irriguées semi-arides au Maroc, au Mexique et en Espagne. Dans une première étape, un modèle du bilan d'énergie du sol (EBsoil) a été proposé pour estimer les limites humide/sèche d'un modèle de l'ET basé sur la LST. Les sorties du modèle EBsoil ont été validées avec des mesures in situ de la température du sol réalisées au Maroc. Les estimations de l'ET obtenues soit uniquement à partir des données de télédétection, soit en utilisant EBsoil, ont ensuite été comparées avec une ET de référence sur le site mexicain pour des résolutions de 100 m et 1 km. Les résultats ont montré que l'intégration de EBsoil améliore les estimations de l'ET à la résolution de 1 km. L'étape suivante s'est concentrée sur la dynamique temporelle de la SEE, en utilisant la technique de la modélisation globale. Cette approche a été utilisée jusqu'à présent pour un petit nombre de contextes environnementaux, avec encore moins de modèles obtenus qui sont en mesure de reproduire la dynamique d'origine. Pour la première fois, un modèle chaotique de dimension quatre a été obtenu pour le cycle journalier de la SEE, capable de reproduire la dynamique de la variable avec une bonne approximation dans l'espace des phases. Dans une dernière étape, les deux approches de télédétection utilisées pour calculer la SEE - en fonction de la LST ou de la SM - ont été combinées dans un algorithme de désagrégation (DISPATCH) des données SM SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). EBsoil a été intégré dans DISPATCH et un nouvel algorithme a été développé: DISPATCH-E. Une évaluation indirecte de l'approche de modélisation de la SEE a été implémentée sur le site espagnol en comparant la SM DISPATCH-E aux mesures in situ. L'intégration de EBsoil améliore significativement la SM désagrégée à 1 km de résolution. De plus, elle fournit des points de référence pour l'étalonnage des modèles multi-résolution de la SEE, ainsi qu'une évaluation indépendante de l'incertitude des données de télédétection. / Evapotranspiration (ET) and its two main components, soil evaporation and plant transpiration, play a crucial role in the hydrological cycle, especially over semi-arid regions. Monitoring soil evaporation at multiple scales is especially relevant to a multitude of agronomic, hydrologic, meteorological and climatic applications, where remote sensing-based approaches have great potential via two evaporation-related observable variables: the land surface temperature (LST) and the surface soil moisture (SM). The aim of this PhD was to try and improve the spatio-temporal representation of soil evaporation by developing a multi-scale modeling approach that makes use of the synergy between readily available remote sensing data. A new methodology was developed to estimate the soil evaporative efficiency or SEE (ratio of actual to potential soil evaporation) at 100 m to 40 km resolution by combining 40 km resolution microwave-derived SM, 100 m to 1 km resolution thermal-derived LST, 100 m to 1 km resolution reflectance-derived vegetation cover/surface albedo and available meteorological data. The approach was tested over three different semi-arid irrigated areas in Morocco, Mexico and Spain. In a first step, a soil energy balance model (EBsoil) was proposed to improve the determination of the dry/wet boundaries of a LST-based ET model. EBsoil outputs were validated against in situ measurements of dry/wet soil temperatures over the Moroccan site. ET estimates were subsequently derived either from remote sensing data solely or by using EBsoil and intercompared at 100 m and 1 km resolutions with a reference ET over the Mexican site. Results showed that integrating EBsoil improves ET estimates at a medium (1 km) resolution. The next step consisted in looking into the temporal dynamics of SEE, using the global modeling technique, approach used for a very small number of environmental contexts, with even fewer models obtained that are able to reproduce the original dynamics. For the first time ever, a four dimensional chaotic model was obtained for the daily cycle of SEE, able to reproduce the dynamics of the variable with a good approximation in the phase domain. In a final step, the two remote sensing approaches used in deriving SEE - as a function of LST or SM - were combined within a disaggregation algorithm (DISPATCH) of SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) SM data. EBsoil was integrated in DISPATCH and a new algorithm was developed: DISPATCH-E. An indirect validation of the SEE modeling approach was performed by assessing DISPATCH-E's results in terms of 1 km resolution SM estimates over the Spanish site. Implementing EBsoil significantly improves the downscaled SM. Furthermore it provides reference points for calibrating multi-resolution SEE models, as well as being an independent way of assessing uncertainty in remotely sensed data.

Le milieu urbain est à l'origine de processus radiatifs, thermiques, dynamiques et hydriques qui modifient le climat de la ville. La couche superficielle du sol, avec la présence plus ou moins importante de surfaces végétales ou d'eau, les activités humaines qui induisent des rejets de chaleur et de polluants, et la structure urbaine, avec des matériaux de construction et une certaine morphologie du cadre bâti, sont les principaux facteurs de cette modification. Le bilan d'énergie thermique permet d'appréhender la majorité des perturbations générées par la ville. A l'aide du schéma Town Energy Balance, développé par Météo-France pour paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l'atmosphère, nous avons effectué des tests de sensibilité du bilan d'énergie à différents facteurs. Ces facteurs appartiennent à cinq domaines d'actions : le bâtiment, l'espace public, l'organisation urbaine, les activités industrielles et les transports. Nos différentes simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres radiatifs dans le bilan d'énergie de la ville en été. Durant l'hiver, ce sont d'autres paramètres thermiques (isolation) qui ont la plus grande influence. Les collectivités territoriales françaises ont à leur disposition plusieurs outils et moyens pour agir en faveur de leur environnement climatique et intégrer des facteurs influant sur le climat urbain : leurs domaines de compétence directe (voirie, bâtiments communaux, espaces verts, etc.), les documents stratégiques d'orientation (SCOT et PLU), les procédures d'aménagement (ZAC et lotissement), l'incitation et l'information de leurs citoyens et de leurs services (Agenda 21 local, Plan Climat Territorial, Approche Environnementale de l'Urbanisme). Elles ne peuvent cependant pas agir avec une liberté suffisante, compte tenu des limites contraignantes entre droit de l'urbanisme et droit de la construction et de l'habitat

Nous étudions les flux turbulents de chaleur sensible et de chaleur latente, qui sont mal compris et mal mesurés sur les glaciers, à l'aide de campagnes de terrain déployées dans la zone d'ablation du glacier tropical du Zongo (16°S, Bolivie, 4900-6000 m) durant la saison sèche de l'hiver austral et sur le glacier alpin de Saint-Sorlin (Alpes Françaises, 45°N, 2600-3400 m) durant l'été boréal. Un mât de 6 m permettait la mesure des profils verticaux de vitesse de vent et de température de l'air et des mâts de 2 m comportaient des systèmes de covariances turbulentes (CT). Nous étudions l'évolution temporelle des flux turbulents et l'applicabilité de la méthode aérodynamique des profils en terrain complexe de montagne. Les hypothèses sont discutées via la caractérisation des régimes de vent et de la turbulence. Nous calculons ensuite les flux et les erreurs associées. Sur le Zongo, sous forçage synoptique faible, un écoulement catabatique s'installe de la fin d'après-midi jusqu'au matin, avec un maximum de vitesse de vent à environ 2 m de hauteur. Les forçages synoptiques forts s'alignent approximativement avec le glacier, provoquant un intense écoulement descendant, et dans ce cas nous n'observons pas de maximum de vitesse de vent. Souvent, autour de midi, des vents ascendants sont observés. Sur le glacier de Saint-Sorlin les forçages associés à des épisodes de Foehn ou à des dépressions se déplaçant depuis l'ouest, s'alignent approximativement avec le glacier, générant des vents forts descendants. Quand le forçage synoptique est modéré, un maximum de vitesse de vent est observé nuit et jour 50% du temps. Des vents ascendants sont observés 15% du temps, quand le forçage synoptique est faible. La couche de surface est perturbée par des tourbillons de couches externes sous vent fort, ou de lentes oscillations en écoulement catabatique. Ces perturbations influencent les flux turbulents. Les erreurs aléatoires sur la méthode des profils sont dues principalement à des incertitudes sur la température. L'erreur reste faible sur les flux moyens. La couche de surface est rarement plus épaisse que 2 m et la méthode des profils appliquée à l'aide des mesures plus obtenus plus haut sous-estime les flux de surface de 20% à 70% . Quand un maximum de vitesse de vent est observé, les flux sont sous-estimés même à 2 m. L'influence des perturbations de la couche de surface n'est pas capturée par la méthode des profils, et les flux sont environ 40% inférieurs à ceux mesurés par CT. Ces derniers sont affectés par d'importantes erreurs aléatoires, en raison d'un échantillonnage statistique insuffisant des grands tourbillons. La méthode sous-estime probablement les flux à cause d'une sous-estimation de la vitesse verticale (~15%) et de la divergence verticale des flux. Sur le glacier du Zongo, l'air de haute altitude est très sec et la sublimation (quelques mm d'eau par jour) est un important puits d'énergie à la surface. Le flux de chaleur sensible est un important gain d'énergie la nuit sous l'influence de vents forts (de 30 à 50 W m-2), car l'inversion de température est marquée. Quand un maximum de vitesse de vent est observé, les flux sont faibles (de 5 à 20 W m-2) car la vitesse du vent est faible. La somme des flux turbulents est faible dans ces deux cas car ils sont opposés et les biais se compensent. En vent ascendant, le flux de chaleur sensible est faible (<5 W m-2) car la stratification est neutre, mais le flux de chaleur latente reste important (de -25 à -35 W m-2), le flux net est donc important et les biais ne se compensent plus. Sur le glacier de Saint-Sorlin, le flux de chaleur latente est faible car l'air est humide, et le flux de chaleur sensible peut être intense (~25 W m-2) quand la vitesse du vent est élevée. Le flux net est fort par vent fort et les biais sur les flux calculés par la méthode des profils peuvent être élevés. / We study turbulent fluxes of sensible and latent heat, that are a poorly-known and difficult term to measure over glaciers, with the help of two field campaigns deployed over the ablation zone of Zongo glacier (16°S, Bolivia, 4900-6000 m.a.s.l.) during the austral winter dry season and over the Saint-Sorlin glacier (French Alps, 45°N, 2600-3400 m.a.s.l.) during the boreal summer. A 6-m mast allowing for wind speed and air temperature vertical profile measurements was installed, along with 2-m masts holding eddy-covariance systems. The focus is on the temporal evolution of turbulent fluxes and the applicability of the aerodynamic profile method in the complex terrain of high mountains. The assumptions of the method are discussed by characterizing the wind regimes and the turbulence. We then compute fluxes and associated errors. Above Zongo glacier, under weak synoptic forcing, katabatic flows are observed from late afternoon to early morning, with a wind-speed maximum at around 2 m. Strong synoptic forcing roughly aligns with the glacier, leading to strong downslope flows for which no wind-speed maximum is observed. Most of the days around noon, upslope flows are observed. On Saint-Sorlin glacier in summer, flows associated with low-pressure systems coming from the west or Foehn events roughly align with the glacier, leading to strong downslope winds. Wind-speed maxima are observed night and day, ~50% of the time, when synoptic forcing is moderate. Upslope flows are observed 15% of the time, when synoptic forcing is weak. The surface layer is disturbed by outer-layer eddies in strong flows and by slow oscillations if katabatic flow prevails. These disturbances influence turbulent fluxes. Random errors on the fluxes derived from the profile method are mainly due to temperature uncertainties. Errors remain small on the mean fluxes. The surface layer is rarely deeper than 2 m on both glaciers and the profile method with measurements made above that height underestimates the surface fluxes by 20% to 70%. When a wind-speed maximum is observed, fluxes are underestimated even at 2 m. The influence on the fluxes of the surface-layer disturbances is not captured by the profile method, and fluxes are about 40% smaller than the eddy-covariance fluxes. The latter are affected by large random errors due to inadequate statistical sampling of large-scale eddies and are probably underestimated, mainly due to vertical wind speed underestimation (~15%) and to vertical flux divergence. Above Zongo glacier, due to the dry high-elevation air, sublimation (a few millimeters w. e. per day) is a large energy loss for the surface. Sensible heat flux is a large energy gain in strong nocturnal downslope flows (from 30 to 50 W m-2) and strong winds, due to a marked temperature inversion. When a wind-speed maximum is observed, low wind speeds cause small turbulent fluxes (from 5 to 20 W m-2). The sum of turbulent fluxes is small in those two cases because the fluxes are opposed in sign and the biases mostly compensate. In upslope flows, the sensible heat flux is small (<5 W m-2) due to near-neutral stratification, but latent heat losses remain large (around -25 to -35 W m-2), so that the net turbulent flux is large and the biases do not compensate. Above Saint-Sorlin glacier, the latent heat flux remains small because the air is generally humid, whereas the sensible heat flux can be large (~25 W m-2) when wind speed is high. The net flux is large when wind speed is high, and the biases on net turbulent fluxes derived from the profiles can be significant.

Le modèle de neige est souvent dépendant du modèle hydrologique avec lequel il est couplé, ce qui peut favoriser la représentation du débit au détriment de celle de la neige. L'objectif est de rendre le calage du modèle de neige plus indépendant de celui du modèle hydrologique en restant facilement utilisable en opérationnel. Dans cette optique, un modèle contraint sur des données d'observations de la neige permettrait d'améliorer d'une part la robustesse des paramètres du modèle de neige et d'autre part la simulation de l'état du manteau neigeux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié et modifié le modèle degrés-jour semi-distribué CemaNeige afin qu'il puisse simuler de manière plus réaliste la variable de surface d'enneigement du bassin versant. Cette modification, couplée au calage du modèle sur des données de surface enneigée et sur le débit, a permis d'améliorer la simulation de l'enneigement par le modèle sans détériorer significativement les performances en débits. Nous alors ensuite débuté le développement d'un nouveau modèle de neige à l'échelle ponctuelle. Celui-ci se compose d'un modèle de rayonnements, simulant les rayonnements incidents à partir de données d'amplitude de températures journalières, et d'un modèle de manteau neigeux. Le modèle de manteau neigeux résout les équations de la chaleur au sein du manteau neigeux à l'aide d'une représentation spectrale du profil de température. Cette représentation permet de simuler les profils et gradients de températures en utilisant moins de variables d'état qu'une discrétisation verticale par couches. Pour mieux prendre en compte les mesures ponctuelles de neige, ce modèle devra être distribué. / Snow models are often dependent on the hydrological model they are coupled with, which can promote higher performance on runoff simulation at the expense of snow state simulations performances. The objective of this thesis is to make the calibration of the snow model more independent from the calibration of the hydrological model, while remaining easily usable for runoff forecasting. Calibrating snow model on observed snow data would on one hand improve the robustness of the snow model parameters and on the other hand improve the snowpack modelling. In the first part of this manuscript, we modified the semi-distributed CemaNeige degree-day model so that it can explicitly simulate the watershed snow cover area. This modification coupled with the calibration of the model on snow cover area data and on river runoff data significantly improved the simulation of the snow cover area by the model without significantly deteriorating the runoff performances. Then we started the development of a new point scale snow model. It is based on a radiation model, which simulates incoming radiations from daily temperature range data, and a snowpack model. The snowpack model solves the heat equations within the snowpack by using a spectral representation of the temperature profile. This representation simulates the temperature profile and gradients using fewer state variables than a vertical discretization of the snowpack. In order to be able to use point scale snow observations in the model, it should be distributed on the watershed.

L'étude de la dynamique et de la thermodynamique à petite meso-échelle est importante pour l'évaluation de la climatologie urbaine et de la qualité de l'air. Dans les modèles numériques, les hétérogénéités de la canopée urbaine sont intégrées sur chaque maille au sol ; il convient donc de connaître l'influence du degré de description du sol sur les résultats. Dans ce but on a créé un modèle de sol urbain SM2-U détaillant les flux de chaleur à l'interface canopée-atmosphère à l'échelle du quartier, en vue de simuler la Couche Limite Urbaine (CLU) à haute résolution avec le modèle SUBMESO. La première partie décrit les caractéristiques morphologiques et climatologiques d'une zone urbaine. La deuxième partie aborde la notion d'hétérogénéité de surface sur l'ensemble des échelles spatio-temporelles de la troposphère, puis analyse les méthodes les prenant en compte dans les simulations. On présente alors une étude numérique de l'influence du détail aérodynamique d'une surface hétérogène, de type damier de rugosités, sur la dynamique de l'atmosphère. La troisième partie présente SM2-U. Afin d'évaluer les flux de chaleur à l'échelle du quartier, SM2-U modélise les surfaces urbaines, et prend en compte de manière originale les effets de la canopée urbaine. Le modèle a été testé dans deux configurations avec un forçage météorologique sans rétroaction entre le sol et l'atmosphère : - comparaison du comportement hydrique de SM2-U avec celui du modèle hydrologique urbain EHU du LCPC, et avec des mesures effectuées sur un site péri-urbain, - étude du comportement de SM2-U sur cinq quartiers urbains. Dans la quatrième partie, on présente les premières simulations de la structure de la CLU avec SUBMESO couplé à SM2-U (avec rétroaction sol-atmosphère). Une première étude de sensibilité met en relief l'impact de la représentation du sol urbain sur la structure de la CLU, sur les bilans d'énergie et sur les températures de surface.

Les glaciers intègrent naturellement des informations hydrologiques et énergétiques dans des régions climatiques variées du globe et sont sensibles à des changements minimes de bilan d’énergie de surface. Parmi les paramètres mesurés in-situ traduisant les variations climatiques, le bilan de masse de surface est la variable directement reliée aux conditions atmosphériques qui contrôlent les processus d’accumulation et d’ablation. Un grand nombre de modèles, de complexités diverses, existent pour simuler l’évolution du bilan de masse. Cependant, des questions perdurent quant à l’utilisation de l’approche la plus appropriée, notamment sur de longues périodes de temps. Basés sur de longues séries de mesures réalisées sur quatre glaciers des Alpes françaises (issues du service d’observation GLACIOCLIM), ces travaux de thèse ont pour but d’étudier la sensibilité du bilan de masse aux variables atmosphériques et topographiques, afin d’identifier celles essentielles pour contraindre les modèles.En s’appuyant tout d’abord sur une approche empirique, nos résultats indiquent que pour chaque glacier, la variabilité temporelle de l’ablation s’explique principalement par la variabilité de la température tandis que la variabilité spatiale de la fonte de la neige et de la glace est largement gouvernée par l’insolation. Néanmoins, à l’échelle du glacier, considérer l’insolation en plus de la température ne conduit pas à une amélioration de la performance des modèles empiriques et un modèle type degré-jour apparaît suffisant pour simuler son bilan de masse. L’utilisation du modèle à base physique SURFEX/ISBA-Crocus a permis d’étudier la sensibilité du bilan de masse estival à chacune des variables du bilan d’énergie de surface. Le modèle s’avère très performant pour la simulation des bilans spatialisés, mais nécessite un forçage météorologique précis et distribué spatialement. En particulier, le vent, souvent complexe à représenter dans les modèles atmosphériques,apparaît comme un facteur prépondérant pour modéliser correctement les processus de fonte. Avec des forçages météorologiques bien contraints, ces deux approches (empirique et physique) se révèlent très performantes quant à la modélisation du bilan de masse estival. Toutefois, nos résultats montrent que les bilans annuels restent très conditionnés par les bilans hivernaux du fait de la rétroaction de l’albédo de surface. Une attention particulière a donc été portée sur la simulation de l’accumulation.A partir des données de l’observatoire GLACIOCLIM, notre étude n’a pas permis d’établir de relation significative entre la variabilité spatio-temporelle des bilans hivernaux et les variables morpho-topographiques.Pour cette raison, une campagne spécifique basée sur des mesures LiDAR a été mise en œuvre au Col du Midi (Massif du Mont-Blanc) afin d’affiner le réseau de mesures et d’améliorer la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la couverture neigeuse. Nos résultats montrent la complexité d’obtenir des mesures d’accumulation par différence de MNT, du fait des vitesses d’émergence/submergence. / Glaciers naturally record hydrological and energetic information into varied climatic regions of the world, and are sensitive to small changes in their surface energy balance. The glacier surface mass balance is directly linked to the atmospheric variables which control accumulation and ablation processes. Many models, with different complexities, enable simulations of mass balance evolution, but some questions arise about the best approach to use, especially over long time periods. Based on long measurement series on four glaciers in the French Alps (GLACIOCLIM observatory), this thesis aims at studying the mass balance sensitivity to climatic variations, to identify relevant meteorological variables for modelling. Based on an empirical approach performed on each glacier, temperature was found to be the main driver of temporal ice/snow ablation variability while solar radiations strongly influence the spatial distribution of summer mass balance. However, at glacier scale, to include solar radiation in melt models does not improvethe performances and a classical degree-day model is sufficient to simulate glacier-wide mass balance.The snowpack model SURFEX-ISBA-Crocus was then used to study summer mass balance sensitivity to all surface energy balance fluxes. Results indicate good performances of the model to simulate mass balance at each stake, but it requires accurate meteorological forcing. In particular wind, generally difficult to assessby atmospheric models, appears as a key factor for an accurate ablation modelling. Our work emphasizes that both physical and empirical approaches are very efficient for ablation modeling when forced with accurate meteorological data. Yet, annual mass balances remain very sensitive to wintermass balance due to the surface albedo feedback. For this reason, simulating accumulation processes remainsas important as ablation modelling. Using GLACIOCLIM data measurements, our study failed to find relevant relationship between winter mass balance and topographical variables such as slope, aspect, elevation, due to insufficient spatio-temporal resolution. To fill this gap of measurements, we set up a dedicated field campaign to improve our understanding of the spatio-temporal variability of the snow depth distribution on Alpineglaciers. This year-round campaign was performed using LiDAR acquisitions at Col du Midi (Mont Blancmassif). Results underline the complexity of accurate accumulation measurements from DEM differences due to submergence/emergence velocities.

La croissance en début de cycle des grandes cultures est principalement influencée par la température et la teneur en eau du sol. Nous avons développé un modèle capable de prédire ces variables grâce à l’utilisation de données climatiques largement disponibles. Des analyses de la sensibilité du modèle nous ont permis d’identifier les composants qui contribuent à son incertitude. Après calibration, une erreur moyenne relative de moins de 10 % est constatée pour la température et la teneur en eau à 30 cm de profondeur.Dans des conditions de semis standard en Suisse, l’émergence du maïs a été mieux prédite en utilisant notre température de sol simulée plutôt que la température de l’air, plus couramment utilisée. Ce travail est une application d’un modèle biophysique complexe à un problème agronomique. Les résultats participeront à l’optimisation de l’effort de sélection des variétés tolérantes au froid. Deux pistes de recherche peuvent être considérées pour des futurs travaux: une meilleure modélisation de l’évaporation et une décomposition de l’émergence. / The beginning of crop growth is influenced by soil temperature and water content near the surface. We have developed a model that predicts the local temperature and water content surrounding the seed using easily available meteorological data. Our global sensitivity analysis helped us identify the components of the model with the largest contribution to the output uncertainty. After calibration, the model showed less than 10 % relative error for temperature and water content at 30 cm. In standard sowing conditions in north-western Switzerland, the emergence was better predicted when using our simulated seed bed temperature than air temperature, the classical proxy variable. Combining the emergence model with soil temperature simulation, an accurate prediction of emergence was achieved. This work is an example of applying complex biophysics model for understanding an agronomic problem. The results of this work will participate in optimising breeding efforts for cold-tolerant crop varieties. Future investigations should consider a finer modelling of processes for evaporation and emergence.

Ce travail de thèse a porté sur la prise en compte de la phase juvénile des peuplements forestiers du Sud-Ouest de la France dans la caractérisation des échanges sol-végétation-atmosphère. L’étude s’est focalisée sur des structures de peuplements contrastées de jeunes peuplements de Pins maritimes et d’Eucalyptus. La première partie de ces recherches a consisté à étudier de façon expérimentale les échanges de masse et d’énergie de jeunes plantations d’Eucalyptus et de Pins maritimes du Sud-Ouest. Trois sites instrumentés pour la détermination en continu des échanges de CO2 et H2O, bilan d’énergie, flux de sève et de croissance et production des arbres ont été suivis durant deux années marquées par des épisodes répétés de sécheresse. Le comportement des essences présentes a été comparé ainsi que les effets de l’environnement et des pratiques culturales sur le fonctionnement de ces écosystèmes. Les bilans annuels d’eau, de carbone et la croissance et la production des trois peuplements ont été établis et comparés. A partir de ces mesures enrichies par des données déjà disponibles et en se basant sur le modèle de production forestière et de transfert sol-végétation-atmosphère GRAECO (INRA-EPHYSE), modèle mécaniste biophysique monodimensionnel, la deuxième partie a consisté à développer une nouvelle évolution de ce modèle pour l’adapter au cas des systèmes de culture de biomasse forestière à croissance rapide. L’approche proposée en couplant ce modèle avec le modèle MAESTRA (Medlyn 2004) a permis de dépasser les hypothèses d’homogénéités verticale et horizontale du couvert pour rendre compte de l’effet de la structure en trois dimensions de peuplements jeunes à couronnes disjointes et sous-étage développé sur les transferts radiatifs, de CO2 et vapeur d’eau. De plus, le modèle a été complété par trois nouveaux modules décrivant respectivement la dynamique du carbone du sol (Roth-C) et la croissance et fonctionnement du sous-étage et du taillis. Il a été évalué sur les données existantes couvrant différents sites et séries temporelles et incluant une série d’interventions de type labour, désouchage, disquage superficiel, semis, dépressages, éclaircies et recépées. Enfin, ce modèle a été implémenté sur un jeu de données décrivant le climat local sous le forçage du scénario climatique A2 régionalisé sur un point de la grille SAFRAN de Météo-France pour trois itinéraires sylvicoles de Pin maritime et Eucalyptus, afin d’évaluer, à titre exploratoire, les potentialités de productivité de ces itinéraires. / In this thesis, the juvenile phase of forest stands of southwestern France was studied in order to characterise soil-vegetation-atmosphere exchanges. The study focused on contrasted structures of young pines and Eucalyptus stands. The first part of this research was to study experimentally the mass and energy exchanges of young plantations of pines and Eucalyptus growing in southwestern France. Continuous measurements of CO2 and H2O fluxes, energy balance, sapflow and tree growth and production were carried out for two years, a period marked by repeated episodes of drought. The behavior of these species was compared, as well as the effects of the environment and cultural practices on these ecosystems. The annual water and carbon balances, growth and production of the three stands were established and compared. These measurements were enriched by data already available and were based on the 1D-mechanistic model of forest production and soil-vegetation-atmosphere transfer GRAECO (INRA-EPHYSE). The second part of the thesis focused on developing a new version of the model to be applied to crop systems for fast-growing forest biomass. By coupling this evolution of the model with the 3D-model MAESTRA (Medlyn 2004), the assumptions of vertical and horizontal homogeneities in the canopy can be exceeded thus accounting for the effect of the three-dimensional structure on the radiative, CO2 and water vapor transfers in young stands, where crowns are separate and the understorey is well-developed. In addition, the model was supplemented by three new modules describing the dynamics of soil carbon (Roth-C) and the growth and functioning of the understory and coppice. It was evaluated on existing data covering different sites and time series and including a series of forest practices, such as plowing, stump removal, superficial disking, seeding, early thinning, thinnings and cutting down close to the ground. Finally, as an exploratory work, this model has been implemented on a data set describing the local climate forced by the A2 climate scenario which was regionalized on a SAFRAN grid point (‘Météo-France’) for three forest itineraries of maritime pine and Eucalyptus, in order to assess the potential productivity of these systems.