Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général de la nécessité d'une transition vers une trajectoire énergétique et climatique soutenable. Elle part du constat d'un décalage persistant entre d'une part les leçons que l'on peut tirer de la littérature économique théorique et appliquée à propos des politiques énergétiques et climatiques et d'autre part les mécanismes réels de prises de décision dans le monde économique actuel. Dans le but de résorber ce décalage, il est réalisé un diagnostic critique de l'état de l'art des outils de modélisation des trajectoires macro-énergétiques de long terme, qui permet ensuite d'établir un nouveau cahier des charges pour une architecture plus adaptée à l'étude des politiques énergétiques et climatiques. Cela débouche sur le développement du modèle de prospective mondiale Imaclim-R, dont la caractéristique principale est de représenter un monde de second rang, c'est-à-dire comportant un certain nombre de sous-optimalités dans les décisions des agents et le fonctionnement des marchés. Le modèle est ensuite utilisé pour souligner l'impact de ces sous-optimalités sur l'évaluation des politiques climatiques, en particulier sur le profil temporel de la valeur du carbone nécessaire à la stabilisation du climat et sur les risques de coûts de transition élevés. Enfin un certain nombre de pistes pour sécuriser cette transition, tant sur le plan économique qu'environnemental, sont évoquées et évaluées quantitativement, dessinant un nouvel agenda de recherche pour l'évaluation et l'élaboration des politiques climatiques.

Une incertitude majeure dans la prévision numérique du climat provient des difficultés de représenter convenablement les nuages en phase mixte qui jouent un rôle important dans le processus de formation des précipitations (Wallace et Hobbs, 1977). De nombreuses études ont montré qu'il est nécessaire pour une représentation adéquate des effets indirects des aérosols et des processus microphysiques au sein des nuages, d'utiliser un schéma complet de la microphysique qui inclut d'une manière détaillée la phase glace (Senior et Mitchell, 1993; Lohmann et Feitcher, 1997). Blanchet et Girard (1995) ont montré que la modification des propriétés des nuages par les aérosols pourrait produire un forçage radiatif négatif de 9W/m² dans l'infrarouge en considérant dans leur étude l'impact que pourrait avoir les aérosols de nature anthropique sur la microphysique des nuages mixtes et glacés en Arctique. L'interaction des aérosols avec les nuages de phase mixte et glacée est peu étudiée et donc moins connue. La compréhension de ces nuages dépend du mode d'action des noyaux glaçogènes qui est très complexe (Cooper, 1980), des caractéristiques physiques et chimiques des substances qui peuvent recouvrir ces noyaux. De plus, les techniques de mesures existantes ne permettent pas de bien caractériser ce type de nuage (Bigg, 1990; Vali, 1991; Rogers, 1993; Pruppacher et Klett, 1997). Dans ce travail de recherche, nous avons testé et évalué un nouveau paramétrage de la nucléation hétérogène de la glace élaboré par Khvorostyanov et Curry (2000) avec le modèle local du climat (LCM11) et comparé au paramétrage existant de Meyers et al. (1992) et à ce qui a été observé pendant la campagne de mesure SHEBA (Surface Heat Budget of Arctic). Le modèle local du climat (LCM11) est doté d'un schéma de nuages glacés qui simule les interactions entre les aérosols et les nuages, la formation de cristaux de glace et les précipitations. Le nouveau paramétrage de la nucléation hétérogène de la glace est fonction des caractéristiques des aérosols (paramètre de mouillabilité, sites actifs, tension d'inadaptation élastique). Il est à noter que le paramétrage de Meyers et al. (1992) est empirique, il est fonction soit de la température soit de la sursaturation par rapport à la glace dépendamment du mode de nucléation de la glace. La sensibilité du modèle local du climat (LCM11) a été étudiée en fonction des paramètres de la nouvelle théorie de Khvorostyanov et Curry (2000). Cette étude nous a permis de conclure que l'inadaptation élastique de 1 et 2% et les sites actifs sont des paramètres importants pour simuler de l'eau liquide et la glace dans des proportions raisonnables représentatives de l'Arctique. Les résultats des simulations ont montré aussi que la structure verticale de l'eau liquide, de la glace et de la température est bien représentée par Khvorostyanov et Curry (2000) contrairement à Meyers à condition de faire un choix judicieux des paramètres d'inadaptation élastique et de sites actifs. Cependant, le choix de ces paramètres dépend des propriétés physiques et de la composition chimique des aérosols présents dans la masse d'air qui requièrent encore d'autres mesures et vérifications. Il a été démontré que ce paramétrage peut donner de meilleurs résultats si le type de masse d'air est connu à l'avance ce qui suggère de valider le paramétrage de Khvorostyanov et Curry, (2000) avec ses différents choix de combinaison de paramètre pour d'autres cas observés où la composition des aérosols présents est connue. Il y a un gain associé à l'utilisation du paramétrage de Khvorostyanov et Curry (2000) par rapport à celui de Meyers et al. (1992). Ce dernier peut représenter un cas particulier de la théorie de Khvorostyanov et Curry (2000). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Nucléation, Paramétrage de la glace.

Le principal objectif de ce mémoire consiste en l'évaluation de trois modèles dynamiques canadiens de prévision numérique saisonnière du climat. Ayant conscience de l'influence de l'océan sur la qualité des prévisions numériques saisonnières nous vérifierons au cours de ce travail l'hypothèse de base suivante: la persistance de l'anomalie de la température de la surface de l'océan Pacifique (SSTA) communique à l'atmosphère un certain degré de prévisibilité. Afin de vérifier cette hypothèse un ensemble de vingt-six années de simulations effectuées par chacun des modèles a été étudié. Ensuite, pour tenter d'améliorer la qualité des prévisions saisonnières, nous avons calculé la moyenne d'ensemble des trois modèles. Nous appellerons désormais cette technique multimodèle. Pour estimer la réponse de chacun des modèles aux effets du forçage de l'océan nous avons commencé par séparer les années prévues en deux catégories: les années caractérisées par une forte SSTA (années EPSO) et celles caractérisées par une faible SSTA (années NEPSO). Ensuite, nous avons étudié la prévision des modèles des deux derniers mois de la saison. Ceci nous permet de distinguer l'influence des conditions aux limites. Nos résultats montrent que durant les saisons d'hiver et printemps boréales les trois modèles ainsi que le multimodèle semblent bien reproduire les patrons de la circulation dynamique au sein de l'atmosphère (GZ500). On peut également y voir un potentiel pour l'amélioration de la qualité des prévisions à longue échéance. En outre, nous avons remarqué que la région tropicale est généralement mieux prévue par les modèles que les extra-tropiques. Enfin, nous avons remarqué que les modèles présentent une habileté à prévoir les champs atmosphériques au-dessus de certaines régions du globe en dehors des tropiques. Parmi ces régions nous citons le Pacifique Nord/Amérique du Nord dans le cas de GZ500 et la route des dépressions du Pacifique « Storm Track » dans le cas des précipitations. Le « Storm Track » du Pacifique influence le climat de l'est de l'Asie ainsi que celui de l'Amérique du Nord. L'habileté de nos modèles à prévoir le « Storm Track » du Pacifique n'avait pas été observée dans des études précédentes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Prévision numérique saisonnière moyenne d'ensemble.

Les changements de l'intensité et de la fréquence des extrêmes hydro-climatiques peuvent avoir des impacts significatifs sur les secteurs liés aux ressources en eau. Il est donc nécessaire d'évaluer leur vulnérabilité face aux changements climatiques. Cette étude porte sur l'estimation des changements de la fréquence et l'amplitude des événements de précipitations extrêmes au Canada en utilisant un ensemble de dix simulations de 30 ans effectuées avec le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), pour une période de référence (1961-1990) et une période future (2040-2071). Les simulations futures utilisent le scénario A2 du SRES. Deux méthodes sont utilisées dans cette étude, avec l'hypothèse de stationnarité tranche de temps (en anglais «time-slice stationarity assumption»): Analyse Fréquentielle Régionale (RFA pour «Regional Frequency Analysis»), qui s'opère à l'échelle des unités statistiquement homogènes des régions climatiques prédéfinies, avec la possibilité de réduction au niveau du point de grille et l'analyse individuelle de point de grille (GBA pour «Grid-box analysis»). Des données d'observations réhabilitées et homogénéisées de 495 stations situées partout au Canada sont utilisées pour vérifier l'homogénéité statistique des régions climatiques canadiennes. Ces données sont également utilisées pour sélectionner la distribution régionale la plus appropriée parmi les cinq distributions candidates aux trois paramètres de la modélisation observée de l, 2, 3, 5, 7 et 10 jours AM (AM pour «Annual Maxima») de la quantité de précipitations (i.e. les extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours), survenues entre les mois d'avril et de septembre, pour la période de 30 ans allant de 1961 à 1990. Les distributions candidates sont les suivantes: la distribution des valeurs extrêmes généralisées (GEV pour «General Extreme Value»), Pareto généralisée (GPA pour «Generalized Pareto»), Logistique généralisée (GLO pour «Generalized Logistic»), Pearson Type 3 (PE3 pour «Pearson Type 3») et Normal généralisée (GNO pour «Generalized Normal»). La validation du modèle de simulation pour les périodes de retour de 20,50 et 100 ans des précipitations extrêmes d'une et de plusieurs journées en comparaison avec les observations durant la période 1961-1990 en utilisant les méthodes de RFA et GBA suggèrent une sous-estimation du MRCC pour une grande partie du Canada. Toutefois, le MRCC a tendance à surestimer légèrement sur la région de YUKON. Les changements de l'amplitude et la fréquence des précipitations extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours au Canada sont estimés en utilisant les deux méthodes, celle de RFA et de GBA. Une estimation d'incertitude sous la forme d'intervalles de confiance des 20, 50 et 100 ans de périodes de retour à l'échelle régionale des cinq paires de simulations de la période de référence et celle du future est effectuée en utilisant la méthode de bootstrap vectoriel (en anglais «nonparametric vector bootstrap resampling method») et ensuite exprimé sous forme d'intervalle de confiance. Les résultats de l'étude ont des implications fortes pour des projets liés à la conception et la gestion des ressources en eau et pour estimer la durabilité des infrastructures existantes dans un climat changeant. ______________________________________________________________________________

Diss.--Uppsala, 2000. / Bibliogr. p. 234-253. Résumé en anglais.

Thèse de doctorat : Génie des procédés et des produits : INPL : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Géographie aménagement : Lyon 3 : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Les modèles régionaux de climat (MRC) sont maintenant reconnus comme des outils efficaces pour augmenter la résolution des simulations climatiques à un ordre d'environ 50 km. Cette résolution est jugée nécessaire pour décrire de nombreux impacts liés aux changements climatiques. Un modèle régional de climat (MRC) performe une simulation climatique sur une sous-région du globe. Pour cette raison, un MRC doit utiliser des données pilotes au pourtour de la sous-région pour tenir compte de la circulation atmosphérique qui parcourt le globe. Les données provenant d'un MRC sont de plus en plus utilisées par les décideurs pour prendre des mesures d'adaptation adéquates en fonction des changements climatiques projetés. Pour cette raison, les scientifiques qui livrent les données climatiques aux décideurs doivent fournir les données les plus précises possibles. L'une des incertitudes des projections de changements climatiques produites par les MRC est associée au comportement chaotique du système climatique qui est simulé. En raison de ce comportement, le climat simulé avec un MRC peut diverger d'un autre climat simulé lancé avec des conditions initiales légèrement différentes tout en étant en accord avec les mêmes forçages imposés. La variabilité mesurée entre les simulations lancées avec différentes conditions initiales est appelée variabilité interne. La variabilité interne des MRC est étudiée depuis quelques années. Ces études sont généralement limitées par les ensembles de simulations nécessaires au calcul de la variabilité interne. Ces ensembles comportent généralement peu de simulations qui sont courtes et qui sont intégrées sur de petits domaines. Le premier objectif de cette thèse consistait à vérifier les hypothèses émises dans les articles précédents sur la variabilité interne des MRC en utilisant un ensemble de simulations actuel. Afin de répondre à cet objectif, un ensemble comportant dix simulations de dix ans couvrant l'Amérique du nord a été réalisé avec le modèle régional canadien du climat. L'évolution temporelle de la variabilité interne de cet ensemble pour la pression au niveau moyen de la mer (PNM) et pour la température au niveau de l'abri (TA) révèle un cycle annuel faible avec des valeurs en hiver et au printemps légèrement plus élevées. Ce résultat, qui se distingue de celui des études précédentes; suggère que l'augmentation de la dimension du domaine diminue l'efficacité du contrôle du pilote sur le MRC, ce qui augmente la variabilité interne. Pour les variables étudiées, la variabilité interne augmente généralement d'ouest en est du domaine selon la circulation générale vers l'est. Une comparaison de la variabilité interne avec la variabilité temporelle montre que la variabilité interne pour la PNM est près de son maximum en été dans le nord-est du domaine. Une comparaison du climat de dix ans pour la TA en été de chacune des simulations avec la moyenne d'ensemble montre que la variabilité interne peut avoir un impact important sur le climat simulé. Le deuxième objectif de cette thèse consistait à trouver un outil capable de quantifier le contrôle du pilote sur une simulation effectuée avec un MRC. Cet outil est un traceur qui calcule le temps de résidence des parcelles atmosphériques à l'intérieur du domaine d'un MRC. Ce traceur a été utilisé pour première fois dans l'ensemble de simulations décrit précédemment. Les diagnostiques du climat généré par l'ensemble montre le bon fonctionnement du traceur. Le temps de résidence est plus élevé en été qu'en hiver en liaison avec la circulation atmosphérique qui est plus rapide en hiver. Le temps de résidence augmente d'ouest en est à l'intérieur du domaine aussi en relation avec la circulation atmosphérique générale vers l'est. Un diagramme de disperison généré avec les distributions spatiales de la variabilité interne relative des variables étudiées et du temps de résidence montre que la variabilité interne augmente linéairement avec le temps de résidence similairement en été qu'en hiver. Ce résultat appuie plusieurs études précédentes qui proposaient un lien entre la circulation atmosphérique et la variabilité interne. D'après la relation trouvée, le temps de résidence peut être utilisé comme un indicateur quantitatif du contrôle des données pilotes exercé sur un MRC. On envisage que cet outil sera utile pour les analyses futures effectuées avec les MRC. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Variabilité interne, Modélisation régionale du climat, Ensemble de simulations, Temps de résidence, Climat nord-américain.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.