Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Devant l'urgence climatique, l'aménagement forestier peut contribuer à la lutte contre les changements climatiques, notamment par la production de produits du bois qui stockent du carbone hors de l'atmosphère pendant de longues périodes en substituant par le fait même des matériaux plus polluants. La coupe partielle, un procédé sylvicole qui tarde à être utilisé plus largement au Québec, fait tranquillement ses preuves en forêt boréale quant à son potentiel pour l'adaptation et l'atténuation des changements climatiques. Le but de ce mémoire était d'évaluer la capacité à créer des produits du bois de haute valeur et de longue durée de vie de deux types de coupe partielle en forêt boréale. Plus spécifiquement, le but était de comparer l'effet de la coupe progressive irrégulière à couvert permanent et de l'éclaircie commerciale sur le potentiel de croissance des arbres résiduels et leur rendement en produits du sciage et ce, par rapport au scénario de référence de la coupe totale. En utilisant la Forêt Montmorency comme étude de cas, le modèle 3-PG a été utilisé pour simuler la croissance et la coupe de peuplements monospécifiques de sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill) et d'épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss). Grâce à StatSAW, l'assortiment de produits du bois issu des récoltes a été établi selon les différents traitements de récolte. Les résultats les plus marquants ont été observés sur le diamètre quadratique des tiges résiduelles. Pour le sapin baumier, des gains de 1,9, 2,5 et 3,3 cm ont été observés lors de la coupe finale à 70 ans pour les peuplements ayant subi à 30 ans des éclaircies commerciales de 25%, 33% et 40% de la surface terrière respectivement, par rapport à des peuplements non traités. Pour des peuplements soumis à la coupe progressive irrégulière à couvert permanent, un gain de 5,6 et 3,3 cm a été observé comparativement au contrôle à 70 et 90 ans. Pour l'épinette blanche, des gains de 1,8, 2,5 et 3,2 cm ont été observés pour l'éclaircie commerciale à 25%, 33% et 40% respectivement. Pour la coupe progressive irrégulière à couvert permanent, un gain de 5,1 et 3,6 cm a été observé comparativement au contrôle à 70 et 90 ans. Malgré les gains significatifs en diamètre chez les deux essences, l'assortiment de produits du bois cumulatif des scénarios avec éclaircie commerciale à la suite de la coupe finale à 70 ans ne s'est pas distingué du scénario de référence de la coupe totale (sans éclaircie). Cependant, dans une perspective de récolte à perpétuité, la coupe progressive irrégulière à couvert permanent a démontré le meilleur potentiel de génération de produits du bois de grandes dimensions pouvant stocker du carbone sur de longues périodes. En effet, la transition vers une structure de peuplement irrégulière, complétée à 90 ans, devrait permettre des coupes subséquentes qui affichent les meilleures proportions de sciage, avec les dimensions de produits les plus grandes ayant un fort potentiel d'utilisation en construction, où les meilleurs temps de demi-vie sont observés. Dans l'optique de mieux établir le potentiel des coupes partielles à lutter contre les changements climatiques, un bilan carbone complet serait nécessaire, en incluant l'ensemble de la dynamique du carbone de l'écosystème et des produits du bois. Également, il serait nécessaire d'évaluer l'impact de perturbations naturelles, comme la tordeuse des bourgeons d'épinettes, sur les peuplements issus de ce type de coupe. Somme toute, les résultats suggèrent que les coupes partielles, notamment celles faisant partie d'un système de récolte à couvert permanent, ont un fort potentiel de lutte contre les changements climatiques. / In the face of the climate emergency, forest management can contribute to the fight against climate change, notably through the production of wood products that sequester carbon out of the atmosphere for long periods of time, thereby substituting more polluting materials. Partial cutting, a silvicultural process that has been slow to be used more widely in Quebec, is gradually proving its potential in the boreal forest for adaptation and mitigation of climate change. The purpose of this thesis was to evaluate the performance of two types of partial cutting to create high quality wood products with long half-life cycle in the boreal forest. More specifically, the goal was to compare the effect of continuous cover irregular shelterwood and commercial thinning on growth potential of residual stems and wood product yield compared to the control scenario of clearcutting only. Using the Montmorency Forest as a case study, the 3-PG model was used to simulate the growth and harvesting of monospecific stands of balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill) and white spruce (Picea glauca (Moench) Voss). Using StatSAW, the assortment of wood products from harvests was estimated for the different treatments. The most striking results were observed on the quadratic diameter of residual stems. For balsam fir, a gain of 1.9, 2.5 and 3.3 cm was observed following commercial thinning of 25%, 33% and 40% of the basal area respectively. For stands submitted to the continuous cover system, a gain of 5.6 and 3.3 cm was observed compared to the control at 70 and 90 years. For white spruce, a gain of 1.8, 2.5 and 3.2 cm was observed for the commercial thinning at 25%, 33% and 40% respectively. For the continuous cover, a gain of 5.1 and 3.6 cm was observed compared to the control (clearcut only) at 70 and 90 years. Despite the significant gains in diameter in both species, the cumulative assortment of products of the commercial thinning at the final cut of 70 years did not differ from the reference of clearcutting (without thinning). However, from a perpetual harvesting perspective, continuous cover irregular shelterwood showed the best potential for generating larger-sized wood products that can store carbon over long periods. The last harvest, which would be repeated in subsequent cuts, shows the highest sawnwood proportions, with the largest product sizes having high potential for construction use, where the longest half-life times are observed. To better establish the potential of partial cuts to address climate change, a full carbon budget would be required, including the carbon dynamics in ecosystems and wood products. Also, it would be necessary to evaluate the impact of natural disturbances, such as the spruce budworm, on stands treated by this type of harvesting. In conclusion, the results suggest that partial cuts, particularly when included in a continuous cover harvest system, have a strong potential to contribute to climate change mitigation.

L'aménagement écosystémique représente de nouveaux défis pour la sylviculture. L'enrichissement en épinette blanche, effectué à la Forêt Montmorency, forêt d'enseignement et de recherche de l'Université Laval, est un traitement qui allie des objectifs de restauration écosystémique et d'augmentation de la production ligneuse. Un suivi à moyen terme (9-13 ans) souligne le potentiel du traitement à répondre aux deux objectifs, en dépit de certains défis. L'établissement de l'épinette blanche semble réussi, mais sa place dans le peuplement mature n'est pas assurée. Les deux tiers sont supprimés et le sapin baumier croît plus rapidement. Des problèmes d'enfeuillement sont aussi observés. L'évaluation de ce traitement a montré le besoin d'un outil pour évaluer le caractère naturel des peuplements aménagés. Cette étude s'accompagne donc d'une réflexion sur le concept du gradient de naturalité. Cet outil propose cinq classes de naturalité qui correspondent à un gradient d'altération des attributs clés d'habitats des peuplements forestiers traités.

Dans un contexte d’aménagement forestier, la dynamique spatio-temporelle des habitats est susceptible d'isoler les oiseaux nicheurs durant des périodes de plusieurs années, exerçant une pression pour une grande mobilité chez les oiseaux en dispersion. Les grandes distances migratoires de certaines espèces s'ajoutent aux pressions favorisant la mobilité. Par contre, les déplacements dans un feuillage dense peuvent imposer de fortes contraintes aux attributs conférant une grande mobilité aux oiseaux. Du point de vue de la conservation, il serait très utile de prévoir la réponse des différentes espèces d'oiseaux à la fragmentation de leur habitat, à partir de leurs traits écologiques. La morphologie des ailes d’oiseau, notamment la projection des rémiges primaires, est un indicateur clé de mobilité, et pourrait donc servir à de telles prédictions. Malgré les contraintes aérodynamiques, la projection primaire varie considérablement d’une espèce à l’autre. Afin de mieux comprendre les facteurs déterminant cette diversité, j’ai mesuré les ailes de 1017 spécimens vivants de 22 espèces d’oiseaux à la Forêt Montmorency (Québec) en 2013 et 2014. Conformément à mes prédictions, les espèces d’oiseaux dont la projection des primaires était plus longue migrent sur de plus longues distances et vivent dans des habitats ayant un faible indice de densité végétale. Par contre, je n'ai trouvé aucun lien entre la densité moyenne des populations en nidification, un indicateur d'isolement, et la morphologie des ailes. Ces résultats suggèrent que les réponses variées des oiseaux forestiers face à la fragmentation de leurs habitats seraient difficilement prévisibles par la morphologie liée au vol. Mots clés : fragmentation d’habitat, isolement de l’habitat, morphologie des ailes, écomorphologie, distance migratoire, densité de végétation. / In a forest management context, spatiotemporal dynamics of habitats may isolate nesting birds for several years, thus favoring individuals with greater mobility during dispersal. Great migration distances in some species add to the factors selecting for greater mobility. However, high foliage density may exert a negative influence on morphological attributes conferring great mobility. It would be useful from a conservation perspective, to predict responses of different species to habitat fragmentation based on their traits. Wing morphology, particularly the projection of primary flight feathers, is a key indicator of mobility, and could help such predictions. Despite strong aerodynamic constraints, primary projection varies considerably among species. To better understand factors leading to interspecific differences in mobility, I measured the wings of 1017 live birds of 22 species in 2013 and 2014. Bird species that had a longer primary projection migrate over long distances and are tended to live in habitats with low density index, in accordance to our predictions. However, I found no link between the mean breeding population density, an indicator of isolation, and primary projection. Those results suggest that the varied responses of forest birds to habitat fragmentation would be difficult to forecast based on wing morphology. Keywords: habitat fragmentation, isolation of habitat, wing morphology, trait-based ecology, migration distance, vegetation density.

Dans ce manuscrit, nous développons des méthodologies de détection et caractérisation de sources géomagnétiques et atmosphériques en se basant sur la transformée en ondelettes continues. Les techniques introduites se basent sur les caractéristiques temps-fréquence des ondes observées dans les séries temporelles magnétotelluriques (MT). A partir de ces procédures de détection, nous détaillons l'implémentation d'une stratégie de détermination des fonctions de réponse MT basée sur les statistiques robustes, et du bootstrap hiérarchique pour le calcul des incertitudes. Deux études MT sont également détaillées. La première étude MT concerne la caractérisation de la structure géoélectrique situé sous l'observatoire magnétique de Chambon-La-Forêt, France. La seconde étude concerne des mesures effectuées dans la vallée de Trisuli au Népal en mars 2016. L'objectif de cette campagne est la comparaison avec une étude effectuée en 1996. Nous discutons des effets topographiques sur les sondages MT. Nous présentons également une nouvelle interprétation de la distribution de conductivité dans le sous-sol de vallée de Trisuli. / In this manuscript, we detail the application of continuous wavelet transform to processing schemes for the detection and the characterisation of geomagnetic and atmospheric sources. Presented techniques are based on time-frequency properties of electromagnetic (EM) waves observed in magnetotellurics (MT) time series. We detail the application of these detection procedures in a MT processing scheme. To recover MT response functions, we use robust statistics and a hierarchical bootstrap approach for uncertainties determination. Interpretation of two datasets are also presented. The first MT study deals with the caracterisation of the resistivity distribution below the French National magnetic observatory of Chambon-la-Forêt. The second study details the interpretation of new MT soundings acquired in March 2016 in the Trisuli valley, Nepal. The main objective of this campaign was to compare the new soundings with an old campaign in 1996. We discuss topography effects on MT soundings and their implication on the resistivity distribution. We also introduce a new interpretation of the resistivity distribution in Trisuli valley.

Dans ce travail, une nouvelle approche de conduite des observations radar de la forêt est proposée. Elle combine des méthodes statistiques pour l’analyse de sensibilité et les plans d’expériences numériques séquentiels et un code de calcul simulant la rétrodiffusion d’une forêt en vue de l’élaboration d’un modèle approché (métamodèle) à moindre coût numérique. L’introduction de ces outils mathématiques a pour objectif d’aider à la planification et à l’exécution des simulations radar et à l’organisation et l’analyse de leurs résultats. D’une part, les techniques de l’analyse de sensibilité sont appliquées afin de classer par ordre d’importance les paramètres d’entrée du modèle et d’identifier les paramètres de la forêt les plus significatifs ainsi que leurs effets sur le signal radar. D’autre part, la construction d’un métamodèle adaptable accélère le code de calcul, en préservant la physique du phénomène. Le cadre opérationnel de ce modèle approché sert finalement à introduire le principe du radar cognitif dans notre stratégie. Dans ce cas, une analyse rapide du signal reçu est nécessaire pour concevoir, en temps réel, le nouveau signal à émettre. De cette façon, les observations du radar simulées incluent en temps réel l’effet de l’environnement illuminé grâce aux simulations plus rapides et ciblées. / In this work, a new approach to conduct the radar observations of forests is proposed. It combines statistical methods for sensitivity analysis and adaptive design of simulation experiments and a numerical code simulating the the forest backscattering for the use of a approximate model (metamodel) with less computational cost. The introduction of these mathematical tools has as an objective to assist the design and the execution of radar simulations and at the organization and the analysis of their results. On the one hand, the sensitivity analysis techniques were applied in order to classify the input parameters by means of their importance and to identify the most significant forest parameters as well as their effects on the radar signal. On the other hand, the construction of an adaptive metamodel accelerates the simulation model, while keeping the physics of the phenomenom. The operational frame of this approximate model serves finally in the introduction of the cognitive radar principle in our strategy. In that case, a fast analysis of the received signal is necessary to design, in real time, the new signal to be emitted. That way, the simulated radar observations take into account in real time the effect of the illuminated environment, thanks to the more focused and fast simulations.

Les changements climatiques en cours semblent être à l’origine d’une intensification de l’activité de feux dans les forêts circumboréales. Des modèles prédictifs basés sur des données historiques sont couramment utilisés pour essayer d’anticiper les régimes des feux et leurs impacts pour l’horizon 2100. Cependant, les concepts alimentant ces modèles reposent sur l’interprétation de données issues de seulement quelques régions alors que de nombreuses études ont montré que des facteurs régionaux à locaux tels que la topographie, la nature des sols, la composition et la structure de la végétation, ainsi qu’un profil climatique et une météorologie particulière, peuvent impacter l’activité de feux.Au nord-est du Canada, la région de l’est du Québec et du Labrador se caractérise, comparativement aux régions de l’ouest et du centre du Québec, un relief plus vallonné, une végétation différente (plus riche en sapin baumier et plus pauvre en pin gris) et un climat plus froid et plus humide. L’étude des processus liés aux dynamiques de feux et de végétation dans cette région, et leur comparaison avec ceux des régions de l’ouest et du centre au cours de l’Holocène ont donc été réalisées dans cette thèse. L’objectif global était de savoir si l’on peut se contenter de travailler à une échelle supra-régionale plutôt qu’à une échelle régionale ou locale pour prédire les conséquences des changements climatiques en cours sur la dynamique des forêts conifériennes du Québec-Labrador.Les résultats mettent en évidence l’impact de la taille des feux, jusqu’alors sous-estimé, sur la dynamique à long terme de la végétation au sein de chacune des régions. D’un point de vue général, la présence ou l’absence de grands feux a respectivement favorisé, selon le cas, la propagation du pin gris ou du sapin baumier, co-dominants dans le paysage avec l’épinette noire. De plus, les conditions pré-requises à l’éclosion des grands feux diffèrent entre la région de l’est et celles de l’ouest et du centre. Cette divergence s’explique en grande partie par l’influence prédominante de la topographie régionale au détriment de l’impact des grandes tendances climatiques sur l’activité de feux dans l’est.Au regard de nos résultats, les scénarios climatiques annoncés risquent d’augmenter l’occurrence des grands feux dans les régions de l’ouest et du centre du Québec sans qu’il y ait pour autant de conséquence significative sur la composition du couvert forestier. À l’est, les projections restent plus incertaines car les causes à l’origine des grands feux passés dans cette région n’ont pas été totalement élucidées. Cependant, toutes les hypothèses de trajectoires de végétation futures formulées dans cette thèse vont dans le sens d’un maintien du sapin baumier dans le paysage.Compte-tenu de la diversité des interactions susceptibles d’impacter significativement la taille des feux à l’échelle régionale, notre compréhension des processus liés aux dynamiques de perturbation et de végétation semble encore insuffisante pour pouvoir les prédire à large échelle. Il serait donc raisonnable, dans un premier temps, d’étudier plus finement ces processus à l’échelle de zones les plus homogènes possibles en termes de composition végétale, de topographie et de climat. C’est dans cette optique que l’amélioration méthodologique présentée dans cette thèse a été développée. Elle permet de différencier, à partir de l’analyse de dépôts de charbons dans les sédiments lacustres, les feux ayant eu lieu dans le bassin versant du lac étudié (local) de ceux s’étant produits à une plus grande distance (régional), et ce, à l’échelle plurimillénaire. Conjuguée à l’étude d’autres bio-indicateurs permettant de reconstruire l’environnement passé à l’échelle locale, nous devrions être capables de mieux comprendre les causes et conséquences des variations de taille des feux au regard des différentes combinaisons observées de facteurs environnementaux dans l’avenir. / Wildfire activity is projected to increase under global warming in circumboreal forests. Predictive fire models based on historical data are commonly used to anticipate fire regimes and their impacts for 2100. However, these models at large scale depend on concepts developed from only some regional data, while many studies showed that regional and local factors such as topography, soil type, vegetation composition and structure, and particular climatic and meteorological patterns can impact the fire activity.In north-eastern Canada, the eastern region of Quebec-Labrador and the western and central regions of Quebec display distinctive types of relief, climate and vegetation. The drier and flatter western region is mainly dominated by black spruce (Picea mariana) and jack pine (Pinus banksiana), while the more humid and hilly eastern region is dominated by black spruce and balsam fir (Abies balsamea). In this thesis, I compared the processes linked to dynamics of fire and vegetation within and among the three regions. The main objective was to test whether working at the supra-regional scale rather than at regional or local scale is enough to predict efficiently the consequences of current climatic changes on the coniferous forest dynamics in Quebec-Labrador.Results highlight the impact of fire size, hitherto underestimated, on the long-term vegetation dynamics within each region. Overall, the presence or absence of large fires promoted the propagation of jack pine or balsam fir in black spruce forests, respectively. Moreover, the prerequisite conditions for ignitions inducing large fires differ between the eastern region and the two others. This divergence is mainly explained by the predominant influence of regional topography on fire activity (ignition and propagation) in eastern region, while large climatic trends and their impacts explain better the fire activity (mainly propagation) in western and central regions.According to these results, future climate changes could increase large-fire occurrences in western and central regions of Quebec likely without significant consequences on forest composition. In the eastern region, projections are more uncertain due to a lack of full understanding of past large-fire causes. However, all assumptions for future vegetation trajectories showed that balsam fir should be still present in these landscapes.Due to the high diversity of interactions able to impact significantly fire size at regional scale, our understanding of processes linked to dynamics of disturbances and of vegetation seems to be still not sufficient to make predictions at large scale. It would be worth, first, to study more finely these processes on homogenous zones in terms of vegetation composition, topography and climate. The methodological improvement on lacustrine charcoal analysis presented in this thesis has been developed in this perspective. It allows differentiating fires that occurred in the studied lake watershed (local) from those that burned further away (regional). In the future, analyses of local fire histories combined with studies of other proxies to reconstruct the past environment at local scale should allow a better understanding of causes and consequences of fire size variations according to the various combinations of environmental factors.

Ce travail a pour but de présenter une méthode devant faciliter la prise de décisions au niveau de la planification des opérations forestières. Il constitue une approche partielle au développement d'un modèle dynamique d'aménagement forestier, projet mis sur pied par des professeurs de la Faculté de Foresterie et de Géodésie de l'Université Laval en 1973. La méthode de planification proposée tente d'apporter une solution aux problèmes de la localisation des aires de coupe et de l'établissement du réseau routier. Les principaux objectifs poursuivis sont les suivants : - optimisation du réseau routier en fonction de critères économiques, - regroupement des opérations annuelles, - minimisation des fluctuations annuelles relatives au volume récolté, à la superficie traitée et ä la construction de chemin. Les aires de coupe sont localisées de façon à ce que soit respectée la possibilité de coupe déterminée lors de la réalisation du plan d'aménagement. Les diverses contraintes ayant trait à la protection du territoire et à l'aménagement intégré des ressources forestières sont également prises en considération. Voici quelles sont les principales étapes de la méthode proposée : 1) localisation des peuplements pouvant faire l'objet d'intervention pendant la durée du plan d'exploitation et établissement d'un ordre de chaque type de traitement; 2) classification des unités de territoire suivant un ordre de priorité pour la construction de chemins; 3) simulation de réseaux routiers correspondant à diverses distances de débardage; chaque simulation implique les étapes suivantes : - tracé des chemins d'exploitation de façon à desservir les peuplements susceptibles d'être exploités; - choix des aires de traitement annuelles; - tracé définitif des chemins; - définition des classes de qualité de chemin en fonction du volume ligneux transporté; - localisation des jetées et allocation des unités de coupe aux jetées; - calcul des coûts reliés à la construction du réseau routier simulé. La prise de décision finale s'effectue par la comparaison des coûts résultant de chacune des options simulées.

La forêt boréale recouvre 30% de la surface du Canada et 14% de la surface émergée de la terre. Les changements climatiques vont fortement l’affecter, et ces écosystèmes vont significativement impacter la climatologie et l’hydrologie mondiale avec des échanges importants d’eau, d’énergie et de carbone entre le sol et l’atmosphère. Il est maintenant crucial de bien comprendre le bilan d’énergie de surface sur ce biome pour efficacement prévoir son comportement et son évolution dans un climat changeant. Beaucoup d’études ont analysé le bilan d’énergie de la forêt boréale, mais des lacunes importantes subsistent : il y a peu d’études en terrain non plat, ou dans des zones recevant d’importantes précipitations, ou encore avec des mesures à des échelles spatiales variées, et encore moins des combinaisons de ces trois possibilités. Le principal but de cette thèse est d’attaquer ces lacunes de front en offrant l’analyse du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration d’une forêt boréale humide couvrant une topographie prononcée, et ce à plusieurs échelles spatiales (point : ~m²; locale : ~ha; régionale : ~km²). Les résultats sont principalement basés sur une campagne de mesures ayant cours à la forêt Montmorency de l’Université Laval, à 80 km au nord de Québec, Canada. La forêt est une sapinière à bouleau blanc avec des arbres à divers degrés de maturité. Là, deux tours à flux mesurant tous les termes du bilan d’énergie sont installés depuis l’automne 2015. Trois objectifs spécifiques sont associés à trois échelles spatiales de mesure ou de modélisation dans un gradient allant de l’échelle ponctuelle vers l’échelle régionale. Dans un premier objectif, l’hétérogénéité spatiale du couvert forestier est caractérisée par des mesures de rayonnement solaire sous-canopée. Ensuite, l’évaluation de la densité de végétation permet de paramétrer un schéma de surface pour obtenir la variabilité de l’évapotranspiration et de ses composantes. Les résultats montrent que même si la transmission du rayonnement est très variable de point en point (entre 7% et 69% sur toute la saison), une moyenne spatiale à l’échelle locale représente bien la zone. Les résultats de modélisation indiquent qu’une forêt plus dense cause légèrement plus d’évapotranspiration totale, car elle évapore plus de précipitations interceptées et transpire plus. Une forêt plus dense évapore toutefois moins d’eau au sol, ce qui peut mener à une humidité du sol accrue dans des conditions de sécheresse momentanée. / Dans le deuxième objectif, l’impact de fortes précipitations sur le bilan d’énergie à l’échelle locale et l’évapotranspiration en forêt boréale est évalué. Pour ce faire, le site principal de la forêt Montmorency est d’abord comparé avec 13 sites en forêt boréale dans le monde sur la base du bilan d’énergie et de l’évapotranspiration. La forêt Montmorency est le site qui reçoit le plus de précipitations avec ~1600 mm a⁻¹. Pour tous les sites, la précipitation reçue est liée à l’évapotranspiration annuelle, et c’est aussi le site principal qui a la plus forte évapotranspiration, avec ~550 mm a⁻¹. Grâce à des mesures précises des débits sortants du bassin versant de 3.5 km² contenant les sites de mesure, le bilan hydrique est clairement établi : l’eau excédentaire provenant des précipitations est principalement évacuée par des débits sortants dans les cours d’eau du bassin versant, à une hauteur de ~1050 mm a⁻¹. Pour le troisième objectif, la méthode de la scintillométrie à deux longueurs d’onde est testée sur le site d’étude et ses mesures du bilan d’énergie à l’échelle régionale sont comparées à celles à l’échelle locale. Les scintillomètres sont installés à travers une vallée où est également présente une des deux tours à flux. Les faisceaux électromagnétiques parcourent 1347 m à une hauteur variant entre 5 et 100 m et une hauteur efficace de 88 m. Les résultats montrent que les deux montages expérimentaux ont une faible concordance au niveau des paramètres de structure météorologiques, mais une concordance plus qu’acceptable au niveau des flux turbulents. Pour ces derniers, la corrélation entre les scintillomètres et la tour à flux est optimale lorsque les faisceaux électromagnétiques sont entièrement inclus dans la couche de surface atmosphérique. Cependant, comme la hauteur des faisceaux est hautement variable, ceux-ci se retrouvent la plupart du temps en partie dans la couche de surface atmosphérique, ce qui mène à une corrélation tout de même acceptable dans ces circonstances. Néanmoins, les mesures des scintillomètres sont souvent de qualité douteuse lors des périodes nocturnes et lorsque l’atmosphère est stable. En bref, la forêt boréale étudiée exhibe un bilan d’énergie et une évapotranspiration significativement différents d’autres sites dans des biomes semblables recensés dans la littérature. Cette thèse apporte des précisions importantes sur ce type d’environnement. De plus, la thèse offre des outils méthodologiques rigoureux pour évaluer le bilan d’énergie à diverses échelles spatiales et élabore sur le passage entre ces échelles, une contribution à ne pas négliger pour les modélisateurs hydrologiques et du climat au Canada et dans le monde. / For the third objective, the two-wavelength scintillometry method is evaluated at the study site and its regional energy balance measurements are compared to those at the local scale. The scintillometers are installed across a valley where one of the two flux towers is localized. The scintillometers’ electromagnetic beams travel 1347 m at a height varying between 5 and 100 m and an effective height of 88 m. The results show that the two experimental systems have a low agreement in terms of the meteorological structure parameters, but a more than acceptable agreement for the turbulent fluxes. For the latter, the correlation between scintillometers and flux tower is optimal when the electromagnetic beams are entirely included in the atmospheric surface layer. However, since the beam height is highly variable, they are more often than not partially present in the atmospheric surface layer anyway, which leads to a correlation that is still acceptable in these circumstances. However, measurements of scintillometers are often unrealistic during nocturnal periods and when the atmosphere is stable. In short, the studied boreal forest exhibits an energy balance and evapotranspiration significantly different from other sites in similar biomes referenced in the literature. This thesis provides important details on this type of environment. In addition, the thesis offers rigorous methodological tools to assess the energy balance at various spatial scales and elaborates on the possibility of upscaling and/or downscaling results, a contribution not to be overlooked for hydrological and climate modelers in Canada and around the world. / The boreal forest covers 30% of Canada's surface and 14% of the earth's land surface. Climate change will severely affect it, and these ecosystems will in turn impact climate and global hydrology with significant exchanges of water, energy and carbon between the soil and the atmosphere. It is now crucial to understand the surface energy balance of this biome to effectively predict its behavior and evolution in a changing climate. Many studies have analyzed the energy balance of the boreal forest, but significant gaps remain: there are little studies in non-flat terrain, or in areas receiving significant rainfall, or with measurements at various spatial scales, let alone combinations of these three possibilities. The main aim of this thesis is to fill these gaps with a rigorous analysis of the energy balance and evapotranspiration of a boreal forest covering a pronounced topography, and this at several spatial scales (point: ~m², local: ~ha, regional: ~km²). The results are mainly based on a measurement campaign taking place at the Montmorency Forest of Université Laval, 80 km north of Québec, Canada. The forest is a balsam fir – white birch forest with trees of varying degrees of maturity. There, two flux towers are measuring all the energy balance terms since autumn 2015. Three specific objectives are associated with three spatial scales of measurement or modeling in a gradient from the point scale to the regional scale. In a first objective, the spatial heterogeneity of the forest cover is characterized by sub-canopy solar radiation measurements. Then, the vegetation density evaluation makes it possible to parameterize a land-surface scheme to obtain the variability of the evapotranspiration and its components. The results show that even though the transmission of radiation is highly variable from point to point (seasonal average between 7% and 69%), a spatial average at the local scale represents the area quite well. Modeling results indicate that a denser forest causes slightly more total evapotranspiration because it evaporates more intercepted precipitation and generates more transpiration. A denser forest, however, evaporates less water on the ground, which can lead to increased soil moisture under conditions of momentary drought. In the second objective, the impact of heavy rainfall on the local energy balance and evapotranspiration in the boreal forest is evaluated. To do this, the main site of Montmorency Forest is first compared with 13 boreal forest sites around the world on the basis of energy balance and evapotranspiration. The Montmorency Forest is the site receiving the most rainfall with ~1600 mm y⁻¹. For all sites, the precipitation received is positively related to annual evapotranspiration, which means the main site has the highest evapotranspiration rates, with ~550 mm y⁻¹. With accurate measurements of the outflow from the 3.5 km² watershed containing the Montmorency Forest measurement sites, the water balance is clearly established: excess water from precipitation is mainly discharged through outflows of the watershed, to an extent of ~1050 mm y⁻¹.

Ce travail a pour but de présenter une méthode devant faciliter la prise de décisions au niveau de la planification des opérations forestières. Il constitue une approche partielle au développement d'un modèle dynamique d'aménagement forestier, projet mis sur pied par des professeurs de la Faculté de Foresterie et de Géodésie de l'Université Laval en 1973. La méthode de planification proposée tente d'apporter une solution aux problèmes de la localisation des aires de coupe et de l'établissement du réseau routier. Les principaux objectifs poursuivis sont les suivants : - optimisation du réseau routier en fonction de critères économiques, - regroupement des opérations annuelles, - minimisation des fluctuations annuelles relatives au volume récolté, à la superficie traitée et ä la construction de chemin. Les aires de coupe sont localisées de façon à ce que soit respectée la possibilité de coupe déterminée lors de la réalisation du plan d'aménagement. Les diverses contraintes ayant trait à la protection du territoire et à l'aménagement intégré des ressources forestières sont également prises en considération. Voici quelles sont les principales étapes de la méthode proposée : 1) localisation des peuplements pouvant faire l'objet d'intervention pendant la durée du plan d'exploitation et établissement d'un ordre de chaque type de traitement; 2) classification des unités de territoire suivant un ordre de priorité pour la construction de chemins; 3) simulation de réseaux routiers correspondant à diverses distances de débardage; chaque simulation implique les étapes suivantes : - tracé des chemins d'exploitation de façon à desservir les peuplements susceptibles d'être exploités; - choix des aires de traitement annuelles; - tracé définitif des chemins; - définition des classes de qualité de chemin en fonction du volume ligneux transporté; - localisation des jetées et allocation des unités de coupe aux jetées; - calcul des coûts reliés à la construction du réseau routier simulé. La prise de décision finale s'effectue par la comparaison des coûts résultant de chacune des options simulées.

Ce travail est la fusion de deux projets de recherche complémentaires et contribue à l'approfondissement des connaissances dans les domaines des mesures de précipitation solide et dans la stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. Toutes les données utilisées pour ces travaux proviennent de la forêt Montmorency, qui est la forêt d’enseignement et de recherche de l’Université Laval située à Québec. Les incertitudes liées aux simulations des débits des bassins versants par les outils de modélisation hydrologiques dépendent du choix du modèle considéré, mais sont aussi liées à la qualité des données météorologiques entrantes. Il est question ici de tout d’abord quantifier les incertitudes reliées aux mesures de précipitation solide, ensuite proposer une méthode d’ajustement novatrice, et enfin une stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. L’élaboration d’une base de données météorologique regroupant 15 types de précipitomètres, dont deux référents mondiaux, a été réalisée grâce notamment à la mise en place du site météorologique Neige, déployé depuis 2014. Concernant les incertitudes des mesures liées au phénomène de sous-captation de précipitation solide, des approches déterministes historiques de débiaisage des données sont tout d’abord évaluées. Les résultats démontrent un biais initial moyen d’environ 30%, et une surestimation rémanente des quantités de précipitation après ajustement. Une approche probabiliste est ensuite proposée, et les résultats montrent un biais moyen divisé par 5 après application de la méthode. Enfin, des analyses de sensibilités des paramètres des modèles hydrologiques ainsi que de leurs performances face aux variations des données de précipitation solide sont réalisées sur un ensemble de 20 modèles conceptuels à partir de la base de données hydrologique du bassin versant appelé le Haut Montmorency. Cette étude permet finalement de mettre en évidence que le biais de mesure d’équivalent en eau du manteau nival pourrait influencer la qualité des bilans hydriques des bassins versants dans certaines conditions. Ainsi, une analyse de sensibilité des modèles hydrologiques rigoureuse a permis de mettre en évidence qu’un ajustement des données de précipitation solide est nécessaire en amont de la calibration conjointement à l’utilisation des modèles. L’originalité de ces travaux dépend principalement de l’exceptionnalité des sites d’études mais aussi de la qualité du travail des techniciens en observation météorologique et la coopération d’un grand nombre de partenaires privés et publics. / This work joins two complementary research projects and contributes to improve the knowledge on solid precipitation measurements and hydrological modelling strategy in the boreal forest environment. All the data used in this work comes from the Montmorency Forest, which is the teaching and research forest of Université Laval located in Quebec. The uncertainty related to flows forecast by hydrological models depends on the choice of the model, but are also linked to the quality of incoming meteorological data. This work aims first to quantify uncertainties related to solid precipitation measurements, then to propose an innovative method of adjustment and finally to establish a hydrological modelling strategy for the boreal forest environment. The development of a large meteorological database, including data from two world reference instruments, was done thanks to the Neige site deployed since 2014. Regarding uncertainties related to the solid precipitation undercatch phenomenon, five deterministic approaches from the literature are first evaluated. Results show that the initial bias is 30% on average and there is still an overestimation of the solid precipitation quantity after a deterministic adjustment. A probabilistic approach is developed and results show that the bias is divided by 5 on average. Finally, sensitivity analysis of hydrological models’ parameters, and their performance facing different solid precipitation quantities, is done on a set of 20 conceptual models based on the hydrological database of the catchment area called the HautMontmorency. This study highlights that the snow water equivalent measurement bias of the snowpack could influence the quality of water balances in the catchment under certain conditions. A deep sensitivity analysis of hydrological models showed that an adjustment of the solid precipitation was required prior to their calibration. The originality of this thesis depends on the exceptional studied sites, the quality of technicians work and the collaboration of numerous public and private partners.