. Résumé en français: Le modèle climatique régional RegCM3 est utilisépour examiner les effets direct et semi-direct des aérosols sur le climat du sud de l'Afrique pendant l'hiver austral (juin-septembre). La sensibilité des effets simulés aux différents inventaires d'émissions de combustion de biomasse et aux différentes conditions aux limites est evaluer, afin d'estimer l'incertitude associée à ces paramètres. La sensibilité aux conditions aux limites derivées de réanalyses est modeste, mais le forçage radiatif des aérosols varie linéairement en réponse au différents inventaires testées jusqu'à un facteur deux. Le forçage radiatif est toujours négatif, alors que le forçage radiatif au sommet de l'atmosphère est negatif sur la plupart du domaine sauf au-dessus les régions de savane ou le contenu atmosphérique d'aérosols est élevée. Même si la magnitude du forçage radiatif varie, les simulations pour la période présente montrent des impacts climatiques comparables. La température de surface diminue sur la plupart de la région, ce signale qui réduit le biais du modèle sur l'ouest du sous-continent. L'échauffement en altitude est lié à la charge d'aérosols absorbants et cela, en combinaison avec la réduction de température en surface, mène à la stabilisation de la basse atmosphère. Toutefois, dans la moyenne troposphère de la zone équatoriale (entre 8°N et 5°S) cet échauffement à pour résultat un effet de 'pompe à chaleur en altitude'. Cet effet augmente la convection, les précipitations et l'humidité du sol, en accélérant le cycle hydrologique dans cette région. Une étude de la variabilité interannuelle des effets climatiques des aérosols montre que les changements des précipitations en moyenne saisonnière sont plus variables d'un an à l'autre que les changements de température de surface. Par contre, malgré des différences significatives entre les conditions synoptiques, la variabilité synoptique des impacts climatiques des aérosols est faible.

Dans un contexte de changement climatique, l'intégration des énergies renouvelables aux systèmes électriques est un enjeu majeur des décennies à venir. Les énergies liées au climat (photovoltaïque, éolien et hydro-électricité) peuvent contribuer à une réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, elles sont fortement intermittentes et la production électrique associée peine à répondre à la demande.Cette étude vise à évaluer la faisabilité météorologique du développement d'un système de production électrique basé sur les sources d'énergie liées au climat (CRE - Climate-Related Energy). Nous considérons uniquement leurs variations spatiotemporelles et supposons un équilibre entre production et demande moyennes. Nous avons développé CRE-Mix, une chaîne de modèles permettant de convertir les variables météorologiques en chroniques énergétiques. Cet outil permet l'estimation des fluctuations spatiotemporelles de production et de demande énergétiques résultant de la variabilité hydro-climatique. Pour une sélection de régions en Europe, nous évaluons la facilité d'intégration des CRE en fonctions de leur cohérence temporelle avec la demande. Pour chaque source d'énergie et de multiples mix énergétiques nous estimons successivement (i) le taux de pénétration moyen (PE), qui quantifie la proportion de demande satisfaite sur une longue période et (ii) les caractéristiques des périodes de faible pénétration pour lesquelles le taux journalier de demande satisfaite reste bas pendant plusieurs jours consécutifs. Les résultats montrent que les systèmes basés sur une seule source ont du mal à répondre à la demande et souffrent de longues périodes de faible PE, en raison de leur variabilité temporelle. Cependant, une combinaison d'énergies, l'utilisation de systèmes de stockage ou l'échange d'énergie entre régions, permettent d'augmenter fortement la fiabilité des CRE (PE proche de 100% et rares/courtes périodes de faible pénétration). Cette étude, basée sur 30 ans, a été étendue à l'ensemble de XXème siècle afin d'évaluer les fluctuations basse fréquence des CRE résultant de la variabilité interne du climat. De longues chroniques régionales de production et de demande ont été générées grâce au développement d'une méthode de descente d'échelle statistique basée sur les analogues atmosphériques (SCAMP). Cet outil génère des scénarios météorologiques multivariés physiquement cohérents. Les résultats montrent que les variations basse fréquence des CRE sont influencées par les grandes oscillations océano-climatiques. De plus, on montre que les variations multi-décennales de l'hydro-électricité sont particulièrement importantes avec notamment une différence en PE supérieure à 15% d'une décade à l'autre et des périodes de faible pénétration aux caractéristiques très irrégulières.Enfin, nous évaluons la pertinence de systèmes électriques basés sur les CRE en climat futur. SCAMP permet de produire des scénarios régionaux de variables météorologiques à partir des modèles climatiques issus des simulations CMPI5. Pour les précipitations, les tendances simulées par SCAMP sont en désaccord avec de nombreuses études. L'application de SCAMP en "modèle parfait" semble indiquer que le lien entre les situations atmosphériques de grande échelle et les précipitations totales, mais également convectives et stratiformes, change en climat futur. / In the context of climate change, the integration of renewables in electric power systems is one of the main challenges of the coming decades. Climate-Related-Energy sources (CRE - solar, wind and hydro power) can contribute to reduce the greenhouse gas emissions. However, they exhibit large spatio-temporal fluctuations and the associated intermittent electricity generation often leads to an incomplete supply-demand balance. This study aims to evaluate the meteorological feasibility of developing an electric power system that would only rely on CRE sources. We focus on the multi-scale spatio-temporal fluctuations of these renewables by assuming a balance between mean electricity production and mean energy load. We develop and use CRE-mix, a suite of models able to convert meteorological conditions into CRE time series. It gives an assessment the spatio-temporal fluctuations of power production and energy demand, resulting from the multi-scale hydro-climatic variability. For a set of European regions, we assess the ease of integration of CRE sources, regarding their temporal consistency with energy demand. For each CRE source and multiple CRE mixes, we consider in turn (i) the mean penetration rate (PE), which quantifies the proportion of satisfied demand over a long period and (ii) the characteristics of low penetration periods, defined as sequences of days for which the penetration rate is lower than a given threshold. This study proves that single CRE sources have difficulty to meet the energy demand and suffer from long low penetration periods, due to their multi-scale temporal variations. However, using some integrating factors (multi-sources, storage systems, inter-regions electric power transmission), efficiently improves the reliability of CRE-based power systems with PE rates close to 100% and rare low penetration periods.These analyses, based on a 30-yr period, are extended to the entire 20th century in order to assess the low frequency fluctuations of CRE sources resulting from the internal variability of climate. Long regional series of production and demand, were generated thanks to the development of a statistical downscaling method based on atmospheric analogues (SCAMP). It simulates physically-consistent multivariate series of meteorological parameters. The results demonstrate that these fluctuations are related to some large scale oceano-climatic oscillations. Moreover, the multi-decennial variations of hydro power are particularly large: changes in PE rates exceeding 15% from one decade to the other and uneven energy droughts characteristics.Finally, we evaluate the relevance of the CRE sources under future climate conditions. SCAMP is used to produce downscaled projections of meteorological drivers of CRE sources for the 21st century from a selection of CMIP5 climate models. The resulting scenarios for precipitation are not consistent with other studies focusing of the future modifications of this variable in Europe. The application of SCAMP in a perfect-model approach seems to indicate that the large-scale-meteorology/local-precipitation relationship is changing in the course of the 21st century, for all total, convective and stratiform precipitation.

Les villes jouent un rôle majeur dans le changement climatique à l'échelle globale au travers des émissions de gaz à effet de serre qu'elles génèrent. Mais elles peuvent aussi influencer le climat aux échelles locale et régionale car elles traduisent une altération des modes d'occupation des sols qui modifie les échanges thermodynamiques entre la surface et l'atmosphère. Les études d'impacts en milieu urbain se concentrent principalement sur les effets du changement climatique sur le climat local des villes (et plus largement, sur un ensemble de dimensions environnementales) selon des approches ne tenant pas compte des rétroactions potentielles. Les hautes résolutions horizontales atteintes aujourd'hui par les modèles de climat régionaux rendent légitime et pertinent d'inclure une modélisation explicite des villes dans ces modèles pour traiter les interactions ville/climat. Le couplage du modèle de climat régional ALADIN à 12 km de résolution avec la plateforme de modélisation des surfaces continentales SURFEX intégrant le modèle de canopée urbaine TEB permet d'évaluer l'impact de l'urbanisation à l'échelle régionale. L'analyse de sensibilité comparant différentes approches de modélisation des zones urbaines montre que les villes modifient significativement la température de l'air proche de la surface. Les plus grandes agglomérations françaises induisent un réchauffement le jour et la nuit, qui s'étend au-delà des limites de la ville et affecte l'environnement à l'échelle régionale. La comparaison des simulations à de longues séries d'observation sur la région parisienne révèle que la modélisation explicite des processus urbains avec TEB reproduit mieux la dynamique journalière de l'îlot de chaleur urbain et son intensité en phase nocturne que l'approche conventionnelle des modèles de climat décrivant les villes comme de la roche. L'activation de TEB dans le modèle ALADIN permet donc de mieux représenter l'impact des villes sur les climat régional. Néanmoins, les études d'impacts du changement climatique sur les villes nécessitent une descente d'échelle complémentaire. Une simulation a été réalisée avec le modèle AROME couplé à SURFEX(TEB) à 2.5 km puis 1.3 km de résolution sur l'agglomération toulousaine pour la période couvrant la campagne expérimentale CAPITOUL (2004-2005). Les bénéfices de la paramétrisation urbaine sont confirmés à ces échelles. Les tests de sensibilité réalisés sur les différentes versions de TEB mettent en lumière la forte sensibilité des performances du modèle à la qualité des simulations atmosphériques AROME et à la précision des données de surface. Pour ces résolutions et avec les bases de données actuelles, les paramétrisations les plus sophistiquées de TEB (échanges turbulents dans la canopée urbaine, énergétique du bâtiment, végétation explicite) n'apportent pas d'amélioration par rapport à la version historique voire dégradent les résultats. Il reste donc des voies d'amélioration à explorer pour la configuration AROME-Climat avec SURFEX(TEB), aussi bien sur la physique et la dynamique du modèle atmosphérique que sur la qualité des bases de données. En parallèle, différentes méthodes de descente d'échelle à très haute résolution sur les villes sont envisagées pour raffiner encore les études d'impacts. / Greenhouse gas emissions generated by cities play a major role in climate change at a global scale. But cities can also influence the climate at the local and regional scales as they reflect an alteration of land-use that modifies the thermodynamic exchanges between the surface and the atmosphere. Impact studies in urban areas focus mainly on the effects of climate change on the local climate of cities (and more broadly on a range of environmental dimensions) using approaches that do not account for the feedback with the atmosphere. The high horizontal resolutions reached by regional climate models make it relevant to include explicit modeling of cities to address city/climate interactions. Coupling the ALADIN regional climate model ALADIN (12 km horizontal resolution) with the SURFEX modeling platform integrating the model of urban canopy TEB allows to evaluate the impact of the urbanization at the regional scale. Sensitivity analyses that compare different urban canopy modeling shows that cities significantly modify the near-surface air temperature. The largest French cities induce a warming day and night, which extends beyond the limits of the city and affects the environment on a regional scale. Comparison of the simulations with long-term time series of observations on the Paris region reveals that the explicit modeling of urban processes with TEB improve the daily dynamics of the urban heat island and its nocturnal intensity compare to the conventional approach of climate models that describes cities as rock. The activation of TEB in the ALADIN model thus makes it possible to represent the impact of cities on the regional climate. Nevertheless, impact studies of climate change on cities require a further downscalling. A simulation was carried out with the AROME model coupled with SURFEX (TEB) at 2.5 km and 1.3 km resolution on the agglomeration of Toulouse for the period covering the CAPITOUL experimental campaign (2004-2005). The benefits of urban parametrization are confirmed. The tests carried out on the different versions of TEB highlight the high sensitivity of the model's performance to the quality of the AROME atmospheric simulations and the accuracy of the surface description. For these resolutions and with the current databases, the most detail parametrization of TEB (turbulent exchanges in the urban canopy, building energy budget, explicit vegetation) do not seem relevant compared to the historical version. New develompents could thus benefits to the AROME-Climat configuration with SURFEX (TEB). In particular, The physics and dynamics of the atmospheric model as well as the accuracy of the databases could be improved. At the same time, various downscalling methods at very high resolution on the cities are envisaged to enhance the spatial resolution needed by the impact studies.

La France, comme la majeure partie de l'Europe risque d'être confrontée à des changements climatiques sévères au cours du 21ème siècle. Cette thèse se propose d'en étudier les impacts sur le cycle hydrologique, à l'échelle des bassins versant français.<br />Une méthode de désagrégation statistique, basée sur le concept de type de temps, est développée et mise en œuvre afin de régionaliser un ensemble de scénarios climatiques pour forcer un modèle hydro-météorologique. Des impacts sévères sont visibles dès le milieu du 21ème siècle, avec notamment une forte diminution des débits moyens en été et automne, et une large augmentation du nombre de jours d'étiage.<br />D'autres méthodes de désagrégation sont utilisées afin de tester la sensibilité des résultats <br />au choix de la méthode: celle-ci s'avère limitée. La principale source d'incertitude <br />réside en fait dans le choix du modèle climatique. Nous essayons pour finir de mieux comprendre les raisons physiques de cette dispersion des scénarios climatiques sur l'Europe.

Le modèle SAFRAN-ISBA-MODCOU est évalué et sa physique améliorée. L'analyse météorologique SAFRAN est tout d'abord validée en détail. Le modèle de surface ISBA est ensuite modifié pour mieux décrire la conductivité hydraulique dans le sol. Une stratégie de calibration est définie et appliquée à l'échelle de la France. Le modèle amélioré est finalement utilisé pour évaluer les impact du changement climatique en région méditerranéenne. Un scénario d'un modèle de climat régional est désagrégé en utilisant deux méthodes différentes. L'étude montre que les incertitudes liées à la désagrégation sont importantes. L'incertitude liée au modèle d'impact est moindre, mais doit être prise en compte pour les extrêmes. Dans cette région, les débits extrêmes, et parfois, moyens, augmenteront pendant la première moitiée du XXIème siécle. A la fin du siècle, le scénario indique une baisse des débits moyens et une stabilité des débits extrêmes, ce qui conduit à une augmentation de la variabilité.

Dans le contexte du changement climatique contemporain, les analyses climatiques à l’échelle régionale présentent un intérêt majeur car elles permettent de rendre compte des hétérogénéités spatiales des évolutions climatiques. Notre étude propose une analyse de l’évolution climatique récente au Maroc et en Mauritanie et leur proche océan. Elle s’intéresse à cette évolution dans les basses couches de l’atmosphère en tenant compte des conditions thermiques (les températures de l’air à 2m), de la dynamique climatique côtière (TSM et upwelling), puis de la dynamique atmosphérique constituée des pressions atmosphériques et des vents de surface. Pour la totalité des paramètres météorologiques étudiés, la variabilité et l’évolution interannuelles sont analysées aux échelles annuelle et mensuelle / saisonnière. Les analyses statistiques basées principalement sur les régressions linéaires et la segmentation d’Hubert ont permis de monter que l’espace maroco-mauritanien a connu au cours des six dernières décennies (1950-2008), des évolutions climatiques contrastées tant à l’échelle spatiale qu’à l’échelle saisonnière. Les résultats les plus marquants se résument dans :•une évolution thermique contrastée avec un réchauffement plus marqué au Maroc et au Sahara qu’en Mauritanie, •augmentation de l’intensité de l’upwelling sur la côte marocaine et diminution de son intensité sur la côte mauritanienne,•une forte et dominante tendance à la hausse de la pression atmosphérique laissant apparaître notamment un renforcement de l’A.A méditerrano-saharienne et un affaiblissement de la dépression thermique saharienne en été,•une tendance générale à la baisse de la vitesse des vents, qui se produit parallèlement à une rotation de la rose des vents du nord au nord-est pour les alizés maritimes et du nord à l’est pour les alizés continentaux.La segmentation d’Hubert a permis de confirmer que les fluctuations climatiques majeures dans l’espace maroco-mauritanien et son proche océan se sont produites pendant les années 1970. Cela se vérifie à l’échelle des températures de l’air, de l’upwelling, et des PNM, tandis que pour les vents, la rupture qui a touché la vitesse et la fréquence des directions principales des alizés s’est produite entre les années 1960 et 1970. Une seconde période de rupture est mise en évidence par la segmentation d’Hubert. Elle concerne les années 1990 dans les séries chronologiques des températures de l’air et des PNM. / In the context of global contemporary climate change, regional climate analyses are of major interest as they allow accounting for spatial heterogeneity of climate change. Our study provides for an analysis of recent climate changes in Morocco and Mauritania and their nearby Ocean. It focuses on the evolution in the lower layers of the atmosphere, taking into account the thermal conditions (air temperature at 2m), the coastal climate dynamics (sst and upwelling), and atmosphere dynamics made of atmospheric pressures and surface winds. For all the studied meteorological parameters, the variability and inter-annual evolution are analyzed on monthly and annual / seasonal scales.Statistical analyzes based primarily on linear regressions and Hubert's segmentation helped show that the Moroccan-Mauritanian zone has experienced over the past six decades (1950-2008), contrasting climate changes both at the spatial and seasonal scales. The most significant results are hereunder summarized :•A contrasted thermal evolution with a more pronounced warming in Morocco and the Sahara than in Mauritania,•Increase the intensity of the upwelling on the Moroccan coast and decrease on the Mauritanian,•A strong and dominant upward trend in atmospheric pressure, resulting, in particular, in a Mediterrano-Saharan AA strengthening and lower Saharan thermal pressure during summer,•A general downward trend in wind speed, in parallel with a rotation of the compass rose from north to northeast for marine trade winds, and from north to east for the continental trade winds.Hubert’ Segmentation confirmed that the major climatic fluctuations in the Moroccan-Mauritanian area and their nearby ocean occurred during the 1970s. This is true at the level of air temperatures, the upwelling, and SLP, while the disruption that affected the wind speed and the frequency of the main directions of the trade winds occurred between 1960 and 1970. A second period of disruption has been demonstrated by Hubert’s segmentation. It relates to the 1990s in air temperature chronological series and SLP.