L'histoire des isotopes stables débute en 1913 avec les travaux de Frederick Soddy. Dès lors les techniques analytiques dans ce domaine vont constamment évoluer permettant de répondre à des questions scientifiques de plus en plus élaborées et d'investir petit à petit de plus en plus de domaines où leur capacité de traceur devient aujourd'hui indispensable. Ce travail présente d'abord une partie décrivant l'évolution des techniques de mesures des rapports isotopiques au cours des décennies, insistant sur l'apport fondamental du flux continu et en particulier de l'analyse élémentaire. Dans la deuxième partie nous allons illustrer l'importance des analyses isotopiques dans le domaine des reconstructions paléoenvironnementales afin de mieux appréhender l'histoire climatique de la Terre et de ses habitants à diverses époques. Ceci principalement au moyen des analyses 180/160 sur des matrices phosphatées ou carbonatées. La troisième partie est consacrée à l'utilisation des isotopes stables comme traceurs de certaines réaction métaboliques fondamentales sur des échantillons fossiles mais également sur du matériel actuel. Dans ce dernier cas, nous nous sommes également servis de la capacité des isotopes stables à être utilisés comme traceurs en abondance naturelle mais également en utilisant le marquage isotopique. Pour ce faire nous avons utilisé les signatures isotopiques 180/160 sur du matériel phosphaté mais également les rapports isotopiques 13C/12C et 15N/14N de la matière organique. La quatrième partie est consacrée plus particulièrement à des travaux de développement analytiques dans divers domaines. Tout d'abord nous nous sommes intéressés aux analyses isotopiques D/H et 180/160 des eaux. Nous proposons de nouveaux paramètres de correction des analyses isotopiques sur des eaux de salinités supérieures à l'eau de mer. Puis nous avons travaillé sur les analyses isotopiques 13C/12C et 180/160 des carbonates en proposant de nouveaux paramètres pour le fractionnement isotopique de l'oxygène entre les carbonates d'apatites et l'eau, les fractionnements isotopiques du carbone et de l'oxygène entre aragonite et calcite sur des organismes vivants actuels. Nous avons également développé une technique semi-automatique pour déterminer les signatures isotopiques en carbone et en oxygène de la calcite et de la dolomite dans des mélanges de proportions variables. Enfin nous avons tenté de quantifier la variabilité naturelle et la variabilité instrumentale des analyses isotopiques du carbone et de l'oxygène sur des microfossiles. Puis, nous nous sommes intéressés à un domaine représentant une part importante de notre travail analytique sur les analyses isotopiques 180/160 des phosphates biogéniques. En collaboration avec les fabricants d'instruments nous avons développé un nouveau système afin d'améliorer la qualité des analyses, de les automatiser le plus possible et de réduire la taille de la prise d'essai dans le but d'accéder à des échantillons de taille plus réduite. Enfin nous avons développé les analyses isotopiques du soufre toujours en collaboration avec les fabricants d'instrumentation, d'une part pour évaluer la capacité d'un nouveau système analytique à produire des analyses fiables sur des quantités limitées au sein de matrices complexes, et d'autre part, la capacité du même système à produire des analyses multi-isotopiques fiables sur les trois éléments N, C, S. Dans la conclusion de ce travail, nous revenons sur la contribution de nos divers travaux à l'évolution des techniques isotopiques en essayant d'évaluer dans l'avenir les nouveaux champs d'investigation de ces techniques tout juste centenaires / The history of stable isotopes began in 1913 with the work of Frederick Soddy. Since then, analytical techniques in that domain have been in constant evolution, providing answers to more and more elaborated scientific questions and spreading into various application fields where their tracing abilities have become extremely useful today. This work first describes the evolution of those analytical techniques through time and especially the fundamental step forward with continuous flow techniques especially through elemental analysis. For the second part we illustrate the importance of stable isotope analyses for paleoenvironmental reconstructions to better understand the climatic history of the Earth and its inhabitants from different periods. This is mainly based on 180/160 analyses from phosphatic or carbonaceous matrices. The third part is dedicated to the use of stable isotopes as tracers of various fundamental metabolic pathways from both fossil and actual samples. For this latter case we have used the capacity of stable isotopes to be used at natural abundance as well as artificially labelled. We have used 180/160 isotopic signatures from phosphatic samples as well as 13C/12C and 15N/14N from organic matter. The fourth part is dedicated to analytical developments covering several domains. First we investigated D/H and 180/160 measurements from waters. We are proposing new correction parameters for isotopic measurements from waters with salinity higher than sea water. Then we have dealt with 13C/12C and 180/160 isotopic analyses from carbonates and we suggest new parameters to constrain oxygen isotopic fractionation between carbonates from apatite and water as well as carbon and oxygen isotopic fractionation between calcite and aragonite from actual living organisms. We have also developed a new semi-automated technique to measure carbon and oxygen isotopic signatures from calcite and dolomite mixtures with various proportions. Then we have attempted to quantify the natural and instrumental variability of oxygen and carbon isotopic analyses from microfossils. An important part of this analytical work has been dedicated to 180/160 isotopic analyses from biogenic phosphate material. ln collaboration with instrument manufacturers we have developed a new system to improve both quality and automation of those measurements as well as reduce the aliquot sizes in order to get access to smaller samples. Eventually we have developed sulfur isotopic analyses in collaboration with instrument manufacturers to evaluate the capacities of a new analytical setup to generate reliable N, C, S multi- isotopic analyses. Last, we summarize the contribution of this work to the evolution of stable isotope techniques and we try to evaluate the future fields of investigation for those techniques just over one hundred years old

Cette thèse évalue les interactions entre le système européen d’échange de quotas de CO2 et les marchés de l’électricité sur la période 2005-2012. Elle est réalisée à partir d’instruments économétriques et de modélisation, permettant d’expliquer les évolutions observées des marchés et de dégager des enseignements pour la conduite des politiques futures. L’analyse ex-post de l’introduction d’un prix du carbone sur les marchés électriques en Europe fait apparaître trois types d’interactions : sur la formation des prix de l’électricité ; sur les choix techno-économiques et les émissions de CO2 ; sur la formation des rentes électriques. Les estimations empiriques mettent en évidence que le degré de répercussion du prix du carbone sur les prix de l’électricité n’est généralement pas homogène mais varie selon les périodes et les marchés en fonction d’une combinaison de facteurs. Les impacts du prix du carbone sur le mix technologique et les émissions de CO2 du secteur électrique sont estimés à partir du modèle de simulation ZEPHYR-Elec, qui a pour objet de reproduire l’équilibre de court terme offre-demande d’électricité. Les réductions d’émissions de la production électrique induites par le marché européen des quotas représentent 3% à 5% des émissions contre-factuelles. Depuis 2012, le prix du carbone ne permet plus de compenser le différentiel de prix gaz-charbon en Europe. Les effets distributifs du prix du carbone sur le secteur électrique sont introduits dans le modèle ZEPHYR-Elec à partir d’une représentation analytique de la formation des rentes. Les estimations suggèrent que les profits du secteur électrique sont globalement plus élevés du fait du prix du carbone, y compris en cas d’allocation aux enchères des quotas. / This thesis is an evaluation of the interaction between the European Union Emissions Trading Scheme and electricity markets over the period 2005-2012. It rests on econometric and modelling instruments to both explain the development of markets and draw lessons for the conduct of future policies. The ex-post analysis of the introduction of a carbon price into electricity markets in Europe unveils three types of interactions with: the formation of electricity prices; the technical and economic choices and CO2 emissions; the formation of electricity rents. Empirical estimates show that the degree to which the carbon cost is passed on through electricity prices is generally not homogeneous but rather varies over both time and markets, contingent upon a combination of factors. The impacts of the carbon price on both the technological mix and the CO2 emissions from the power sector are estimated using the simulation model ZEPHYR-Elec, which aims at replicating the short-term equilibrium between electricity supply and demand. Emission reductions in the electricity sector induced by the European carbon market amount to between 3% and 5% of counterfactual emissions. From 2012 on, the carbon price has not been high enough to compensate for the gas-to-coal price differential in Europe. Distributional effects of the carbon price on the electricity sector are introduced into the ZEPHYR-Elec model using an analytical representation of the formation of rents. Estimates suggest that profits made by the electricity sector are generally higher with a carbon price in place, including when allowances are auctioned.

La végétation influence le climat urbain de l'échelle de la rue à l'échelle de la ville. Les arbres de rue, en particulier, constituent une technique alternative à l'atténuation de l'îlot de chaleur urbain et à l'amélioration du confort thermique. Ils modifient les bilans radiatif et énergétique en interceptant et absorbant une partie du rayonnement solaire incident, créent de l'ombre, augmentent l'humidité relative de l'air par évapotranspiration et modifient également les écoulements d'air dans le canyon urbain. Le modèle TEB est un des rares modèles de climat urbain prenant en compte la végétation. Il intègre des paramétrisations dédiées à la végétation basse dans les canyons urbains et aux toitures végétalisées, et peut représenter les interactions de petite échelle entre les surfaces minéralisées, la végétation et l'atmosphère. Dans le cadre de cette thèse, une paramétrisation a été implémentée dans TEB pour modéliser les aspects radiatifs, énergétiques et aérauliques liés à la présence d'arbres de rue dans l'espace urbain. Une canopée arborée explicite a été intégrée dans le canyon urbain au-dessus de la chaussée et des jardins. Le modèle ISBA est utilisé pour représenter les strates haute et basse de la végétation. Les calculs radiatifs du modèle TEB ont été modifiés afin de prendre en compte les effets d'ombrage et d'atténuation du rayonnement solaire et IR liés à la présence de cette canopée, et les interactions IR entre l'ensemble des éléments urbains du canyon. Une évaluation du bilan radiatif a été réalisée grâce à une comparaison avec le modèle architectural d'ensoleillement à haute résolution SOLENE, sur la base de simulations de canyons urbains idéalisés et pour différentes configurations d'arbres de rue. Les flux d'énergie calculés par ISBA selon l'approche \textit{big leaf} ont ensuite été désagrégés entre les contributions de la végétation haute et basse. Les flux des arbres ont été redistribués sur la verticale de façon à modifier le microclimat à hauteur réaliste vis-à-vis de la position de la canopée arborée. Un effet de traînée lié à la présence de la canopée arborée a été intégré dans les équations de quantité de mouvement et d'énergie cinétique turbulente résolues par la paramétrisation de couche limite de surface de TEB pour le volume d'air au sein du canyon. Une évaluation en cas réel de cette nouvelle version du modèle a été conduite sur un site expérimental, à savoir une cour semi-fermée aménagée avec des arbres et où ont été collectées différentes variables microclimatiques. Les résultats montrent des améliorations considérables quant à la modélisation des températures de surface des murs et du sol, de la température de l'air sous la canopée arborée, et de la vitesse du vent. Ces implémentations visent à simuler de façon plus réaliste différentes stratégies d'adaptation par la végétalisation et d'évaluer leurs performances sur l'atténuation de l'îlot de chaleur urbain, le confort thermique, et la consommation d'énergie des bâtiments. / Vegetation influences the urban climate, from road to city scale. Street trees implementation is an alternative technic to reduce the urban heat island and to improve the thermal comfort. They modify the radiative and energetic balances by intercepting and absorbing a part of the solar radiation, provide shade, increase the humidity with evapotranspiration, and alter the air flow in the urban canyons. The TEB model is one the rare urban climate models taking into account vegetation. It integrates parameterizations dedicated to low vegetation and green roofs. It can represent the small-scale interactions between mineral surfaces, vegetation and the atmosphere. During this PhD thesis, a parameterization has been developed to model the radiative, energetic and dynamical effects of street and garden trees in urban spaces. An explicit tree canopy has been integrated into the urban canyon, above gardens but also streets. The ISBA vegetation scheme has been used, and included in TEB, to represent these vegetated entities (both low and high strata). The radiative computations of the TEB model have been improved in order to represent the shading and attenuation of radiation due to trees, as well as all the infra-red interactions between the urban elements. An evaluation of the radiative budget has been done thanks to a comparison with the high- resolution architectural model SOLENE, using numerous different urban canyons with several layouts of tree canopies. Then, the energy fluxes computed by ISBA have been dis- aggregated between contributions from high and low vegetation. Fluxes allocated to the trees have been redistributed on the vertical in order to alter the microclimate at realistic height, i.e. respecting the position of the tree crown. A specific drag force of trees on the airflow is simulated. An evaluation has been done on a real experimental site in a canyon-like courtyard with trees where several microclimatic data were collected. The results show an impressive improvement of the surface temperatures of walls and ground, air temperature and wind speed. In the future, these implementations will allow to simulate more realistically several adaptation strategies using greening at city scale, and to evaluate their efficiency in terms of urban heat island mitigation, improvement of human comfort and building energy consumption.

L’aviation émet de grandes quantités de gaz et de particules dans l’atmosphère contribuant, d’une part, à la détérioration de la qualité de l’air à une échelle locale et d’autre part, au forçage radiatif atmosphérique et donc au changement climatique. Une voie envisagée pour limiter l’impact de l’aviation est l’utilisation de carburants alternatifs. Les biocarburants sélectionnés dans cette optique tendent à avoir des teneurs en soufre et en composés aromatiques réduites, ce qui induit une diminution de la quantité d’acide sulfurique formé dans les panaches d’avions ainsi que des suies émises. La modification de la nature et de la composition des carburants utilisés peut entraîner des conséquences inattendues. Il s’avère alors essentiel d’étudier et de déterminer l’évolution des aérosols dans les panaches d’avions. Pour cela, un modèle microphysique précédemment testé lors de la combustion de kérosène classique a été utilisé et amélioré. Après avoir déterminé les émissions « types » des carburants alternatifs, des simulations ont été menées afin de prédire l’évolution et le comportement des aérosols. Plusieurs processus ont nécessité des révisions tels que la congélation homogène ou encore le comportement des composés organiques. / Aircraft emit important amounts of particulate and gaseous matter in the atmosphere contributing on the one hand to local air pollution and on the other hand to the atmospheric radiative forcing and to climate change. Introducing alternative fuels in aviation can be considered as a viable option to reducing the impact of aviation, being economically and environmentally sustainable. These selected biofuels tend to have lower aromatic and sulphur contents inducing a simultaneous reduction in sulphuric acid and soot emissions. However modifying the nature and composition of the fuel used can entail unexpected consequences. It is therefore essential to study and determine the evolution of aerosols in the aircraft plume. To manage this task, a microphysical trajectory box, previously tested with standard kerosene, has been developed. After an assessment concerning the typical emissions from the combustion of biofuels in aviation, simulations have been undertaken in order to predict aerosol evolution. Several microphysical processes have been revised such as droplet homogeneous freezing or the behaviour of organic compounds.

Sujet médiatique récent, le phénomène des changements climatiques est devenu en ce début de XXIe siècle une préoccupation récurrente. Nous nous sommes alors interrogés non pas sur les mécanismes de ces dérèglements et les modélisations de leurs manifestations mais sur leurs représentations sociales auprès des acteurs touristiques territorialisés et travaillant dans un domaine soumis à l'aléa climatique : les sports d'hiver. Nous avons voulu connaître ainsi de quelle manière se traduisent sur un territoire donné et pour une activité ciblée les connaissances scientifiques actuelles en lien avec les changements climatiques. Au travers des méthodes d'enquête et d'analyse utilisées en psychologie sociale et en sociologie, que la géographie s'est appropriées, nous avons identifié les représentations sociales de la clientèle et des opérateurs touristiques des stations de sports d'hiver des Pyrénées-Orientales. Nous avons également identifié les comportements et les stratégies managériales induits par ces représentations. / Climate change has become a public concern only recently. Numerous studies have already been published on the mechanisms of the phenomenon and several climate models have already been established. Yet less scientific literature deals with the social aspects of this issue. This thesis analyses the ways the scientific knowledge regarding climate change is interpreted by the tourism actors of a specific territory and of a specific tourism activity field subject to climate hazards, the winter tourism. By using survey and analysis methods from social psychology and sociology we have identified social representations of climate change of skiers and tourist operators from the Eastern Pyrenees ski resorts. We have also identified the behavior and the management strategies resulting from these social representations.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration. / In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.

L'ozone (O3) possède une anomalie isotopique en oxygène qui est unique et caractéristique, offrant ainsi un précieux traceur des processus oxydatifs à l'œuvre dans l'atmosphère moderne mais aussi ceux ayant eu lieu dans le passé. Cette signature isotopique, dénotée Δ17O, se propage au sein du cycle atmosphérique de l'azote réactif (NOx = NO + NO2) et est préservée lors du dépôt du nitrate (NO3-) présent dans l'aérosol, par exemple. L'anomalie isotopique en oxygène portée par le nitrate, Δ17O(NO3-), représente ainsi un traceur de l'importance relative de l'ozone ainsi que celle d'autres oxydants dans le cycle des NOx. Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été dédiés à l'interprétation des mesures de Δ17O(NO3-). Pourtant, les processus atmosphériques responsables du transfert de l'anomalie isotopique de l'ozone vers le nitrate ainsi que leur influence globale sur la composition isotopique du nitrate à différentes échelles spatiales et temporelles sont encore mal compris. De plus, la magnitude absolue ainsi que la variabilité spatio-temporelle de Δ17O(O3) sont peu contraintes, car il est difficile d'extraire de l'ozone de l'air ambiant. Cet obstacle technique contrecarre l'interprétation des mesures de Δ17O depuis plus d'une décennie. Les questions scientifiques posées au cours de ce travail de thèse ont été choisies dans le but de combler ces lacunes. Le principal outil d'analyse utilisé dans ce travail est la « méthode bactérienne » associée à la spectrométrie de masse en flux continu (CF-IRMS), une combinaison de techniques qui permet l'analyse de la composition isotopique totale du nitrate (c'est-à-dire, la mesure de δ15N, δ18O et Δ17O). Cette méthode a été employée pour l'analyse isotopique d'échantillons de nitrate obtenus pour deux cas d'études : (i) une étude des variations spatiales de la composition isotopique du nitrate atmosphérique sur la côte californienne à l'échelle journalière; et (ii) une étude du transfert du nitrate et de sa composition isotopique à l'interface entre l'air et la neige à l'échelle saisonnière sur le plateau Antarctique. En outre, cette méthode a été adaptée à la caractérisation isotopique de l'ozone via la conversion chimique de ses atomes d'oxygène terminaux en nitrate. Au cours de cette thèse, un important jeu de données rassemblant de nombreuses mesures troposphériques de Δ17O(O3) a été obtenu, incluant une année entière de mesures à Grenoble, France (45 °N) ainsi qu'un transect latitudinal de collecte dans la couche limite au-dessus de l'océan Atlantique, entre 50 °S to 50 °N. Ces observations ont permis de doubler le nombre de mesures troposphériques de Δ17O(O3) existantes avant cette thèse et d'accroître de manière conséquente notre représentation globale de cette variable isotopique essentielle. Enfin, les deux cas étudiés et présentés dans ce document révèlent des aspects nouveaux et inattendus de la dynamique isotopique du nitrate atmosphérique, avec d'importantes conséquences potentielles pour la modélisation de la qualité de l'air et l'interprétation de l'information isotopique contenue dans les carottes de glace prélevées aux pôles. / The unique and distinctive 17O-excess (Δ17O) of ozone (O3) serves as a valuable tracer for oxidative processes in both modern and ancient atmospheres. This isotopic signature is propagated throughout the atmospheric reactive nitrogen (NOx = NO + NO2) cycle and preserved in nitrate (NO3-) aerosols and mineral deposits, providing a conservative tracer for the relative importance of ozone and other key oxidants involved in NOx cycling. However, despite the intense research effort dedicated to the interpretation of Δ17O(NO3-) measurements, the atmospheric processes responsible for the transfer of Δ17O to nitrate and their overall influence on nitrate isotopic composition on different spatial and temporal scales are not well understood. Furthermore, due to the inherent complexity of extracting ozone from ambient air, the absolute magnitude and spatiotemporal variability of Δ17O(O3) remains poorly constrained, a problem that has confounded the interpretation of Δ17O measurements for over a decade. The research questions that have been pursued in this thesis were formulated to address these knowledge gaps. The primary analytical tool used was the bacterial denitrifier method followed by continuous-flow isotope ratio mass spectrometry (CF-IRMS), which allows for the comprehensive isotopic analysis of nitrate (i.e., δ15N, δ18O, Δ17O). This method was applied to the isotopic analysis of nitrate samples in two case studies: (i) an investigation of the diurnal and spatial features of atmospheric nitrate isotopic composition in coastal California; and (ii) a study of the seasonality and air-snow transfer of nitrate stable isotopes on the Antarctic plateau. Furthermore, the method was adapted to the isotopic characterization of ozone via chemical conversion of its terminal oxygen atoms to nitrate. During the course of this thesis, a large dataset of tropospheric Δ17O(O3) measurements has been obtained, including a full annual record from Grenoble, France (45 °N) and a ship-based latitudinal profile from 50 °S to 50 °N in the Atlantic marine boundary layer (MBL). This observational dataset represents a two-fold increase in the number of existing tropospheric Δ17O(O3) observations and a dramatic expansion in the global representation of this key isotopic variable. Additionally, the two case studies presented reveal novel and often unexpected aspects of the isotope dynamics of atmospheric nitrate, with potentially important implications for air quality modeling and the interpretation of isotopic information preserved in the polar ice core record.

L'impact des modifications climatiques et de l'augmentation de la démographie sur le cycle de l'eau et de l'énergie dans la région ouest africaine passe par la quantification des échanges entre les différents couverts de la surface continentale et l'atmosphère. Toutefois, la compréhension du rôle des interactions entre la surface et l'atmosphère dans la dynamique de la mousson ouest africaine est limitée par le manque d'observations dans cette région. Cette thèse porte sur l'étude des flux turbulents, en particulier l'évapotranspiration réelle, en climat soudanien. Les deux couverts étudiés sont une forêt claire (site de Bellefoungou) et une mosaïque de culture/jachère (site de Nalohou), situés dans la région du Nord – Bénin. On dispose de quatre années de mesures (2007 à 2010). Les sites d'étude font partie de l'observatoire hydro – météorologique AMMA – CATCH.Les données de flux turbulents de l'atmosphère ont été mesurées avec la technique d'eddy covariance. La partition énergétique des flux a été examinée à travers la fraction évaporative (EF) et le rapport de Bowen (β) aux échelles diurne, saisonnière et inter-annuelle. Des caractéristiques de surface (conductance de surface et aérodynamique) et le coefficient de découplage ont été calculés pour interpréter la dynamique de l'évapotranspiration réelle.L'analyse des résultats est basée sur un découpage du cycle saisonnier suivant quatre phases du cycle de la mousson : la saison sèche, la saison humide, les phases d'humidification et d'assèchement de l'atmosphère. Aux échelles diurne et saisonnière, on montre que le taux d'évapotranspiration réelle de la forêt est toujours supérieur à celui de la mosaïque de culture/jachère quelle que soit la saison. L'évapotranspiration réelle demeure non nulle en saison sèche sur le site de Nalohou malgré les conditions de surface peu favorables à ce processus. En saison humide, après le saut de mousson, la partition énergétique des flux atteint un régime stationnaire avec une moyenne égale à 0,75 à Bellefoungou et 0,70 à Nalohou pour les 4 années étudiées. Le rapport de Bowen pris dans le même ordre est environ de 0,4 et 0,6 traduisant ainsi, en dépit des conditions humides, la part non négligeable du flux de chaleur sensible sur les deux couverts végétaux. La différence de rugosité entre les deux couverts végétaux entraîne une conductance aérodynamique nettement supérieure à Bellefoungou par rapport à Nalohou. On montre également que la végétation du site de Nalohou est plus efficace en transpiration pendant la saison humide que celle du site de Bellefoungou. A l'échelle inter-annuelle, on n'a pas pu mettre en évidence une relation entre flux de chaleur latente et pluviométrie pour les quatre années étudiées qui sont toutes des années excédentaires. Cependant nous avons observé que le rayonnement net explique la majeure partie de la variabilité inter-annuelle des flux turbulents.Enfin, nous avons également montré avec le coefficient de découplage que la surface soudanienne et l'atmosphère restent couplées toute l'année. Ce fonctionnement de l'interface surface – atmosphère reflète le rôle majeur que jouent les conditions de surface dans la variabilité saisonnière de l'évapotranspiration réelle. Les résultats issus de cette étude donnent une première estimation des flux de chaleur latente et de chaleur sensible sur une forêt claire et une mosaïque de culture/jachère en climat soudanien. Ils sont d'une importance capitale pour la paramétrisation et la validation des modèles de surface ainsi que pour la quantification robuste de la ressource en eau disponible en surface pour l'agriculture, principale activité génératrice de revenus des populations locales. / Assessing the impact of climate and anthropic changes on the water and energy cycles, mainly rely on the quantification of the transfer between the various land covers and the atmosphere. Nevertheless the land – atmosphere interactions in the West African monsoon dynamic is not yet well understood because of the lack of observations in this region. This thesis focuses on the analysis of the sensible and latent heat fluxes under Sudanian climate. The two studied land covers are a clear forest (Bellefoungou) and a cultivated area (Nalohou), located in northern Benin, during four years (2007-2010). The study sites are a part of the hydro – meteorological AMMA – CATCH observatory.Turbulent fluxes were measured with the eddy covariance technique.The flux partitioning was investigated through the evaporative fraction (EF) and the Bowen ratio (β) at diurnal, seasonal and inter-annual scales. Surface characteristics (surface and aerodynamical conductance) and the decoupling factor were calculated to interpret the dynamic of the actual evapotranspiration.The analysis was performed according to four different stages of the monsoon cycle: dry and wet seasons drying and moistening intermediate stages. At diurnal and seasonal scales, actual evapotranspiration was always higher on the forest than on the cultivated area. It remained non zero during the dry season at Nalohou despite surface conditions which were not favorable to this process. During the wet season, after the monsoon onset, EF remained steady with a mean seasonal value of 0.75 at Bellefoungou and 0.70 at Nalohou for the four studied years. The Bowen ratio was 0.4 and 0.6 respectively, thus the sensible heat flux was significant on the two contrasted vegetation covers during the wet season. The contrasted roughness length of the two vegetation covers led to a highest aerodynamic conductance at the clear forest site. The mixed of crop/fallow was shown to be more efficient than the clear forest regarding wet season transpiration. At the inter-annual scale, no relationship can be evidenced between evapotranspiration and annual rainfall for the studied period (2007-2010), which was rather rainy. Nevertheless, the net radiation explains the main part of turbulent fluxes inter-annual variation.Finally, complete surface atmosphere decoupling was never observed. This property of the surface – atmosphere interface underlines the key role of the surface conditions in the actual evapotranspiration. Our results provide a first estimate of the latent and sensible heat fluxes over a clear forest and a mixed crop/fallow under sudanian climate. They are relevant to land surface models parametrisation or evaluation and to a robust quantification of the water resources for agriculture, the main economic activity in this region.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dont un des objectifs est de mieux connaître les dynamiques régionales des interactions climat-environnement-société. Elle est une contribution à l'étude de la variabilité spatio-temporelle de la végétation, en fonction des différents types d'occupation du sol et sous contrainte des variations saisonnières et interannuelles de la pluviométrie sur la partie supérieure du bassin versant du fleuve Ouémé, au Bénin. Cette espace possède un important réseau de surveillance hydroclimatique au sol, l'observatoire AMMA-Catch, qui fournit de nombreuses données in situ. L'analyse s'appuie aussi sur différentes données issues de la télédétection satellitaire optique (LANDSAT, SPOT-VGT, MODIS, MSG-SEVIRI ou ECOCLIMAP) pour l'étude de l'occupation du sol, de la variabilité photosynthétique de la végétation ou des estimations pluviométriques (RFE – Rainfall Estimate). L'étude porte principalement sur trois questions : 1) les modifications des états de surface récemment observées dans cette zone expérimentale de l'Ouémé supérieur ; 2) la valorisation des différentes données issues de la télédétection satellitaire pour diagnostiquer la variabilité bioclimatique régionale de la végétation ; 3) la compréhension des interactions à l'interface climat/végétation, pour interpréter certaines variations bioclimatiques intra- et interannuelles en fonction des principaux états de surface. Les principaux résultats suggèrent qu'il est possible de discriminer des relations fonctionnelles selon les principaux états de surface forestiers ou très anthropisés. Les analyses diachroniques par classification d'images Landsat (ETM+) montrent que les espaces cultivés enregistrent régionalement une augmentation de 25 % sur la période 2003-2012. Les superficies de jachère diminuent, alors que les savanes arbustives augmentent. Tous les espaces forestiers perdent en superficie sur la décennie observée, en particulier les forêts denses (a priori protégées dans cette région) avec une baisse supérieure à 16 %. La variabilité spatio-temporelle d'un indice de végétation (NDVI) est significativement dépendante des trois principaux modes d'occupation du sol, même si l'artefact dû à la nébulosité complique les analyses et interprétations. Les contrastes entre le domaine de forêt naturelle encore préservée (la forêt classée) et les espaces en mutation agricole (cultures et jachères) sont particulièrement visibles. Sur la décennie 2002-2012, il n'y a pas de tendance des pluies, mais plutôt une succession de phases sèches et humides, qui induisent finalement une stabilité interannuelle du NDVI. Le déphasage moyen entre pluies et activité végétale est en moyenne de quatre décades, mais il semble que la fin de la saison végétative recule ait reculé d'au moins 10 jours sur la période étudiée, traduisant une modification des précipitations de fin d'année. / This thesis is part of the international AMMA program (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine - Multidisciplinary Analysis of African Monsoon) whose objective is to better understand the regional dynamics of climate-environment-society interactions. It is a contribution to the study of the spatio-temporal variability of vegetation, according to different land use types and under the constraints of seasonal and interannual variations in rainfall in the upper basin of Ouémé river, Benin. This area has an extensive network of hydro-climatic ground monitoring, observatory AMMA-Catch, which provides many in-situ data. The analysis also relies on data from different optical remote sensing satellites (LANDSAT, SPOT-VGT, MODIS, MSG-SEVIRI or ECOCLIMAP) for the study of land occupation, variability of photosynthetic vegetation or rainfall estimate (RFE). The study focuses mainly on three questions: 1) the changes in surface conditions recently observed in the experimental area of upper Ouémé; 2) the analysis of various data from satellite remote sensing to diagnose regional bioclimatic variability of vegetation; 3) the understanding of climate/vegetation interface interactions, in order to interpret certain intra-and interannual bioclimatic variations depending on the main surface conditions. The main results suggest that it is possible to discriminate the functional relationships from the main conditions of forest or anthropized surface. The diachronic analysis through the classification of Landsat (ETM +) images show that the cultivated areas recorded regionally an increase of 25% over the period of 2003-2012. The areas of set-aside decrease, while shrublands increase. All forests lost in area over the decade observed, particularly dense forest (presumably protected in this region) with a drop of over 16%. The spatio-temporal variability of a vegetation index (NDVI) significantly depends on three main types of land use, even though the noise due to the cloud cover complicates the analysis and interpretation. The contrasts between the preserved natural forest area (the forest reserve) and the agricultural areas (crops and fallow) are particularly visible. Over the decade 2002-2012, there is no trend of rainfall, but rather a succession of wet and dry phases, which ultimately induce an interannual stability of NDVI. The average phase difference between rainfall and vegetation activity is four decades, but it seems that the end of the vegetation growing season has retreated back to at least 10 days during the study period, reflecting a change in rainfall at the end of the year.

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Atualmente, no Brasil, há avanços em relação aos trabalhos realizados em cidades de pequeno e médio porte, sendo fundamentais para planificação e o ordenamento territorial. Considerando-se a carência de estudos sobre a qualidade do ambiente urbano, sobretudo, em cidades de pequeno e médio porte em zonas costeiras no Brasil, e a necessidade de se realizar pesquisas que se referem à qualidade ambiental necessária para o desenvolvimento da vida humana, foi proposto o estudo do clima urbano em Ubatuba-SP. Este trabalho buscou compreender até que ponto a dimensão de uma cidade pode gerar um clima urbano específico e, também, quais seriam as formas de espacialização das ilhas de calor em uma cidade localizada na zona costeira. O objetivo principal deste estudo foi compreender e analisar o clima urbano de Ubatuba-SP, buscando identificar os níveis de interferência humana no ambiente, caracterizar as temperaturas de acordo com os sistemas atmosféricos atuantes e sua distribuição no espaço geográfico, levando em consideração os diferentes padrões construtivos e as características do relevo. A pesquisa teve como aporte teórico o Sistema Clima Urbano com ênfase no subsistema termodinâmico. Buscou-se trabalhar as relações entre os atributos geoecológicos do sítio, a morfologia e as funções urbanas. Os procedimentos metodológicos realizados se basearam na coleta de dados por medidas móveis, por pontos fixos e imagens de satélites. Os transectos móveis para a coleta de dados de temperatura foram realizados nos períodos da manhã (9h), tarde (15h) e noite (21h), em três episódios, durante os dias 11, 18 e 27 de novembro de 2015, totalizando nove medidas simultâneas em dois trajetos S-N e O-L. Foram instalados 15 miniabrigos meteorológicos (pontos fixos) distribuídos pela malha urbana para a coleta dos dados de temperatura e umidade relativa do ar no mês de novembro de 2015, neste caso, também foram utilizados os dados das estações meteorológicas automáticas do Instituto Agronômico de Campinas (IAC) e do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IOUSP), totalizando 17 pontos de registro. Os dados das estações meteorológicas também foram utilizados para realizar a caracterização da direção e velocidade predominante dos ventos e na identificação das brisas marítimas e terrestres. Também foram utilizadas técnicas de sensoriamento remoto com o objetivo de realizar a modelagem da ilha de calor urbana, considerando as características de uso e a ocupação da terra. Os resultados apontaram diferenças de até 5,4ºC nas medidas móveis e diferenças de até 6ºC nas medidas fixas. A modelagem foi capaz de explicar cerca de 50% da variabilidade das temperaturas com a formação de ilha de calor bem definida na área central da cidade, apresentando intensidade de 5°C em relação ao entorno rural. O sistema de brisas contribuíram, em alguns casos, para o deslocamento da temperatura, sendo mais eficiente durante o dia sob efeitos das brisas marítimas com o deslocamento do calor da área central para o interior do continente e menos frequente durante a noite sob atuação da brisa terrestre. De modo geral as áreas mais quentes da cidade com a geração de ilhas de calor se apresentaram como resultados dos processos de ocupação desigual do espaço, sendo as áreas densamente construídas, com baixo padrão construtivo e baixa vegetação arbórea, e sobretudo, localizadas fora das áreas de interesse turístico, de valorização cênica e forte especulação imobiliária dos espaços residenciais fechados nas orlas das praias. / Les études sur le climat urbain effectuées jusqu'à présent ont donné une plus grande importance aux grandes villes, supposément en raison d’une plus grande attention accordée à la qualité de vie de ses habitants et par l'aggravation des problèmes environnementaux. Actuellement, au Brésil, des avancées ont permis d’améliorer les connaissances au cours d’études menées sur les petites et moyennes villes, fondamentales pour la planification de l’aménagement du territoire. Compte tenu de l'absence d'études sur la qualité de l'environnement urbain, en particulier dans les petites et moyennes villes des zones côtières du Brésil, le cas du climat urbain de la ville d'Ubatuba-SP a été étudié en profondeur afin de répondre à cette nécessité. Le but de ce travail est de chercher à comprendre dans quelle mesure la dimension d'une ville peut générer un climat urbain spécifique, et aussi, quelles seraient les formes de spatialisation de l’îlot de chaleur dans une ville située en zone côtière. L'objectif principal de cette étude était de comprendre et d'analyser le climat urbain de la ville d'Ubatuba-SP, pour tenter d’identifier les niveaux d'interférences humaines avec l'environnement, de caractériser les températures selon les systèmes atmosphériques et leur distribution dans l'espace géographique, tout cela tenant compte desdifférents standards établis en matière de construction et des carctéristiques du relief. Cette recherche est nourrie par l’apport théorique le Système Climat Urbain dont notamment le sous-système thermodynamique. On a cherché à travailler les relations entre les attributs géoécologiques du site, la morphologie et les fonctions urbaines. Les procédures méthodologiques réalisées se basent sur la collecte de données par mesures mobiles, par mesures fixes et par images de satellites. Les transects mobiles pour la collecte des données de température ont été effectués le matin (9h), l'après-midi (15h) et la nuit (21h), en trois épisodes, lors des 11, 18 et 27 novembre 2015, totalisant neuf mesures simultanées sur deux axes S-N et O-E. Quinze points de mesures fixes ont été répartis en divers secteurs de la ville pour procéder à la collecte des donneés, à savoir sur la température et l'humidité relative au mois de novembre 2015. Les données des stations météorologiques automatiques de l'Institut Agronomique de Campinas (IAC) et de l'Institut Océanographique de l'Université de São Paulo (IOUSP), totalisant 17 points d'enregistrement, ont aussi été exploitées. Les données des stations météorologiques ont également été utilisées pour caractériser la direction et la vitesse prédominante des vents ainsi que pour l’identification des brises maritimes et terrestres. La modélisation de l’îlot de chaleur urbain, qui considère les caractéristiques d'occupation et d'usage du sol, a nécessité l’emploi de techniques de télédétection. Les résultats ont montré des différences de 5,4°C dans les mesures mobiles et des différences de 6ºC dans les mesures fixes. Le modéle a permis d'expliquer environ 50% de la variabilité des températures avec la formation d'un îlot de chaleur bien défini dans la zone centrale de la ville, présentant une température supérieure de 5°C par rapport au milieu rural. Le système de brise a contribué, dans certains cas, au brassage de la température, à effacer pendant la journée sous les effets des brises de mer avec le déplacement de chaleur de la zone centrale vers l'intérieur du continent mais moins fréquent pendant la nuit sous l’effet de la brise terrestre. En général, les zones plus chaudes de la ville, où est généré l’îlot de chaleur ont seraient le résultats de processus d'occupation inégale de l'espace. Ces zones correspondent aux secteurs densément construits, avec des standards établis en matière de construction, un faible taux de végétation arborée et particulièrement en dehors des zones d'intérêt touristique, de l'évaluation scénique et de la forte spéculation immobilière des espaces résidentiels fermés dans les rives des plages. / The studies on urban climate carried out so far have given greater importance to large cities, presumably because the greater quality of life of its inhabitants and the aggravation of environmental problems. Currently, in Brazil, there are advances related to works carried out in small and medium-sized cities, being fundamental territorial planning. Considering the lack of studies on the quality of the urban environment, especially in small and medium-sized cities in coastal areas in Brazil, and the need to carry out research that refers to the environmental quality necessary for the development of human life it was proposed the study of the urban climate of the city of Ubatuba-SP. This study aimed to understand how the extent size of a city can generate a specific urban climate and, even, which would be the forms of spatialization of the heat islands in a city located in the coastal zone. The main objective of this study was to understand and analyze the urban climate of the city of Ubatuba, looking for to identify the levels of human interference in the environment, to characterize the temperatures according to the atmospheric systems and their distribution in the geographic space, taking into account the different constructive patterns and the characteristics of the relief. The research had as theoretical contribution the Urban Climate System with emphasis in the thermodynamic subsystem. It was aimed to work the relations between the geoecological attributes of the site, the morphology and the urban functions. The methodological procedures were based on the collection of data by mobile measurements, by fixed points and satellite images. The mobile transects for the collection of temperature data were performed in the morning (9 A.M.), afternoon (3 P.M.) and night (9 P.M.), in three episodes, during November 11th, 18th and 27th of the year of 2015, totaling nine simultaneous measurements on two routs S-N and W-E. Fifteen fixed measurement points were installed in the urban network of the city to collect data on temperature and relative humidity in the month of November 2015, in this case, were also used data from automatic weather stations of the Agronomic Institute of Campinas (IAC) and the Oceanographic Institute of the University of São Paulo (IOUSP), totaling 17 registration points. The data of the meteorological stations were also used to characterize the direction and the predominant velocity of the winds and in the identification of the maritime and terrestrial breezes. Were also used remote sensing techniques in order to carry out the modeling of the urban heat island, considering the use and occupation of land characteristics. The results showed differences of up to 5,4ºC in mobile measurements and differences of up to 6°C in fixed measures. The modeling was able to explain about 50% of the temperature variability with the formation of a well defined heat island in the central area of the city, presenting intensity of 5°C in relation to the rural environment. The system of breezes contributed, in some cases, to the displacement of the temperature, being more efficient during the day under effects of the sea breezes with the displacement of the heat of the central area to the interior of the continent and less frequent during the night under the action of the terrestrial breeze. In general, the hottest areas of the city with the generation of heat islands were presented as results of the processes of uneven occupation of space, being the areas densely constructed, with low constructive pattern and low tree vegetation, and mainly, localized outside the areas of tourist interest, of scenic valuation and strong real estate speculation of the residential spaces closed in the borders of the beaches. / FAPESP: 2015/04784-1 / FAPESP: 2016/06880-0