Les reliefs continentaux sont des interfaces dynamiques entre la lithosphère et l'atmosphère où interagissent une grande diversité de processus en lien avec la géodynamique interne et la géodynamique externe. Ils sont au cœur de la problématique des interactions entre le climat et la tectonique, dont une meilleure compréhension passe nécessairement par une meilleure appréhension des effets du climat et de ses variations sur la morphologie des reliefs et leur érosion. Nous présentons dans ce travail les résultats d'une étude expérimentale, en laboratoire, de la dynamique des reliefs, sous l'effet de forçages tectoniques (taux de surrection) et climatiques (taux de précipitations). A partir de l'élaboration d'une base de données conséquente d'expériences réalisées sous des conditions de surrection et de précipitations différentes, nous montrons que les hauteurs moyennes d'équilibre des reliefs, que leur temps de mise à l'équilibre et que leur morphologie déduite d'analyses de type pente-aire drainée sont des fonctions non- linéaires de la surrection, avec un effet des précipitations qui reste à préciser. Nous montrons que l'altitude moyenne d'équilibre des reliefs expérimentaux est contrôlée par le rapport entre taux de précipitation et de surrection (" water-to-rock ratio ") selon une loi non linéaire bien contrainte par plus de 80 données expérimentales. Le problème de la réponse des reliefs aux variations climatiques a été abordé en considérant l'effet d'une chute de pluviométrie sur un relief initialement à l'équilibre, en considérant différentes durées de chute, à taux de surrection constant. Nous montrons que plus la durée de chute de pluviométrie n'est importante, plus la réponse érosive (chute de vitesse d'érosion) est décalée dans le temps et amoindrie en amplitude. Ce résultat implique que sur les très longues échelles de temps (> quelques Ma), les variations climatiques n'ont probablement que très peu d'impact sur les vitesses d'érosion. Nous montrons également que cette réponse est contrôlée dans nos expériences par un seuil d'érosion. Nous avons également abordé l'impact de variations spatiales de précipitation sur la mobilité des réseaux de rivières et de crêtes. Nous montrons que de telles variations sont à l'origine d'une dissymétrie des vallées et d'une migration des réseaux de drainage qui peuvent aboutir à des captures entre bassins versants. Ces phénomènes observés dans les expériences sont tout à fait cohérents avec les caractéristiques géomorphologiques des vallées du piedmont nord-pyrénéen. Ces différents résultats mettent en évidence le rôle du climat, en l'occurrence les précipitations, sur la dynamique à long-terme des surfaces topographiques. / Continental reliefs are dynamic interfaces between the lithosphere and the atmosphere here a great diversity of processes interact with internal geodynamics and external geodynamics. They are at the essence of the problem of interactions between climate and tectonics. A better understanding of this interactions suggests a better understanding of effects of climate and its variations on the morphology of the landforms and their erosion. We present in this work the results of an experimental study in laboratory of the dynamics of the reliefs, under the effect of tectonic forcing (uplift rate) and climatic (rainfall rate). From the development of a consistent database of experiments carried out under different conditions of uplift and precipitation, we show that the mean steady-state of the reliefs, their update time and their morphology, deduced from slope-area analyzis, are non-linear functions of the uplift, with a rainfall effect that needs to be specified. We show that the mean equilibrium altitude of the experimental landscape is controlled by the ratio between rainfall and uplift "water-to-rock ratio", according to a nonlinear law constrained by more than 80 experimental data. The problem of the response of reliefs to climatic variations was approached by considering the effect of a decrease of rainfall rate on a landscape initially at steady-state, considering different durations of the decrease, with constant rate of rise. We show that more the deacreasing of rainfall asts in time, more the erosive response (erosion rate) is shifted in time and decreases in amplitude. This result implies that over very long-time scales (> a few Ma), climatic variations probably have very little impact on erosion rates. We also show that this response is controlled in our experiments by an erosion threshold. We also discussed the impact of spatial rainfall variations on the mobility of river and ridge networks. We show that such variations lead to a dissymmetry of the valleys and a migration of the drainage networks, which can cause catches between catchments. These phenomena observed in the experiments are in agreement with the geomorphological characteristics of the valleys of the north-Pyrenean piedmont. These results highlight the role of climate, in this case precipitation, in the long-term dynamics of topographic surfaces.

L'objectif de cette thèse est d'analyser les impacts des changements climatiques sur l'évolution des glaciers alpins. L'impact le plus direct concerne les changements des bilans de masse des 25 dernières années. L'analyse des bilans de masse de plusieurs glaciers au cours des 50 dernières années indique un signal commun sur l'ensemble de la chaine alpine. Il en résulte des variations très importantes de la dynamique des glaciers, en terme de variations d'épaisseur, de longueurs et de vitesses d'écoulement. Le réchauffement climatique a également un impact sur le régime thermique des glaciers "froids" de très haute altitude. Enfin, notre étude s'est intéressée à 3 cas de risque d'origine glaciaire qui sont les séracs de Taconnaz, le lac de Rochemelon en 2005 et la poche d'eau du glacier de Tête Rousse.

La présente étude a permis d'évaluer le potentiel d'utilisation de deux versions (3.7.1 et 4.1.1) du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) pilotées en mode réanalyse, afin de reproduire les extrêmes observés en été (sur la période 1961-1990), et de caractériser le régime de précipitation et de températures maximum et minimum au-dessus de trois régions de l'Est de l'Amérique du Nord (Sud et Nord des Grands Lacs et Pennsylvanie). La validation fut réalisée à l'aide de critères diagnostiques multiples liés à la fréquence, l'intensité et la durée des événements extrêmes de précipitation et de température, ceux-ci étant régulièrement utilisés dans l'évaluation des impacts sur les activités humaines et les écosystèmes dans une perspective de changements climatiques. Avec l'utilisation de critères statistiques, les distributions statistiques des indices d'extrêmes de précipitation et de température, les champs moyens saisonniers et la variabilité interannuelle de ces indices et ont été comparés par rapport aux valeurs observées. Les données de référence ont été établies en interpolant sur la grille du MRCC (45km), à l'aide du krigeage ordinaire, les données observées du National Climate Data Center, d'Environnement Canada et du Ministère de l'Environnement du Québec. Les principaux résultats obtenus sur les trois régions montrent que la version 4.1.1 du MRCC simule mieux le régime de température minimum et l'occurrence des jours humides/secs que la version 3.7.1 notamment la moyenne saisonnière, le 10ième centile de température, le nombre maximum de jours secs consécutifs, le nombre de jours de pluie (≥1 mm) ainsi que la variabilité interannuelle. Par contre, peu ou pas de différences existent entre les deux versions quant à la température maximum, l'amplitude thermique quotidienne, le 90ième centile de la température, la précipitation moyenne et le centile de précipitation. Dans tous les cas, la variabilité saisonnière est biaisée (forme et étalement des queues de distribution, i.e. aplatissement et asymétrie), les extrêmes chauds des températures maximum et les précipitations les plus intenses, liées aux phénomènes convectifs, étant largement surestimés ou sous-estimés, respectivement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional de Climat, Extrêmes, Krigeage, Variabilité interannuelle.

Cette étude se penche sur l'interaction nuage-rayonnement simulée par le modèle GEM-LAM (modèle Global Environnemental multi-échelle à aire limitée) en évaluant avec des observations provenant de deux sites du programme ARM (Atmospheric Radiation Measurement) les différentes composantes atmosphériques ayant un impact sur le bilan radiatif de surface. Ainsi, le rayonnement vers la surface de courtes et longues longueurs d'ondes est comparé aux observations en fonction de la fraction nuageuse afin d'isoler l'effet de la vapeur d'eau ou de l'eau liquide des nuages sur le rayonnement descendant. À l'aide des cycles diurnes moyens et des distributions de fréquences, le principal biais identifié pour le rayonnement à la surface simulé par GEM-LAM est la surestimation du rayonnement d'ondes courtes incident à la surface vers le milieu de la journée. Ce biais provient, d'une part, d'une sous-estimation de la fraction nuageuse, et d'autre part, d'une trop grande transmissivité du rayonnement solaire des nuages lorsqu'ils sont présents, particulièrement pour les nuages optiquement minces. Le biais radiatif de courtes longueurs d'ondes est responsable d'un biais chaud de température près de la surface pour les saisons d'été aux deux sites. Ceci entraîne un biais positif du rayonnement d'oncles longues pour les conditions de ciel clair qui est toutefois compensé par la sous-estimation de la fraction nuageuse pour donner des biais réduits du rayonnement d'ondes longues pour toutes les conditions. De plus, le biais de courtes longueurs d'ondes pourrait être responsable d'un assèchement excessif de la surface et par conséquent mener à un déficit de vapeur d'eau dans l'atmosphère, particulièrement pour la saison d'été au site SGP. Cette étude illustre l'importance de l'évaluation individuelle des composantes de l'interaction nuage-rayonnement à l'aide de statistiques à hautes fréquences temporelles afin de bien identifier les erreurs compensatoires qui peuvent être présentes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Interaction nuage-rayonnement, Modèle régional de climat, Schéma microphysique, Bilan radiatif de surface.

Les nuages de convection restreinte sont omniprésents au-dessus de l'Océan Tropical et durant l'été dans la couche limite des latitudes moyennes . Ils ont un impact sur la structure thermodynamique de la basse atmosphère et, par le biais de leur interaction avec la radiation solaire, ils influencent le budget énergétique à la surface. Dans ce projet, nous introduisons un paramétrage des nuages de convection restreinte dans le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC). Ce paramétrage est couplé au schéma de convection, qui est celui de Bechtold-Kain-Fritsch. La représentation de ces nuages ainsi que du MRCC avec ce paramétrage est évalué au-dessus du Pacific selon le protocole du GEWEX Pacific Cross-section Intercomparaison (GPCI). ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Convection restreinte, Paramétrage de la couverture nuageuse, Modèles régionaux du climat.

Les Modèles Régionaux du Climat (MRC) ont longtemps été considérés comme des outils performants, de haute résolution à aire limitée permettant une meilleure compréhension du climat passé, présent et futur. Le plus souvent, les MRC sont pilotés à leurs frontières latérales par des Modèles Globaux du Climat (MGC) de basse résolution, et qui couvrent le reste du globe terrestre. Ces modèles ont la particularité de reproduire différentes solutions de l'état de l'atmosphère à cause de leur sensibilité aux conditions initiales (CI). Outre la solution due aux forçages externes (forçage aux frontières latérales et le forçage de surface), les MRC reproduisent une seconde solution associée à la variabilité interne (VI) du modèle du fait de leur sensibilité aux CI. Cette sensibilité est en grande partie causée par la nature non-linéaire de la physique et la dynamique atmosphériques. À l'instar de précédentes études, nous analysons la variabilité interne du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) en utilisant un ensemble de simulations aux CI différentes. Ce projet de recherche consiste à effectuer un diagnostic quantitatif des termes dynamique et diabatique qui contribuent à la variation temporelle et la distribution spatiale de la VI. L'originalité de ce travail est qu'il propose des équations bilans de la VI pour deux variables atmosphériques: la température potentielle et le tourbillon relatif. Les deux équations établies présentent des termes similaires, notamment les termes relatifs au transport de la VI par l'écoulement de la moyenne d'ensemble et la covariance des fluctuations agissant sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Concrètement, nous avons utilisé un ensemble de 20 simulations aux CI différentes pour analyser les caractéristiques de la VI, afin de déterminer une période et une région d'intérêt caractérisées par une forte croissance de la VI. Ensuite, nous avons validé les équations établies en montrant l'égalité entre les deux parties de chaque équation. Enfin, une étude de bilan a permis d'évaluer la contribution des différents termes au développement et à l'évolution de la VI. Les résultats révèlent que les termes dominants responsables de l'accroissement de la VI sont soit les termes de covariance impliquant les fluctuations de température potentielle et de chauffage diabatique, ou les termes de covariance de fluctuations inter-membres agissent sur le gradient de la moyenne d'ensemble de la variable considérée. Les résultats révèlent également que les épisodes de fortes diminutions de la VI se produisent lorsque les maxima de la VI sont proches de la frontière nord-est, indiquant leur transport en dehors de la zone d'étude par l'écoulement moyen. Enfin, nos résultats ont montré qu'en moyenne, les termes du troisième ordre sont négligeables, mais peuvent devenir importants lorsque la VI est importante. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Équation de la variabilité interne, modèle régional de climat, ensemble de simulations, climat de l'Amérique du Nord

À cause des non-linéarités dans les processus atmosphériques, les modèles de circulation générale de l'atmosphère (MCG) sont sensibles aux conditions initiales (CI). Autrement dit, les MCG peuvent générer plusieurs solutions de la circulation atmosphérique si un petit changement affecte les CI du modèle. La divergence de ces solutions devient importante en quelques jours de simulations en limitant de cette façon l'habilité des prévisions atmosphériques à une période limitée de temps. Comme une conséquence de l'existence de la variabilité interne, n'importe quel climat peut être décomposé en deux termes: le signal, associé au forçage externe, qui est indépendant des CI, et le «bruit» dû à la variabilité interne qui est générée par cette sensibilité du modèle aux CI. Contrairement aux MCG qui couvrent entièrement le globe et qui possèdent une large variabilité interne, les Modèles Régionaux de Climat (MRC) sont limités et pilotés à leurs frontières latérales par les données qui proviennent d'un MCG. La variabilité interne sera influencée dans ce cas par toutes les contraintes et les conditions qui définissent les MRC comme par exemple, les conditions aux frontières latérales (CFL), la taille ou la position géographique du domaine. Cette étude analyse la variabilité interne du Modèle Régional Canadien de Climat (MRCC) et les possibles conséquences sur les analyses statistiques des simulations saisonnières. Dans ce but, des ensembles de 20 simulations qui diffèrent légèrement dans leurs CI ont été générés avec le MRCC pour différentes tailles du domaine sur une période saisonnière de trois mois. Le degré de variabilité interne du modèle a été apprécié selon le degré d'écart entre les simulations durant la période d'intégration. Les résultats montrent que la variabilité interne du MRCC, estimée statistiquement comme la variance entre les 20 simulations de l'ensemble, dépend fortement des événements synoptiques. Cette dépendance est notamment observée dans les variations de la variance enregistrées durant la période d'intégration. Selon notre étude, ces variations ont une distribution géographique qui dépend de la variable étudiée. L'évolution temporelle des patrons synoptiques montre que les maximums des variances pour les deux champs étudiés, la précipitation (le maximum au sud des États-Unis) et la hauteur du géopotentiel à 850 mb (le maximum vers le nord-est du domaine) sont reliés entre eux. Les évènements de forte précipitation du sud des États-Unis (qui correspondent au maximum de l'écart entre les simulations de la précipitation) engendrent aussi un écart des simulations du champ de la hauteur du géopotentiel. Cet écart entre les simulations du champ de la hauteur du géopotentiel se développe dans les circulations cycloniques et atteint son maximum vers le nord-est (où la variance est maximale), avant de quitter le domaine. Utilisée comme une mesure de la variabilité interne à l'échelle saisonnière, la variance entre les moyennes saisonnières des membres de l'ensemble montre des valeurs importantes pour la statistique saisonnière du champ simulé sur les grands domaines. Cela suggère qu'une seule simulation pourrait produire des erreurs significatives dans l'estimation de la moyenne saisonnière du champ simulé, spécialement pour le champ de la précipitation. Notre expérience montre que les réductions de la taille du domaine diminuent la variabilité interne du modèle dans les aires convectives trouvées comme des aires de forte variabilité interne, mais une importante variation dans la distribution géographique et l'amplitude de la variabilité interne a été détectée à l'intérieur du domaine avec les réductions successives du domaine. Finalement, certains de nos résultats sont reliés au comportement complexe des simulations de l'ensemble durant la période d'intégration, en relevant l'habileté du modèle à générer des solutions bimodales des champs simulés sur les grands domaines d'intégration. La division de l'ensemble en deux groupes différents de simulations a généré pour une période courte de simulation deux estimations différentes du même champ simulé. Les résultats ont montré que cette division de l'ensemble coïncide avec la période durant laquelle la variabilité interne du modèle est maximale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional de climat, ensemble de simulations, variabilité interne.

À l'aide de la quatrième génération du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC4), deux paires de simulations pilotées à leurs frontières par les réanalyses NCEP NRA-2 ont été créées pour deux régions distinctes du Canada : 1) l'ouest canadien (WEST CAN), et 2) l'est canadien (EAST CAN). Pour ces deux régions, chaque paire de simulations consiste en une simulation dont la résolution horizontale est de 15 km (vrai à 60°N) et une simulation dont la résolution horizontale est de 45 km (vrai à 60°N). En utilisant ces simulations, cette étude tente de déterminer l'impact de l'augmentation de la résolution horizontale sur le champ de précipitation du modèle. Les résultats montrent que l'augmentation de la résolution horizontale permet d'obtenir une représentation plus réaliste de la topographie dans les simulations à 15 km, puisqu'elles illustrent de plus fines caractéristiques du terrain, tels que d'étroites et profondes vallées ainsi que de hauts, mais petits, complexes montagneux. De plus, notre étude révèle que les simulations à 15 km produisent davantage de convergence d'humidité et d'évapotranspiration, menant ainsi à une augmentation de la précipitation. L'augmentation de la résolution permet à la simulation à 15 km de produire de la neige durant toute l'année au sommet des plus hautes montagnes du domaine WEST CAN. Pour le domaine EAST CAN, la précipitation totale et solide plus grande retrouvée dans la simulation à 15 km mène à un ruissellement supérieur à celui retrouvé dans la simulation à 45 km. En comparant la précipitation simulée avec la précipitation observée provenant du réseau de stations d'Environnement Canada mesurant la précipitation horaire, on trouve que les simulations à 15 km produisent une distribution de la fréquence des précipitations horaires et une distribution de l'intensité des précipitations plus réaliste. Contrairement aux simulations à 15 km, les simulations à 45 km produisent moins d'événements horaires d'intensité modérée à très forte (3-10 mm/h) que ce qui est observé. Néanmoins, autant les simulations à 15 km que celles à 45 km produisent un biais positif en termes de fréquence et d'intensité des événements horaires de faibles intensités (0,2-3 mm/h). Conséquemment, une trop grande quantité de précipitation est générée annuellement par ce type d'événements, comparativement aux observations. La précipitation simulée est alors généralement plus grande que celle observée. Notre étude révèle également que pour analyser la fréquence et l'intensité de la précipitation, il est plus approprié d'utiliser une période d'accumulation d'une heure plutôt qu'une période d'accumulation de 24 heures. En effet, cela nous permet de comprendre plus facilement quels types d'événements le modèle est capable de reproduire et quelle est la contribution (en termes de quantité de précipitation) de chacun de ces événements. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modélisation régionale du climat, haute résolution, précipitation, MRCC

Une croyance véhiculée par bon nombre de scientifiques et fortement médiatisée, veut que le réchauffement planétaire provoque une augmentation de la variabilité du climat et des extrêmes climatiques. Cela constitue présentement l'une des préoccupations mondiales majeures du fait des répercussions sur le bien-être des populations, l'environnement, et l'économie. L'objectif principal de cette recherche consiste à élucider en partie cette question pour la province de Québec, à l'aide de la température, le paramètre prépondérant du climat (Env. Can, 1992). Il s'agit donc de vérifier si le réchauffement qu'a connu le Québec au courant du XXe siècle, a engendré une plus grande variabilité inter annuelle et à chacune des saisons, et inter mensuelle des températures. Au Québec, les relevés de la température maximale et minimale moyenne mensuelle, couvrant la période 1895 à 1995, ont récemment été homogénéisés à plus de vingt-deux stations météorologiques réparties du nord au sud de la province. Trois hypothèses sous-tendent l'objectif principal : 1- Le climat actuel est plus variable qu'au début du siècle, lorsque que le climat était plus froid; 2- Il existe une corrélation positive entre la température et la variabilité (puisque nous pensons qu'une hausse de la température va s'accompagner d'une hausse de la variabilité); 3- La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle. Cette dernière hypothèse a été formulée par des chercheurs d'Environnement Canada, et reprise ici afin d'être validée pour le Québec. Au niveau méthodologique, nous avons d'abord divisé le Québec en quatre zones géographiques. L'échelle temporelle de 30 ans a été retenue pour refléter les tendances au réchauffement et au refroidissement (moyenne mobile), et les tendances à l'augmentation et à la diminution de la variabilité (écart-type mobile) au courant des trois périodes à l'étude : 1895 à 1940, 1941 à 1970, et 1971 à 1995. Contre toutes attentes, le réchauffement a engendré une baisse de la variabilité inter annuelle et inter mensuelle jusque vers 1970. Après cette date, la légère hausse des températures s'est traduite par une augmentation de la variabilité, presque équivalente à celle du début du siècle, alors que les températures étaient plus froides. L'objectif principal est donc véridique depuis 1970, mais la première hypothèse est rejetée. Les températures moyennes annuelles provinciales étaient plus variables au début du siècle qu'au courant de la dernière période. Également, les corrélations inverses des courbes de la moyenne mobile et de l'écart-type inter annuel et inter mensuel au niveau provincial et zonal, nous obligent à rejeter la deuxième hypothèse. La saison estivale dans le Sud du Québec montre une corrélation positive plus forte (0,65) qu'aux autres saisons, avec un niveau de signification de 99,5%. Pour sa part, la troisième hypothèse est celle qui laisse le moins d'ambiguïté. La période comprise entre 1940 et 1970 a été la moins variable du siècle à l'échelle provinciale et zonale, autant au niveau inter annuel, qu'inter mensuel. De tels résultats laissent supposer qu'un réchauffement substantiel peut provoquer une élévation de la variabilité au courant des mois les plus chauds, soit à l'été et à l'automne, qui se fera davantage sentir dans le Sud du Québec, là où la température est la plus élevée et où se concentre plus de 80% de la population. Inversement, si la tendance se poursuit, les régions de basses températures telles que le Nord et le Centre de la province, connaîtront une baisse importante de la variabilité hivernale et printanière. Étant donné l'importance de ce sujet au niveau sociétal pour les générations présentes et futures et devant l'incertitude face au climat, il faut entamer dès maintenant un suivi rigoureux des fluctuations de la température afin de se préparer humainement, environnementalement, et économiquement, à faire face à des changements. ______________________________________________________________________________

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique du climat : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 257-265.