L’étude de la variabilité du climat est désormais indispensable pour anticiper les conséquences des changements climatiques futurs. Nous disposons pour cela de quantité de données issues de modèles de circulation générale (GCMs). Néanmoins, ces modèles ne permettent qu’une résolution partielle des interactions entre le climat et les activités humaines entre autres parce que ces modèles ont des résolutions spatiales souvent trop faibles. Il existe aujourd’hui toute une variété de modèles répondant à cette problématique et dont l’objectif est de générer des variables climatiques à l’échelle locale àpartir de variables à grande échelle : ce sont les modèles de régionalisation ou encore appelés modèles de réduction d’échelle spatiale ou de downscaling en anglais.Cette thèse a pour objectif d’approfondir les connaissances à propos des modèles de downscaling statistiques (SDMs) parmi lesquels on retrouve plusieurs approches. Le travail s’articule autour de quatre objectifs : (i) comparer des modèles de réduction d’échelle statistiques (et dynamiques), (ii) étudier l’influence des biais des GCMs sur les SDMs au moyen d’une procédure de correction de biais, (iii) développer un modèle de réduction d’échelle qui prenne en compte la non-stationnarité spatiale et temporelle du climat dans un contexte de modélisation dite spatiale et enfin, (iv) établir une définitiondes saisons à partir d’une modélisation des régimes de circulation atmosphérique ou régimes de temps.L’intercomparaison de modèles de downscaling a permis de mettre au point une méthode de sélection de modèles en fonction des besoins de l’utilisateur. L’étude des biais des GCMs révèle une influence indéniable de ces derniers sur les sorties de SDMs et les apports de la correction des biais. Les différentes étapes du développement d’un modèle spatial de réduction d’échelle donnent des résultats très encourageants. La définition des saisons par des régimes de temps se révèle être un outil efficace d’analyse et de modélisation saisonnière.Tous ces travaux de “Climatologie Statistique” ouvrent des perspectives pertinentes, non seulement en termes méthodologiques ou de compréhension de climat à l’échelle locale, mais aussi d’utilisations par les acteurs de la société. / The study of climate variability is vital in order to understand and anticipate the consequences of future climate changes. Large data sets generated by general circulation models (GCMs) are currently available and enable us to conduct studies in that direction. However, these models resolve only partially the interactions between climate and human activities, namely du to their coarse resolution. Nowadays there is a large variety of models coping with this issue and aiming at generating climate variables at local scale from large-scale variables : the downscaling models.The aim of this thesis is to increase the knowledge about statistical downscaling models (SDMs) wherein there is many approaches. The work conducted here pursues four main goals : (i) to discriminate statistical (and dynamical) downscaling models, (ii) to study the influences of GCMs biases on the SDMs through a bias correction scheme, (iii) to develop a statistical downscaling model accounting for climate spatial and temporal non-stationarity in a spatial modelling context and finally, (iv) to define seasons thanks to a weather typing modelling.The intercomparison of downscaling models led to set up a model selection methodology according to the end-users needs. The study of the biases of the GCMs reveals the impacts of those biases on the SDMs simulations and the positive contributions of the bias correction procedure. The different steps of the spatial SDM development bring some interesting and encouraging results. The seasons defined by the weather regimes are relevant for seasonal analyses and modelling.All those works conducted in a “Statistical Climatologie” framework lead to many relevant perspectives, not only in terms of methodology or knowlegde about local-scale climate, but also in terms of use by the society.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit regionaler Klimamodellierung über Südamerika, der Analyse von Modellsensitivitäten bezüglich Wolkenparametrisierungen und der Entwicklung neuer Methoden zur Modellevaluierung mithilfe von Klimanetzwerken. Im ersten Teil untersuchen wir Simulationen mit dem COnsortium for Small scale MOdeling model in CLimate Mode (COSMO-CLM) und stellen die erste umfassende Evaluierung dieses dynamischen regionalen Klimamodells über Südamerika vor. Dabei untersuchen wir insbesondere die Abhängigkeit simulierter tropischer Niederschläge von Parametrisierungen subgitterskaliger cumuliformer und stratiformer Wolken und finden starke Sensitivitäten bezüglich beider Wolkenparametrisierungen über Land. Durch einen simultanen Austausch der entsprechenden Schemata gelingt uns eine beträchtliche Reduzierung von Fehlern in klimatologischen Niederschlags- und Strahlungsmitteln, die das COSMO-CLM über tropischen Regionen für lange Zeit charakterisierten. Im zweiten Teil führen wir neue Metriken für die Evaluierung von Klimamodellen bezüglich räumlicher Kovariabilitäten ein. Im Kern bestehen diese Metriken aus Unähnlichkeitsmaßen für den Vergleich von simulierten mit beobachteten Klimanetzwerken. Wir entwickeln lokale und globale Unähnlichkeitsmaße zum Zwecke der Darstellung lokaler Unähnlichkeiten in Form von Fehlerkarten sowie der Rangordnung von Modellen durch Zusammenfassung lokaler zu globalen Unähnlichkeiten. Die neuen Maße werden dann für eine vergleichende Evaluierung regionaler Klimasimulationen mit COSMO-CLM und dem Statistical Analogue Resampling Scheme über Südamerika verwendet. Dabei vergleichen wir die sich ergebenden Modellrangfolgen mit solchen basierend auf mittleren quadratischen Abweichungen klimatologischer Mittelwerte und Varianzen und untersuchen die Abhängigkeit dieser Rangfolgen von der betrachteten Jahreszeit, Variable, dem verwendeten Referenzdatensatz und Klimanetzwerktyp. / This dissertation is about regional climate modeling over South America, the analysis of model sensitivities to cloud parameterizations, and the development of novel model evaluation techniques based on climate networks. In the first part we examine simulations with the COnsortium for Small scale MOdeling weather prediction model in CLimate Mode (COSMO-CLM) and provide the first thorough evaluation of this dynamical regional climate model over South America. We focus our analysis on the sensitivity of simulated tropical precipitation to the parameterizations of subgrid-scale cumuliform and stratiform clouds. It is shown that COSMO-CLM is strongly sensitive to both cloud parameterizations over tropical land. Using nondefault cumulus and stratus parameterization schemes we are able to considerably reduce long-standing precipitation and radiation biases that have plagued COSMO-CLM across tropical domains. In the second part we introduce new performance metrics for climate model evaluation with respect to spatial covariabilities. In essence, these metrics consist of dissimilarity measures for climate networks constructed from simulations and observations. We develop both local and global dissimilarity measures to facilitate the depiction of local dissimilarities in the form of bias maps as well as the aggregation of those local to global dissimilarities for the purposes of climate model intercomparison and ranking. The new measures are then applied for a comparative evaluation of regional climate simulations with COSMO-CLM and the STatistical Analogue Resampling Scheme (STARS) over South America. We compare model rankings obtained with our new performance metrics to those obtained with conventional root-mean-square errors of climatological mean values and variances, and analyze how these rankings depend on season, variable, reference data set, and climate network type.