La formation du gypse (CaSO4.2H2O) dans les bassins marginaux méditerranéens au cours du Messinien est contrôlée par la restriction des bassins et par le cycle hydrologique local. La compétition entre l’évaporation et l’apport d’eau douce par les rivières, en association avec des échanges limites avec la Méditerranée, ont permis la mise en place de conditions chimiques favorables à la formation du gypse. La restriction des bassins entraine, de plus, l’augmentation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes, l’anoxie, et la mise en place d’un cycle biogéochimique actif du soufre. Au cours de cette étude, j’utilise la composition isotopique stable du gypse en tant que traceur des cycles de l’eau et du soufre dans les bassins marginaux. Le but est de mieux comprendre les conditions hydrologiques et géochimiques qui ont mené à la précipitation du gypse. Ce problème se place dans un débat actuel de la communauté scientifique, particulièrement depuis que de récents travaux proposent qu’une partie du gypse dans les bassins marginaux aurait pu précipiter à partir d’une colonne d’eau à faible salinité (£ 35 PSU) - hypothèse qui peut sembler peu réaliste d’un point de vue géochimique. J’ai mené une analyse isotopique à haute-résolution des couches de gypse qui composent les alternances cycliques gypse-marnes dans les bassins messiniens de Caltanissetta (BC, Sicile) et du Piémont (BP, nord-ouest de l’Italie). Ces alternances gypse-marnes correspondraient à l’expression sédimentaire des cycles astronomiques de précession (~20 ka), pendant lesquels les bassins marginaux ont subi une alternance de conditions climatiques arides et humides. Le cycle hydrologique a été trace grâce aux mesures des compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau de cristallisation des gypses ; le cycle biogéochimique du soufre a quant à lui été trace en mesurent les compositions isotopiques du soufre et de l’oxygène des ions sulfates des gypses. J’ai pu observer que : (1) les isotopes de l’eau piégée dans les gypses sont nettement plus légers que ceux théoriquement attendus pour des gypses ayant précipite uniquement à partir d’une eau de mer, et (2) l’eau du BC est caractérisée par un plus fort déficit en deutérium - compare à sa teneur en 18O - que l’eau du BP. Combine a un modèle hydrologique numérique, ces observations impliquent que (1) la précipitation des gypses est réalisée sous l’influence d’un apport d’eau douce fluviatile important, particulièrement au nord du BP, et est donc caractérisée par de très faibles salinités (27-50 psu pour le BC et 10-42 psu dans le BP) ; (2) le contraste de déficit en deutérium entre les deux bassins résultant de la différence de teneur en deutérium des flux évaporais respectifs, est contrôlée par a une différence d’humidité atmosphérique : cela implique que l’atmosphère au-dessus du BC était plus sèche que celle au-dessus du BP. Nous pouvons alors proposer qu’un gradient latitudinal d’humidité relative similaire à l’actuel existait au Messinien, apportant la preuve d’un climat de type méditerranéen dans la région il y a 5.97 Ma. La composition isotopique des ions sulfate suggère globalement une formation de gypse sous influence marine. Cependant, des divergences observées avec la signature marine messinienne mettent en évidence un cycle biogéochimique du soufre actif, contrôlé par la réduction des sulfates et l’oxydation des sulfures. En particulier : (1) les sulfates du BP enrichis en 18O et 34S sont indicateurs d’une sulfato-reduction dans un système géochimique ouvert ou la perte de 32S est liée a la formation de minéraux soufres sédimentaires ; (2) l’enrichissement (BC) ou l’appauvrissement (BP) significatifs en 18O dans les échantillons alors que la teneur en 34S est la même que celle de l’eau de mer indique une reoxydation de sulfure dans un système géochimique ferme d’un bassin marginal soit évaporait (BC) soit dilue (BP). / The formation of gypsum (CaSO4.2H2O) in Messinian Mediterranean marginal basins is controlled by basin restriction and the local hydrological cycle. Acting together, evaporation, river input and restricted water exchange with the Mediterranean basin bring about the chemical conditions for gypsum formation. Basin restriction also leads to enhanced microbial oxygen consumption, anoxia, and the triggering of active biogeochemical sulfur cycling. In this work I use the stable isotopic composition of gypsum as a proxy of water and sulphur cycling in the marginal basins. The goal is to better understand the hydrological and geochemical conditions that lead to gypsum precipitation. This is an open question, especially since recent work has proposed that part of the gypsum in marginal basins precipitated from a low-salinity (£ 35 PSU) water column - a hypothesis that seems unrealistic based on simple geochemical considerations. I carried out a high-resolution isotopic study of gypsum layers composing gypsum-marl cycles in the Messinian Caltanissetta (Sicily) and Piedmont (north-western Italy) marginal basins (CB and PB, respectively). These gypsum-marl cycles are thought to be the sedimentary expression of astronomical precession cycles (~20 kyr), during which the marginal basins experienced a succession of arid and wet conditions. The hydrological cycle was tracked by measuring the oxygen and hydrogen isotope composition of the gypsum-bound water molecule; the biogeochemical sulfur cycle was tracked by measuring the sulfur and oxygen isotope composition of the gypsum sulfate ion. I observed that: (1) the isotopes of gypsum-bound water are considerably lighter than those expected for gypsum precipitated via evaporation of seawater, and (2) water in the Caltanissetta basin was characterized by a higher deuterium deficit - compared to its 18O content - than water in the Piedmont basin. In conjunction with a hydrological box-model, these observations imply that (1) gypsum precipitation takes place under the influence of large riverine freshwater fluxes, particularly in the North Piedmont basin, that result in very low salinities (27-50 psu in CB and 10-42 psu in PB) and (2) the contrast in deuterium deficit results from atmospheric humidity-drived difference in the deuterieum content of the evaporative flux, implying that the atmosphere over the CB was drier than that over the PB. Thus, a latitudinal relative humidity gradient similar to the modern one existed in the Messinian, providing evidence for a Mediterranean-like climate in the region 5.97 million years ago. The isotopic composition of the gypsum sulfate ion suggests that it originates from coeval sea water. Deviation from the Messinian marine signature, however, highlights an active biogeochemical sulfur cycle driven by sulfate reduction and sulfide oxidation. In particular, (1) 18O- and 34S-rich sulfate in the Piedmont basin indicates sulfate-reduction in a geochemically open system where 32S is lost to sedimentary sulfide minerals, and (2) significant 18O-enrichment (CB) or 18O-depletion (PB), in samples where the 34S concent is that of seawater, indicates re-oxidation of sulphide in a geochemically closed system of an evaporative (CB) or dilution (PB) marginal basin. A strong relation between the hydrological cycle and the biogeochemical cycle is thus highlighted in marginal Messinian basins

La redistribution des masses d'eau à la surface des continents génère une déformation de la croûte terrestre mesurable par les instruments géodésiques actuels. Cette observation peut être interprétée de deux manières, suivant le point de vue porté à ce couplage entre hydrologie et géodésie. Pour les géodésiens, cette contribution hydrologique est considérée comme un bruit de surface qui masque les signaux ténus d'origine interne et d'intérêt géodynamique. Pour les hydrologues, les instruments géodésiques sont sensibles aux variations de masse d'eau au sein d'une unité hydrologique et permettraient d'apporter des informations complémentaires pour le suivi du bilan hydrologique et ainsi de mieux comprendre les processus de redistribution d'eau. Ce travail prend le parti de considérer ces deux points de vue pour traiter le couplage entre hydrologie et géodésie. La méthodologie retenue est basée sur le principe de modélisation physique qui permet à ce que chaque discipline puisse profiter des informations fournies par l'autre. Trois points sont à traiter en particulier : i) appréhender les différents processus de déformation mécanique forcés par l'hydrologie, ii) mesurer ou modéliser la quantité d'eau stockée dans l'unité hydrologique représentative de l'échelle spatiale de sensibilité de l'instrument géodésique considéré. Cette étape est primordiale puisque la qualité du forçage hydrologique dépend du réalisme des processus de redistribution, iii) distribuer spatialement cette lame d'eau. Le gravimètre supraconducteur de l'observatoire de Strasbourg et les inclinomètres hydrostatiques longue-base de Sainte-Croix-aux-Mines, instruments géodésiques parmi les plus sensibles, serviront de données test pour valider les outils de modélisation présentés dans ce travail. Le bon accord entre les modélisations et les observations permet de valider la méthodologie adoptée, mais montre également une limite importante : l'ensemble des signaux environnementaux, corrélés, se mélangent dans les données géodésiques. Ainsi, une modélisation de l'ensemble des déformations induites par l'environnement est une étape préalable à l'utilisation des instruments géodésiques comme outils pour l'hydrologie.

Dans le contexte des changements climatiques, l'objectif du travail effectué est de caractériser l'hétérogénéité du continent africain afin de mieux comprendre et quantifier les processus de surface agissant sur les flux hydriques. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la mise à jour de la base de données ECOCLIMAP-I constituée d'une carte d'occupation des sols et des cartes de paramètres biophysiques. Pour cela, on s'appuie sur des données de télédétection acquises par les capteurs de dernière génération MODIS et SPOT/VEGETATION entre 2000 et 2007. Dans un premier temps, deux techniques de classification ont été développées afin de cartographier les différents écosystèmes. L'une, supervisée, a été conduite dans le contexte du programme AMMA afin de discriminer les écosystèmes sur la région ouest-africaine en combinant l'information complémentaire contenue dans les cartes d'occupation du sol GLC2000 et ECOCLIMAP-I par analyse supervisée de l'indice foliaire (LAI) MODIS. L'autre, non supervisée et hybride, utilise les principes de regroupement hiérarchique et dynamique de manière automatique en combinant l'usage du classificateur k-NN et celui de la transformée de Fourier Discrète sur la base des données d'indice de végétation normalisé (NDVI) SPOT/VEGETATION pour identifier les écosystèmes africains. Dans un deuxième temps, des méthodes d'estimation des paramètres biophysiques tels que l'albédo, la fraction de végétation, l'indice foliaire ont été développées et/ou appliquées sur le continent. Une approche statistique permet de déterminer la contribution du sol nu et de la végétation à la constitution de l'albédo de surface comme tel que cela est requis dans les modèles de surface. La méthode a d'abord été appliquée sur la région ouest-africaine et sa robustesse a été prouvée lors de son application à l'intégralité du continent africain. Ces conditions de surface ont ensuite été implémentées dans le modèle de surface ISBA pour reproduire les processus de surface. La sensibilité d'ISBA au forçage physiographique a été étudiée en analysant deux simulations avec le même forçage atmosphérique sur la région ouest-africaine : l'une en utilisant la classification ECOCLIMAP-I et l'autre en utilisant la nouvelle paramétrisation de la surface développée sur la région ouest-africaine. Les flux de chaleur latente et sensible sont principalement pilotés par la fraction de végétation. Le modèle ISBA peut être utilisé pour prédire l'impact d'un changement d'occupation du sol et par conséquent des actions anthropiques sur le bilan hydrique.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3695. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 183-191.

Dans un contexte de changement climatique dont les projections régionales sont incertaines, de forte variabilité inter-annuelle du cycle hydrologique, de forte croissance démographique et de changement d'occupation des sols, les questions relatives au cycle hydrologique et à la ressource en eau actuels et à venir sont cruciales. Dans un tel contexte, ce travail de thèse approfondit la connaissance du fonctionnement hydrologique du bassin versant de l'Ouémé supérieur (situé en climat soudanien au Bénin), en considérant l'ensemble des termes et des processus du cycle hydrologique.Dans un premier temps, le fonctionnement hydrologique de l'Ouémé supérieur est analysé à l'échelle d'un versant grâce au modèle Hydrus 2D. Cette analyse de processus s'appuie sur un ensemble complet de mesures (précipitations, évapotranspiration, humidité du sol, niveau piézométrique, débit en rivière) obtenues dans le cadre de l'observatoire hydrométéorologique AMMA-CATCH. Les simulations montrent que la forêt ripisylve vidange la nappe profonde et la déconnecte ainsi du réseau hydrographique. L'apport d'eau de la nappe profonde permet une transpiration de la forêt ripisylve toute l'année, y compris en saison sèche. Les écoulements en rivière ne sont pas produits uniquement par exfiltration d'écoulements latéraux de subsurface non saturés, les bas-fonds jouent probablement un rôle.À méso-échelle, nous cherchons à quantifier l'impact de la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique à saturation sur le bilan hydrologique et l'évapotranspiration. Le modèle numérique utilisé est nTopAMMA, formalisme dérivé de TopMODEL. À partir de mesures de terrain, nous avons mis en évidence que la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique à saturation est corrélée à l'occupation du sol du bassin d'étude. La prise en compte de cette variabilité spatiale dans le modèle nTopAMMA montre que l'état hydrique et l'évapotranspiration simulés localement par le modèle dépendent aux trois-quarts de la topographie et pour un quart de la conductivité hydraulique à saturation.Adoptant une approche ascendante, nous confrontons la représentation élaborée à l'échelle du versant à la modélisation hydrologique à méso-échelle. Nous analysons les processus et flux verticaux du modèle nTopAMMA. L'amélioration de la modélisation du cycle hydrologique de l'Ouémé supérieur par le modèle nTopAMMA nécessite (i) la prise en compte des hétérogénéités du bassin versant, (ii) la modification du formalisme de l'évapotranspiration, (iii) la diversification des sources de prélèvements évapotranspiratoires et (iv) l'intégration de la nappe d'altérites. / Understanding how the hydrological cycle and water resources availability evolve in the current context of global change (which encompass climate, environmental and population changes) is a critical issue, particularly in West Africa, where at regional scale, strong interannual and seasonal variabilities overlap with highly uncertain climate predictions. Within this framework, this work aims at improving our knowledge of the behavior of the Upper Oueme catchment in Benin (Sudanian climate), with an analysis of all the hydrological processes and terms of the terrestrial hydrological cycle.First, the hillslope scale is considered by using the Hydrus 2D software and field observations from the hydrometeorological observing system AMMA-CATCH: rainfall, actual evapotranspiration, soil moisture, groundwater level and river runoff. The principal result of this analysis is that the riparian forest transpiration depletes the deep groundwater and disconnects it from the river network. Water supply by the deep groundwater enables the riparian forest transpiration all year long and particularly during the dry season. Seepage of unsaturated subsurface lateral flows contributes to river runoff, but the "bas-fonds" seem to be other important contributors.Then, at mesoscale, we quantify the impact of the spatial variability of hydraulic conductivity on the simulated water balance, with focus on the evapotranspiration term. The numerical model nTopAMMA, especially derived from the TopMODEL hydrological model for the Upper Oueme catchment, is used here. Measurements from a specific field mission evidence the correlation between the hydraulic conductivity spatial variability and the land use one. By taking into account this variability, the simulation results show that evapotranspiration and water storage simulated on the Upper Oueme catchment at local (pixel) scale depend essentially on the topography (75 %) and to a lesser extent on the hydraulic conductivity (25 %).Finally, a bottom-up approach is adopted to analyse the hydrological modelling results at mesoscale, taking advantage of the modelling results at the hillslope scale. Vertical processes and fluxes simulated by nTopAMMA are analyzed. It is shown that an improvement of the Upper Oueme hydrological cycle modelling, with nTopAMMA, requires: (i) the consideration of the catchment heterogeneities, (ii) the modification of the evapotranspiration module, (iii) the diversification of the evapotranspiration sources and (iv) the integration of the deep groundwater reservoir.

L'étude des impacts du changement climatique demande souvent de mettre en place de longues chaînes de modélisation. Du modèle qui servira à estimer les concentrations futures en gaz à effet de serre jusqu'au modèle d'impact. Tout au long de cette chaîne de modélisation, les sources d'incertitudes s'accumulent et compliquent l'exploitation des résultats pour l'élaboration de stratégies d'adaptation. Il est proposé ici d'évaluer les impacts du changement climatique sur le cycle hydrologique en France ainsi que les incertitudes qui y sont associées. La contribution de chacune des sources d'incertitudes n'est pas abordée, principalement celle associée aux scénarios d'émission de gaz à effet de serre, aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Nous proposons dans ce travail une approche pour évaluer la transférabilité dans un climat futur de la méthode statistique de régionalisation des simulations climatiques. La vérification de l'hypothèse de transférabilité effectuée est l'une des principales sources d'incertitudes des méthodes statistiques de régionalisation. L'évaluation proposée ici s'appuie sur l'utilisation de modèles régionaux, dans un cadre dit de modèle parfait, et permet de montrer que l'utilisation de certain prédicteurs s'avèrent utile à assurer la transférabilité de la méthode de régionalisation dans un climat futur. Cette approche proposée pour une méthode de désagrégation statistique est également applicable à des méthodes de correction des biais des modèles régionaux. Les récentes réanalyses atmosphériques sur l'ensemble du XXème siècle, régionalisées avec la méthode développée dans ce travail, et associées aux observations de température et précipitations permettent de caractériser le cycle hydrologique en France. Elles permettent notamment de montrer que la variabilité multi-décennale des débits observés pendant le XXème siècle est généralisée à l'ensemble du pays et est liée à la variabilité des conditions atmosphériques. Cette variabilité multi-décennale des débits est généralement plus faible dans les simulations hydrologiques réalisées avec les simulations historiques des modèles climatiques. Les projections climatiques ont été régionalisées avec la méthode développée dans ce travail. La température sur l'ensemble du pays, en moyenne sur les modèles climatiques, augmente jusqu'à 3,5°C en hiver et 6,5°C en été d'ici la fin du siècle. Les précipitations vont diminuer sur l'ensemble du pays en été, de presque moitié sur le sud du pays pour le scénario le plus sévère. En hiver, elles augmentent sur la moitié nord du pays et diminuent légèrement sur la partie sud. Dès les prochaines décennies, la diminution des précipitations est importante en été, l'évolution est moins marquée pour les autres saisons. Enfin, les résultats des projections hydrologiques réalisées avec un modèle hydrologique et un ensemble de modèles climatiques sont présentés pour les prochaines décennies et également pour la fin du XXIème siècle. Sur la Seine, les résultats sont différents en hiver de ceux présentés dans de précédentes études. Ici, les précipitations et les débits augmentent en hiver et diminuent en été sur ce bassin versant. Ailleurs en France, les résultats convergent avec les études précédentes, à savoir une augmentation de l'évapotranspiration, une diminution généralisée des débits et un assèchement des sols. L'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne sur les changements relatifs de débits augmente systématiquement pendant le XXIème siècle, jusqu'à atteindre plus de 20% en hiver pour le scénario le plus sévère. Dans les prochaines décennies, l'incertitude due uniquement à la variabilité interne sur les changements de débits est aussi forte que l'incertitude due aux modèles climatiques et à la variabilité interne. Dès les prochaines décennies, les changements de débits annuels sont plus forts sur la Loire, la Garonne et le Rhône que les changements maximaux observés pendant le XXème siècle. / The assessment of the impact of climate change often requires to set up long chains of modeling, from the model to estimate the future concentration of greenhouse gases to the impact model. Throughout the modeling chain, sources of uncertainty accumulate making the exploitation of results for the development of adaptation strategies difficult. It is proposed here to assess impacts of climate change on the hydrological cycle over France and associated uncertainties. The contribution of each sources of uncertainty is not addressed, mainly that associated with greenhouse gases emission scenario, climate models and internal variability. In the context of impacts of climate change on the hydrological cycle over France, it is possible to ask what is the contribution of each sources of uncertainty to the total uncertainty associated with mean changes. Is it possible to reduce, and if so how, the contribution of one source or another ? We propose in this work an approach to assess the transferability in the future climate of a statistical method to downscale climate simulations. The transferability assumption is one the main sources of uncertainty in statistical downscaling method. The assessment suggested here relies on the use of regional climate models, in a perfect model framework, and shows that some predictors are useful to ensure the transferability of the downscaling method in the future climate. This framework, proposed for a statistical downscaling method, is also applicable to bias correction methods in regional climate models. Recent atmospheric reanalyses of the 20th century are downscaled with the method developed in this work, associated with observations of temperature and precipitation. The hydrological cycle over France is characterized with these reconstructions. We show that the multi-decadal variability of observed streamflows during the 20th century is generalized to the whole country and is partly due to atmospheric variability. This multi-decadal variability of streamflows is generally weaker in hydrological simulations done with historical simulations from climate models. The climate projections have been downscaled with the method developed in this work. The temperature on the country, on average over climate models, could increased by 3,5°C in winter and 6,5°C in summer in the course of this century. Precipitations will decrease all over the country in summer, nearly by half on southern part of France for the most severe scenario. In winter, precipitations will increase in the northern part of the country and will decrease slightly in the southern part. In the next few decades, the decrease in precipitation is important in summer, and changes are less pronounced for other seasons. Results of hydrological projections done with one hydrological model and an ensemble of climate models are presented for the coming decades and for the end of the century. On the Seine river, results slightly differ in winter from those presented in previous studies. Here, precipitations and streamflow increase in winter and decrease in summer on that river basin. Elsewhere in France, results are consistent with previous studies, namely an increase in evapotranspiration, a decrease in streamflow and much drier soil. The uncertainty due to both climate models and internal variability on relative changes in streamflows always increase during the 21st century, to over 20% in winter for the most severe scenario. In the coming decades, the uncertainty due to internal variability only on streamflow changes is as strong as the uncertainty due to both climate models and internal variability. In the coming decades, annual streamflow changes of the Loire, Garonne and Rhône rivers are stronger than the maximum changes observed during the 20th century.

Le bassin versant du fleuve Niger est directement influencé par les fluctuations de la mousson africaine, qui impactent les ressources en eau et entraînent des évènements extrêmes tels que des inondations ou des sécheresses. En retour, les forts taux d'évaporation observés dans le Delta intérieur du Niger, large région annuellement inondée, impactent le climat, au moins à l'échelle régionale. Une meilleure compréhension des processus hydrodynamiques de ce bassin ne peut cependant être obtenue sans un réseau d'observations ayant une couverture spatiale et temporelle suffisante. La mission SWOT fournira des cartes 2D de hauteurs et pente des eaux de surface avec une résolution encore jamais atteinte en altimétrie (50 à 100 mètres). Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la phase de préparation à la mission SWOT et se propose d'offrir des perspectives d'utilisation de ces données satellites pour l'amélioration des modèles d'hydrologie globale. Dans un premier temps, le modèle hydrologique du CNRM, ISBA-TRIP, incluant un schéma d'inondations et un réservoir simple d'aquifères ajouté durant cette thèse est évalué sur le bassin du Niger à l'aide de multiples observations in-situ et satellites. L'étude montre que le modèle simule de façon cohérente l'évolution des eaux de surface, des zones inondées, et les anomalies de stock d'eau sur le bassin. Ensuite, un schéma d'assimilation de données est mis en place afin d'optimiser un des paramètres clés en hydrologie, le coefficient de Manning. Ce coefficient, décrivant la propriété du sol à 'retenir' les flux d'eau, influence fortement la dynamique des eaux de surface, et notamment les hauteurs d'eau et le débit. L'assimilation des données SWOT est appliquée dans le cadre d'une expérience jumelle, qui consiste à considérer une simulation de référence, appelée 'vérité', de laquelle sont issues les observations virtuelles de hauteur d'eau SWOT. L'étude montre que l'assimilation des hauteurs d'eau SWOT permet l'optimisation du coefficient de Manning, distribué spatialement, malgré l'hypothèse d'équifinalité. Les hauteurs d'eau et les débits sont considérablement améliorés, et on obtient une meilleure simulation des anomalies de stocks d'eau sur le bassin ainsi que des zones inondées sur le Delta intérieur du Niger (occurrence, intensité). Enfin, le potentiel des données SWOT pour améliorer les prévisions hydrologiques sur des périodes plus longues que celle de la phase d'assimilation est mis en évidence. / The hydrologic and hydrodynamic processes of the Niger basin are largely influenced by the West African monsoon variabilty. In the last 3 decades these variations have resulted in an increase of extreme events such as floods and droughts. Retrospectively, the climate might be impacted by the evaporation fluxes from the inner Delta flooded region, at least regionally. A better understanding of the Niger basin water cycle is a crucial issue for water resources management but requires observation datasets with a large spatial and temporal coverage. The SWOT satellite mission will provide 2D global maps of water level and slope at an unprecedented resolution (50 to 100 meters). Within the framework of the preparation of the SWOT mission, this thesis aims at proposing a SWOT data assimilation strategy for the improvement of global scale hydrological models. First, the ISBA-TRIP hydrological model from CNRM is evaluated over the Niger basin. This model includes an inundation scheme and simple aquifer reservoir. The model diagnostics are compared to an extensive set of in-situ and satellite observations. According to its relative simple physics, the model is able to simulate in a realistic manner, the continental water dynamics : discharge, water levels, floods, total water storage variations. Sensitivity tests are also performed to determine the most sensitve ISBA-TRIP parameters. Among them, the Manning coefficient has a key role in the flow dynamics but its estimation is difficult and usually based on geomorphologic relationships. The second part of this work consists in setting up a SWOT data assimilation strategy for the optimization of the ISBA-TRIP parameters. Since the SWOT observations are not available yet and also to assess the skills of the assimilation method, the study is carried out in the framework of an Observing System Simulation Experiment (OSSE). The corrected parameter is the Manning coefficient, spatially distributed over the river. The assimilation allows a good improvement of the relative bias of discharge and water level over the river. The Manning coefficient is also globally improved and tends to an optimal value. Moreover, the water storage anomalies and flooded fraction are also better simulated. Finally, the study shows that the method is useful for hydrological forecasting over longer time periods than those of the calibration.

Le climat du Quaternaire est défini par une succession de périodes glaciaires et interglaciaires enregistrées dans les archives climatiques à différentes latitudes. La carotte de glace d’EPICA Dome C fournit un enregistrement haute résolution sur les derniers 800 ka du δ18Oatm (i.e. δ18O de la molécule d’oxygène de l’air) qui combine les variations passées du cycle hydrologique des basses latitudes et de la productivité de la biosphère. En l’absence du comptage des couches annuelles, ce proxy peut être utilisé comme méthode de datation orbitale des carottes de glace, en lien avec l’insolation au 21 juin à 65°N. Cependant, un décalage de 6 ka entre le δ18Oatm et l’insolation, généralement observé lors des terminaisons glaciaires-interglaciaires, est appliqué sur l’ensemble de l’enregistrement lors de la construction de l’échelle d’âge. Ce décalage et la complexité du signal du δ18Oatm expliquent l’incertitude élevée de 6 ka des carottes de glace, ce qui limite leur interprétation en termes de variations climatiques et environnementales conjointement à d’autres archives. J’ai donc développé une nouvelle chronologie pour les carottes de glace, basée sur le lien entre le δ18Oatm et le δ18Ocalcite des spéléothèmes est-asiatiques, à partir de nouvelles mesures isotopiques permettant d’avoir pour la première fois un enregistrement complet sur les derniers 800 ka à Dome C. Cette nouvelle chronologie permet de réduire les incertitudes par rapport à la chronologie actuelle et d’avoir une meilleure séquence des évènements entre les hautes et basses latitudes. J’ai ensuite développé un modèle simulant la composition isotopique de l’oxygène atmosphérique afin de répondre au manque d’interprétations quantitatives de ce proxy ainsi que pour vérifier son lien avec le δ18Ocalcite sur plusieurs cycles climatiques. Pour modéliser le δ18Oatm nous avons dû coupler le modèle climatique de complexité intermédiaire iLOVECLIM avec le modèle de végétation CARAIB. Le δ18Oatm simulé par le modèle couplé sur plusieurs dizaines de milliers d’années confirme que ses variations sont en phase avec celles de l’insolation de l’hémisphère Nord (hormis lors d’évènements de Heinrich) et avec celles du δ18Ocalcite via des modifications du cycle hydrologique des basses latitudes, impactant la composition isotopique de l’eau de pluie utilisée par la biosphère terrestre lors de la photosynthèse. / Quaternary glacial-interglacial cycles are recorded in various climatic archives from high to low latitudes. The EPICA Dome C ice core provides a high-resolution record over the last 800 ka of δ18Oatm (i.e. δ18O of atmospheric O2) which combines past variations of the low latitude water cycle and of the biosphere productivity. In absence of annual layer counting, this proxy can be used for orbital dating in association with the June 21st insolation at 65°N to build an ice core chronology. However a lag of 6 ka between the δ18Oatm and the insolation, classically observed during glacial-interglacial terminations, is applied to the entire record during the chronology construction. This lag and the complexity of the δ18Oatm signal are the main reasons why the ice core chronology presents a high 6 ka uncertainty which limits their interpretation, jointly with other paleoclimate archives, in terms of past climate and environmental variations. To solve this issue I have developed a new ice core chronology based on the relation between the δ18Oatm and the δ18Ocalcite of east-asian speleothems, using new isotope measurements allowing for the first time a complete record over the last 800 ka at Dome C. This new chronology reduces the uncertainties compared to the actual ice core chronology strongly based on δ18Oatm and shows a better sequence of events between the high and low latitudes records. Then, I have developed a model to reproduce the isotopic composition of atmospheric O2 to address the lack of quantitative interpretations of this proxy and to check our assumption of synchronicity with the δ18Ocalcite over several climatic cycles. To reproduce the variations of the δ18Oatm, it was necessary to couple the intermediate complexity climate model iLOVECLIM and the vegetation model CARAIB. Finally, the δ18Oatm variations simulated with the new coupled model over several thousand years are in phase with the insolation of the Northern hemisphere (except during Heinrich events) and with low latitudes δ18Ocalcite variations. This can be explained by changes in the low latitude water cycle related to changes in the isotopic composition of meteoric water used by the terrestrial biosphere during photosynthesis.

Le lac de Tonlé Sap (TSL), Cambodge, est un écosystème lac-rivière de forêt alluviale au régime d'écoulement alternatif. Le lac est un déversoir lors de l'inondation saisonnière du Mékong et sert de réservoir en période de basses eaux. La superficie du lac pendant la saison sèche (février à mai), est d'environ 2 700 km2 pour une profondeur d'environ 1 mètre. Cette superficie est pratiquement multipliée par six quand arrive la saison des pluies, pour atteindre près de 16 000 km2 et une profondeur de 9 mètres, noyant rizières et forêts. C'est le plus grand lac d'eau douce d'Asie du Sud-Est. C'est aussi l'une des zones de pêche d'eau douce les plus importantes et productives du monde avec près de 75% du volume annuel de pêche en eau douce du Cambodge, ce qui permet la survie de près de 2,5 millions de personnes. Les changements saisonniers du cycle hydrologique ont une influence sur la structuration des communautés de poissons à l'échelle temporelle et spatiale, mais aussi sur les comportements trophiques des principales espèces qui n'exploitent alors pas les mêmes habitats. Toutefois, le bassin versant du Mékong est en changement constant avec un développement important des infrastructures en lien avec l'eau : production d'hydro-électricité, besoins important en irrigation, maitrise des inondations, eau potable, ... Les changements climatiques accélèrent les modifications du cycle hydrologique annuel. Il est alors supposé que ces modifications ont des effets forts sur les habitats et les proies disponibles et finalement sur la biodiversité, notamment de l'ichtyofaune et sur l'abondance des poissons disponibles pour les pêcheries.Dans un premier temps, nous avons caractérisé les variations spatio-temporelles de la composition taxonomique des poissons et mis en lumière quels sont les déterminants de ces variations. À cette fin, nous avons estimé la diversité bêta comme la variance totale de la matrice site par communauté d'espèce et l'avons divisée en contribution locale à la diversité bêta (LCBD) et contribution des espèces à la diversité bêta (SCBD). Nous avons ensuite effectué plusieurs régressions linéaires pour déterminer si la richesse taxonomique, l'abondance des espèces et le niveau de l'eau expliquaient la variation temporelle de la contribution du site et de l'espèce à la diversité bêta. Nos résultats indiquent une forte variation temporelle de la diversité bêta due aux contributions différentielles des sites et des espèces à la variation spatiale de la composition taxonomique des poissons. Nous avons également constaté que la direction, la forme et l'effet relatif de la richesse spécifique, de l'abondance et du niveau de l'eau sur la variation temporelle des valeurs LCBD et SCBD varient grandement selon les sites. Ces résultats suggèrent ainsi une variation spatiale des processus conduisant à une variation temporelle de la composition de la communauté. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que la composition taxonomique des poissons n'est pas distribuée de manière homogène dans l'espace et dans le temps et risque d'être affectée à l'avenir si la dynamique saisonnière d'écoulement du système est altérée par les activités humaines et/ou les changements climatiques. Dans un second temps, nous avons cherché à étudier le modèle d'évolution temporel des principales espèces en terme d'occurrence et d'abondance à travers le cycle saisonnier hydrologique. / The Tonle Sap Lake (TSL), Cambodia, is a flood-pulse system. It is the largest natural lake in South- East Asia and constitutes one of the largest fisheries over the world, supporting the livelihood 2.5 million peoples. Seasonal change in annual hydrological cycle appears to have influence on fish community structure, both spatial and temporal variation, particularly on feeding behavior of TSL's fishes. Nonetheless, the Mekong River Basin is changing rapidly due to accelerating water infrastructure development (hydropower, irrigation, flood control, and water supply) and climate change, bringing considerable modifications to the annual flood-pulse of the TSL. Such modifications are expected to have strong impacts on fish biodiversity, abundance, reduced habitat and food availability within the lake. To invest how TSL's fish community structure responds to the seasonal change, how they shift their diet across hydrological cycles and feeding competing for food resource: First, we aim to characterize the spatio-temporal variations of fish taxonomic composition and to highlights the underlying determinants of these variations. For this purpose, we estimated beta diversity as the total variance of the site-by-species community matrix and partitioned it into Local Contribution to Beta Diversity (LCBD) and Species Contribution to Beta Diversity (SCBD). We then performed multiple linear regressions to determine whether species richness, species abundances and water level explained the temporal variation in the contribution of site and species to beta diversity. Our results indicate strong temporal variation of beta diversity due to differential contributions of sites and species to the spatial variation of fish taxonomic composition. We further found that the direction, the shape and the relative effect of species richness, abundances and water level on temporal variation in LCBD and SCBD values greatly varied among sites, thus suggesting spatial variation in the processes leading to temporal variation in community composition. Overall, our results suggest that fish taxonomic composition is not homogeneously distributed over space and time and is likely to be impacted in the future if the flood-pulse dynamic of the system is altered by human activities. Second, we aim to investigate the temporal pattern of the most occurrence and abundance species and how their co-occurrence pattern across hydrological cycles. We found that occurrence and abundance patterns were temporally varied at all water level seasons. Strong temporal variation in species occurrence was occurred with visiting species such as Labiobarbus leptocheilus and Poropuntius deauratus while water level starts to fill into the TSL. We further observed that the abundance of 17 species was strongly varied while other 22 species (mainly TSL's residential species) were stable within the year. Positive species co-occurrence pattern was generally higher than negative species co-occurrence at all water level seasons. Highest positive co-occurrence patterns were found during the period of decrease and low water level seasons while fishes are migrating from flooded areas, competing for resource and habitats during low water season. Study on temporal distribution and species co-occurrence of fish and how community responds to the seasonal change in hydrological cycles provides critical information for fisheries management and conservation in the Tonle Sap Lake (TSL) as well as maintaining fish biodiversity in the Mekong system. Third, the implications of seasonality on food web structure have been notoriously understudied in empirical ecology, particularly in TSL's system. The current study, we focus on seasonal changes in one key attribute of a food web, vertical trophic position of consumers.

Le but de ma thèse est de conduire et d’utiliser les premières observations atmosphériquesde surface du CO2, de l’O2, du CH4 et de la composition isotopique de la vapeur d’eau et desprécipitations dans la région peu instrumentée du sud du Groenland. Quelles informations cesobservations locales peuvent-elles nous apporter à la fois concernant les processus atmosphériqueslocaux et concernant le transport atmosphérique à grande échelle ? Peut-on en extrairedes informations sur les échanges entre la surface et l’atmosphère, qui constituent une part crucialedes cycles biogéochimiques du carbone et de l’eau ? L’interprétation paléoclimatique desenregistrements de carottes de glace au Groenland peut-elle bénéficier de ces observations ?Après une validation des observations menées à Ivittuut, sur la côte sud-ouest du Groenland,en regard de normes internationales de qualité, confirmant leur représentativité des variationsatmosphériques, j’ai commencé par interpréter ces observations en analysant leur variabilité àdifférentes échelles de temps et découlant de processus spécifiques. Ceci m’a permis de montrerque le site de mesure était très peu influencé par des phénomènes locaux : peu de sources localesde gaz à effet de serre, et de processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeurd’eau. Cette caractéristique facilite l’attribution des variations observées à des changements detransport atmosphérique de grande échelle en lien avec des sources distantes.Pour comprendre les variations observées, je les ai mises en relation avec des observationsissues d’autres sites ainsi qu’avec des sorties de modèles atmosphériques de grande échelle. D’unepart, j’ai constaté que de nombreuses variations de la composition atmosphérique à l’échelle synoptiquepouvaient être expliquées par des modifications du transport atmosphérique de grandeéchelle. J’ai aussi pu identifier la représentativité spatiale de nos observations, et contribuerà l’évaluation de modèles atmosphériques de grande échelle. Enfin, un cas d’étude durant lavague de chaleur ayant affecté la totalité du Groenland durant l’été 2012 m’a permis de suivrele transport atmosphérique de masses d’air et d’observer en plusieurs points ses impacts sur lacomposition isotopique de la vapeur d’eau, notamment sur la conservation du signal d’excès endeutérium, qui n’avait jamais été observée auparavant.Enfin, la combinaison des observations et de la modélisation atmosphérique m’a permis demettre en évidence les contributions de l’observation atmosphérique en terme de documentationdes échanges entre la surface et l’atmosphère : par une attribution des valeurs observées auxsources potentielles identifiées par modélisation des masses d’air affectant la station pour le CH4et la composition isotopique de la vapeur d’eau, et par la comparaison des observations à dessimulations de transport direct de sources connues issues d’inventaires pour le CH4 ou modéliséespour le CO2 et l’O2 océanique. / South Greenland is a key region placed under Arctic and Northern Atlantic influences, whichis poorly documented in terms of atmospheric monitoring. The aim of my thesis is to conductand use the first regional atmospheric observations of CO2, O2, CH4 and isotopic compositionof water vapour and precipitation performed in Ivittuut, a coastal site in south-west Greenland.Which information can we infer from these atmospheric observations, in terms of localatmospheric processes and large scale atmospheric transport variations? Can we use these observationsto document the surface-air exchanges of these compounds, which represent an importantpart of the water and carbon biogeochemical cycles?After validating the observations regarding international precision recommandations, I havebeen able to analyse the variabilities at different time scales, resulting from different specificprocesses. This highlighted the fact the atmospheric composition of our site is weakly influencedby local processes, either for local greenhouse gases sources or small scale atmosphericvariations affecting water vapour isotopic composition. This facilitates the interpretation of ourobservations in terms of large scale atmospheric transport signals.To better understand the observed variations, I related our data series with other observationsoriginating from different sites, and with outputs from different atmospheric models. Ihave first witnessed the links between variations of atmospheric composition and large synopticscale atmospheric transport changes. Then, I have identified the spatial representativity of ourobservations and contributed to the evaluation of atmospheric models. The case study of astrong heat wave covering Greenland during summer 2012 allowed me to study the transport ofwater vapour within an air mass between different stations. It allowed me to provide the firstexperimental observation of deuterium excess conservation during atmospheric transport.Finally, combining observations and atmospheric simulations, I have documented surfaceairexchanges of the observed compounds: first by the attribution of observed values of CH4and water vapour isotopic composition to their simulated potential origins, secondly by thecomparison of observed variations with the direct simulation of atmospheric transport of eitherCH4 sources estimated from inventories or simulated CO2 and O2 air-sea fluxes from an oceanmodel.