Cette thèse a été développée au sein du Projet Heliosat de l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, avec pour objectifs : (i) la réalisation d'un système d'estimation du rayonnement solaire au sol à l'aide de données en provenance des satellites géostationnaires ; (ii) la production en routine de cartes du rayonnement solaire sur une maille très fine au sol ; (iii) l'amélioration du système en fonction des résultats et des progrès scientifiques. Nous avons amélioré le modèle original de Cano (1982) et complété sur la base des études théoriques suivantes : (i) la mise au point d'un modèle de calcul du rayonnement solaire journalier en moyenne mensuelle ; (ii) l'utilisation du système pour n'importe quelle localisation géographique située dans le champ de vision du capteur du satellite considéré ; (iii) l'étude des relations existant entre l'indice d'ennuagement et le coefficient de transmission globale de l'atmosphère ; (iv) la détermination des rayonnements solaires diffus et direct basée sur la seule connaissance de données satellitaires. Cette méthode a été testée sur 30 mois de données satellitaires (12 mois de 1983, 11 mois de 1984 et les 7 premiers mois de 1985), les erreurs de reconstitution des rayonnements solaires global et diffus en horaire instantané étant respectivement de 70 Wh/m2 et de 99 Wh/m2. Le rayonnement solaire global journalier mensuel est obtenu à 10 % près de la valeur mesurée au sol. Enfin nous avons mis en place un système opérationnel à base de micro-ordinateur couplé à une station de réception satellitaire et qui utilise la méthode développée pour fournir automatiquement une cartographie du rayonnement solaire au sol, ainsi que de l'albédo planétaire et de l'indice d'ennuagement.

Nous avons mis en oeuvre une méthode statistique déjà existante (Cano, 1982) d'évaluation du rayonnement global à 1' aide des mesures du satellite Météosat. Cette méthode a été testée sur environ 1800 données : 11 mois de l'année 1983, 11 mois de l'année 1984 et 7 mois de l'année 1985. Les grands points de cette méthode statistique sont les suivants : 1) la construction d'une carte d'albédo planétaire par ciel clair d'après une série temporelle d'images sous conditions ciel clair, 2) l'évaluation d'un indice d'ennuagement, n, représentant le pourcentage du pixel recouvert par les nuages, par comparaison avec la carte d'albédo planétaire (albédo référence), 3) l'évaluation de la relation statistique entre la transmittance atmosphérique horaire (K), définie comme le rapport entre le rayonnement global et le rayonnement hors atmosphère (G0h), et n (l'indice d'ennuagement). Cette relation est du type : K = -a n + b ou Gh / G0h = -a n + b, où a et b > 0. Les coefficients de régression de cette relation ont été établis à partir des données du réseau de la Météorologie Nationale (Gh) et des données quotidiennes du canal visible de Météosat (n). En conclusion, nous pouvons dire que cette méthode est satisfaisante, elle permet 1) d'affiner ou de compléter (océans) les atlas du rayonnement déjà existants, en mettant en évidence des micro-climats (précision à 5 km près) peu connus ou inconnus, 2) l'évaluation du rayonnement global horaire moyen mensuel avec une précision de l'ordre de 0,1 kWh/m2, 3) un grand nombre d'application dites solaires (précision de rentabilité, méthode de conception architecturale assistée par micro-ordinateur, dimensionnement ...).

L'objectif de cette thèse est de mettre en évidence la relation climat/bilan hydrologique. Pour une meilleure analyse de la relation pluie/débit, une spatialisation pluviométrique est faite à partir de l'interpolation, en tenant compte de l'altitude et des coordonnées géographiques des stations.L'impact de la variabilité pluvio-hydrologique et de la dynamique des états de surface sur la sédimentation est aussi examiné.La variabilité des écoulements et la dynamique sédimentaire dans le bassin-versant Mono-Ahémé-Couffo pendant la période 1961-2000 dans un contexte de gestion intégrée des ressources en eau (GIRE) ont été analysées, en fonction des lames d'eau précipitées, des effets de lâchers d'eau du barrage de Nangbéto mis en service depuis septembre 1987, de la dynamique des états de surface et du substratum géologique (socle et grès) en place. L'approche combinée de l'utilisation des données météorologiques, hydrologiques, d'occupation du sol, sédimentologiques, associées aux études antérieures et aux observations de terrain, ont permis de développer des méthodes statistiques efficaces pour atteindre les objectifs fixés pour cette étude.Les résultats montrent que les déficits pluviométriques des décennies 1970 et 1980 ont multiplié par 4les déficits de l'écoulement, avec pour conséquence un déficit de la recharge. Mais, avec la légère reprise pluviométrique (3 %) de 1988 à 2000 par rapport à la sous-période 1965-1987, on assiste à un excédent d'écoulement de 0,1 % sur le Couffo et 37 % sur le Mono. Les effets du barrage de Nangbéto se traduisent par une augmentation de 97 % des débits d'étiage alors que les débits de crue ont connu une baisse de 3 %. Ceci montre le rôle joué par le barrage de Nangbéto sur le débit d'écoulement et l'atténuation des inondations et par conséquent une pérennisation de l'écoulement en aval du bassin.L'utilisation du modèle GR2M se révèle assez efficace à simuler les débits moyens malgré l'influence des lâchers d'eau du barrage de Nangbéto.En revanche les faibles coefficients d'écoulement et la faible corrélation entre écoulement et recharge,montrent que la précipitation ne constitue pas le seul paramètre expliquant le fonctionnement hydrologique du bassin, mais qu'interviennent aussi le substratum géologique et les états de surface.Ces derniers déterminent l'aptitude des sols à l'infiltration, au ruissellement et à l'érosion. De 1956 à2000, on note une évolution régressive des formations végétales naturelles au profit des formations anthropiques, du fait des pratiques agricoles. Cette pression humaine a entraîné une diminution de plus de 60 % des formations de forêts et de savanes arborées, qui jouent un rôle modérateur sur l'écoulement, facilitent l'infiltration et ralentissent les apports solides vers les lits des cours d'eau.Leur dégradation entraînerait donc une augmentation de l'écoulement et de l'évaporation au détriment de l'infiltration, accélérant le déficit des réservoirs souterrains ainsi que l'érosion et donc la sédimentation.À cet effet, la variation pluvio-hydrologique, associée à la dégradation actuelle des unités paysagiques, a contribué à l'augmentation des charges solides dans le bassin, dont les plus importantes parviennent au lit en période des hautes eaux, et occupent seulement 8 % de ce temps.Ces apports sont à la fois d'origine continentale et marine, dont les plus importants sont ceux drainés par les cours d'eau. Ils ont contribué à la réduction des superficies des plans d'eau de 4 % dans la basse vallée. Avec les apports du Mono avant la construction du barrage de Nangbéto, le système lagunaire se comble de 1,6 mm.an-1 et pourrait engendrer, la destruction de la biocénose et donc la disparition des ressources halieutiques.

LA PROBLEMATIQUE DE CETTE RECHERCHE EMANE D'UNE CONTREVERSE ENTRE DEUX THEORIES. L'UNE DITE << OBJECTIVE >>, VOYANT DANS LE CLIMAT LE SEUL DETERMINANT DE LA CONCEPTION DES FORMES URBAINES ET ARCHITECTURALES. L'AUTRE DITE << SUBJECTIVE >>, ATTRIBUANT CETTE CONCEPTION AU SEUL SOUCI DE L'ADAPTATION SOCIOCULTURELLE. EN SIX CHAPITRES CETTE THESE ESSAIE DE FAIRE LA PART DU CLIMAT ET DE LA SOCIETE DANS LA CONCEPTION DE L'ARCHITECTURE TRADITIONNELLE. LE PREMIER CHAPITRE TRAITE DE L'APPROCHE THEORIQUE, QUI DEVRAIT CONDUIRE A LA DEFINITION DU CHAMP GEOGRAPHIQUE DE LA RECHERCHE. IL S'AGIT ICI DES ZONES ARIDES DU MONDE ARABO-MUSULMAN. LE DEUXIEME CHAPITRE ANALYSE LES INFLUENCES CLIMATIQUES DANS LA CONCEPTION ARCHITECTURALE ET URBAINE AYANT TRAIT AU CHAMP DE L'ETUDE SUSMENTIONNE. CES INFLUENCES CLIMATIQUES SONT PRESENTEES EN PARAGRAPHES SUCCESSIFS SELON LES EFFETS A EVITER : RAYONNEMENT SOLAIRE, CHALEUR ET INCONFORT CLIMATIQUE. LE TROISIEME CHAPITRE ABORDE L'INFLUENCE SOCIOCULTURELLE DANS LA CONCEPTION DU CADRE BATI. CETTE INFLUENCE EST VUE SOUS PLUSIEURS ASPECTS : VIE SOCIALE, PRATIQUES CULTURELLES, ECONOMIE, SECURITE, ETC. LE QUATRIEME CHAPITRE EST UNE ETUDE SUR TERRAIN QUI PORTE DE L'APPRECIATION ET LA COMPARAISON DES FORMES URBAINES TRADITIONNELLES ET CONTEMPORAINES. LE TERRAIN D'ETUDE EST UN VILLAGE DU SUD-EST ALGERIEN. LE CINQUIEME CHAPITRE SE VEUT PLUS PERSONNALISE. IL S'INTERESSE AUX HABITATIONS ELLES-MEMES. QUATRE TYPES D'HABITATIONS SONT SELECTIONNES. LES TEMPERATURES MINIMALES ET MAXIMALES JOURNALIERES SONT SAISIES DURANT TOUTE L'ANNEE 1996 ET LE MOIS DE JUILLET 1998. LE SIXIEMECHAPITRE PRESENTE DES EXEMPLES DE L'ARCHITECTURE CONTEMPORAINE PUISANT LEUR INSPIRATION DANS L'ARCHITECTURE TRADITIONNELLE. UNE REPRODUCTION INTELLIGENTE MANIFESTE UN APPORT TECHNOLOGIQUE SOUCIEUX DU MODE DE VIE ACTUELLE ET NON UNE REPRISE AVEUGLE DES TECHNIQUES TRADITIONNELLES.

Ce document constitue une synthèse de ma dizaine d'années d'activité scientifique passées sous les tropiques, en tant que physicien adjoint affecté à l'IPSL et détaché à la Réunion, au LPA qui devint LACY en s'associant à Météo-France. Ce document contient donc une présentation de l'essor instrumental de la station de l'OPAR et sa place dans les réseaux de recherche internationaux, qui reflète mon activité dans le cadre de ma mission de participation aux services d'observation. Une synthèse des principaux résultats obtenus par rapport au bilan de l'ozone troposphérique tropical est ensuite présentée. En effet, cette dizaine d'années d'observation de l'ozone troposphérique par lidar et radiosondages nous a permis d'approfondir des cas d'études pour détailler les mécanismes source de l'ozone troposphérique à la Réunion, d'établir la climatologie de l'ozone et de la tropopause et de dégager les premières estimations de tendances de l'ozone troposphérique.

Cette thèse vise à évaluer l'impact du changement climatique sur la qualité des eaux du système karstique dans le Val d'Orléans. En 1er lieu, un bilan de la qualité géochimique de la Loire et de la Source du Bouillon a été réalisé : les isotopes stables et éléments majeurs ont révélé un mélange des eaux de Loire avec des eaux déjà présentes dans le karst ; la formation de calcite et d'hydroxydes de fer joue un rôle majeur sur le comportement des éléments traces dans le karst. Le bilan réalisé ensuite pour les produits phytosanitaires et pharmaceutiques montre que leur occurrence et comportement dans le karst varie suivant la molécule considérée, selon : son pouvoir d'adsorption au sol/sédiment, son taux de dégradation dans les stations d'épuration (pour les pharmaceutiques) et dans les eaux naturelles, les saisons et conditions climatiques, le mélange avec des eaux résiduelles karstiques plus ou moins chargées en produits que la Loire. Ces bilans géochimiques ont permis de fixer la qualité de l'eau souterraine pendant la durée de prélèvement. Le risque d'inversion de courant au niveau de rivières locales pouvant entraîner une dégradation de cette qualité, l'occurrence future de ces inversions de courant a été calculée : en reliant les inversions de courant et les résultats d'une désagrégation d'échelle d'un modèle climatique, il apparaît que le risque d'inversion de courant dans le Val d'Orléans diminuerait dans le futur. La qualité des eaux souterraines resterait alors semblable à celle exposée pendant cette thèse, sans mélanges avec l'eau de surface provenant des inversions, et par conséquent sans dégradation manifeste de la ressource en eau du Val d'Orléans.

Proposant une approche méthodologique fondée sur la sémiologie des indices et la sémiotique narrative, notre travail doctoral sous convention CIFRE pour EDF R&D s'attache à comprendre le fonctionnement structural et narratif des représentations du changement climatique dans différentes sphères sociales en France. Partant du caractère scientifique de l'Objet de recherche, l'étude s'intéresse aux discours forgés par les climatologues, la presse de vulgarisation scientifique, trois titres de la presse quotidienne nationale et les discours profanes au travers d'entretiens collectifs, selon une temporalité commune, de novembre 2009 à mars 2010. La " Une " des quotidiens et des magazines de vulgarisation scientifique est alors considérée comme un marqueur social et historique fort, capable de construire les représentations relatives au changement climatique. Le corpus de presse d'information fonde les représentations tant du phénomène climatique que des événements médiatiques qui lui donnent une existence. Le recours à la sémiotique narrative permet une comparaison de corpus de natures différentes, afin de prendre la mesure de la circulation entre les différentes sphères sociales visitées. L'objectif étant une compréhension globale des représentations climatiques, permettant une réflexion sur les mythes dont nos sociétés se nourrissent pour se construire, et sur le possible ré-enchantement de ces mythes.

La connaissance de la climatologie des états de mer est primordiale pour le dimensionnement de structures marines, la gestion des zones côtières ou encore la récupération de l’énergie des vagues. L'estimation de la climatologie nécessite de disposer de données d'observation sur une longue durée, ce qui n'est pas le cas de l'Afrique de l'Ouest. Pour dépasser les limites en durée imposées par les observations, nous proposons dans ces travaux une approche stochastique pour estimer une climatologie de vagues en Afrique de l’Ouest, en s’appuyant sur une représentation “par événements” des données d’états de mer. Un “événement” désigne un système de vagues (houle ou mer du vent) en évolution au cours du temps, observable pendant une durée significative et que l’on peut relier à un unique phénomène météorologique source (e.g. dépressions, tempêtes, etc.). La représentation par événements permet de reproduire la cohérence temporelle des systèmes de vagues et de structurer les données d'états de mer avec une base physique. La démarche adoptée peut se décomposer suivant trois étapes. Nous avons d'abord extrait les événements à partir d’une série temporelle de spectres directionnels d’états de mer. Nous avons ensuite développé un modèle pour représenter chacun des événements par un nombre réduit de paramètres. Enfin, nous avons construit un générateur stochastique permettant la simulation d’événements individuels et la reconstitution de climatologies sur des durées de longueurs arbitraires. Les résultats ont montré un bon accord entre la climatologie reconstituée et celle de référence, permettant de conclure que le générateur peut valablement servir à la simulation de données d’états de mer en Afrique de l’Ouest pour les applications en génie océanique. / Accurate estimation of long-term sea conditions is a major issue in design of coastal and offshore structures, coastal zone management or wave energy harvesting. An estimation of long-term sea conditions requires long duration observational data while in West Africa, only a few (3 years) years of observational data are available. To overcome the limits in duration that observations impose, a stochastic approach, event-based representation of sea state data, is proposed to model the wave climate in West Africa. An “event” refers to a wave system (swell or wind sea) evolving over time, that can be observed for a finite, yet significant duration and that can be linked to a single meteorological source phenomenon (e.g. low pressure systems, storms, etc.). Event-based approach provides structures with physical meaning and temporal consistence for the representation of sea states data. The procedure we have used is decomposed into three following steps. First, we have extracted events from a time series of directional spectra. We have then developed a model to represent each event by a reduced number of parameters. In the last step, we have constructed the stochastic events generator which allows for simulation of individual events and for reconstruction of wave climate over durations of arbitrary lengths. Results showed good agreement between reconstructed climate and that of reference and allow to conclude that the stochastic events generator can reliably be used to simulate sea state data in West Africa for a ocean engineering applications.

Sur le bassin méditerranéen, les projections climatiques pour la fin du siècle indiquent un assèchement des étés accompagné d'une intensification des précipitations.Dans ce contexte, la caractérisation de la pluviométrie de la région est nécessaire pour appréhender son évolution future.Les modèles climatiques régionaux (RCM) sont des outils essentiels pour la compréhension du climat régional et pour la projection de son évolution.L'objectif de cette thèse est alors de caractériser et d'évaluer la pluie simulée par les RCM dans le sud-est de la France, typique des régions méditerranéennes côtières.La description de la pluie observée aux mêmes échelles que les RCM en est un préalable.La pluie observée et simulée est caractérisée en termes de valeurs et de structure spatiale et temporelle de l'occurrence et de l'intensité.Les liens entre ces caractéristiques et les processus physiques sous-jacents sont explorés grâce à une analyse par type de temps.Dans les modèles, le volume annuel total d'eau apporté par la pluie sur l'ensemble de la région d'étude est proche des valeurs observées.Ce volume n'est toutefois pas réparti également dans le temps et dans l'espace dans les observations et dans les simulations.Parmi les multiples caractéristiques de la pluie observée et simulée, cette étude souligne l'influence des forçages du relief et des processus liés au cycle diurne de l'énergie solaire à la fois sur le déclenchement et sur l'intensité des précipitations.Ainsi, la pluie se produit préférentiellement en fin d'après-midi, en lien avec le chauffage diurne de la surface.Cependant, dans les modèles, le maximum d'occurrence est plus précoce que dans les observations, ce qui suggère une réponse trop rapide du schéma de convection au cycle diurne des flux de surface, liée à l'absence de la phase de transition entre la convection peu profonde et la convection profonde dans la majorité des schémas.Par ailleurs, au sein du domaine d'étude, l'influence du relief sur les caractéristiques de la pluie est plus marquée pour les Cévennes que pour les Préalpes.Les RCM reproduisent cette influence du relief sur les caractéristiques de pluie.Toutefois, les contrastes entre plaines et reliefs sont plus accentués dans les modèles que dans les observations, notamment lorsque le forçage de grande échelle est faible et la convection dominante dans la région d'étude.L'accentuation du contraste entre plaine et montagne dans les modèles semble donc provenir d'une trop grande sensibilité des schémas de convection au relief qui favorise la convergence et l'instabilité de la masse d'air. / Climate projections for the end of the century indicate drier summers and more intense precipitation in the Mediterranean.In this respect, the characterization of rainfall in the region is necessary to understand its future changes.Regional climate models (RCM) are essential tools to understand the regional climate and to project its future evolution.This thesis aims at characterizing and evaluating rainfall simulated by RCM in Southeast France, typical of the mediterranean coastal regions.The description of observed rainfall at the same scales as RCM is a prerequisite.Observed and simulated rainfall is described in terms of values and spatial and temporal structure of occurrence and intensity.Weather types are used to explore the relation between rainfall features and the underlying physical processes.In the RCM, the annual total volume of water precipitated over the study region is closed to the observed values.However, this total volume is not distributed the same in space and time in the RCM simulations and in the observations.Among the multiple facets of the rainfall climatology, this study highlights the influence of the relief and of the solar cycle both in the triggering and in the intensity of rain.Rain appears to occur preferentially in the late afternoon, in connection with the daytime heating of the surface.However, the maximum of rain occurrence simulated by the RCM is earlier than in the observations, suggesting a too quick response of the convection scheme to the diurnal cycle of surface fluxes, in relation to the absence of transition between shallow and deep convection in most schemes.Besides, within the study region, the orographic forcing appears to be quite different for the two ranges of the domain and is much more pronounced over the Cévennes.The RCM reproduce the influence of the topography on rainfall features.Yet, the contrast between plains and mountains is more pronounced in the models than in the observations, especially when the large-scale forcing is weak and the convection is prevailing in the study area.The contrast accentuation between plain and relief in the models seems to be due to a too high sensitivity of the convection schemes to the air mass convergence and instability favored by the relief.

Les deux premiers chapitres de cette thèse s'attachent à répondre à des questions cruciales en climatologie. La première est de savoir si un changement dans le comportement des extrêmes de température peut être détecté entre le début du siècle et aujourd'hui. Nous utilisons la divergence de Kullback Leibler, que nous adaptons au contexte des extrêmes. Des résultats théoriques et des simulations permettent de valider notre approche. La deuxième question est de savoir où retirer des stations météo pour perdre le moins d'information sur le comportement des extrêmes. Un algorithme, le Query By Committee, est développé puis appliqué à un jeu de données réelles. Le dernier chapitre de la thèse traite de l'estimation robuste du paramètre de queue d'une distribution de type Weibull en présence de co-variables aléatoires. Nous proposons un estimateur robuste basé sur un critère de minimisation de la divergence entre deux densités et étudions ses propriétés. / In the first two chapters, we try to answer two questions that are critical in climatology. The first one is to know whether a change in the behaviour of the temperature extremes occured between the beginning of the century and today. We suggest to use a version of the Kullback Leibler divergence tailored for the extreme value context. We provide some theoretical and simulation results to justify our approach. The second question is to decide where to remove stations from a network to lose the least information about the behaviour of the extremes. An algorithm called the Query By Committee is developed and applied to real data. The last chapter of the thesis deals with a more theoretical subject which is the robust estimation of a Weibull type tail index in presence of random covariates. We propose a robust estimator based on a criterion ofminimization of the divergence between two densities and study its properties.