L'information obtenue par le radar polarimétrique est utilisée en recherche depuis une trentaine d'années. Ce qui fait du radar polarimétrique un outil unique pour sonder l'atmosphère, c'est sa capacité de fournir de l'information à distance sur les propriétés des hydrométéores. Il est donc permis d'espérer pour l'avenir une meilleure compréhension des processus microphysiques en présence dans les précipitations. Plusieurs méthodes ont été développées jusqu'à maintenant pour se rapprocher de ce but. Poursuivant les efforts d'études précédentes sur les précipitations stratiformes et convectives, nous avons essayé d'obtenir une forme de présentation des données polarimétriques qui interprète les processus dominants dans les précipitations en examinant la variabilité des observables polarimétriques. Le défi de cette étude a été d'identifier les processus microphysiques dans les précipitations stratiformes en suivant l'évolution de la croissance des hydrométéores à travers la variabilité des observables polarimétriques. Nous avons obtenu les profils moyens des variables polarimétriques pour des cas stratiformes survenus de novembre 2003 à avril 2005. Nous avons construit les diagrammes de la distribution des variables polarimétriques représentant leur variabilité dans l'espace réflectivité (Z) - hauteur (H) d'après une méthodologie élaborée dans ce but. Nous avons testé nos hypothèses et validé nos résultats pour quatre cas sélectionnés. La nouvelle forme de présentation des données que nous avons élaborée en nous servant des variables polarimétriques fournit un outil supplémentaire pour identifier les processus microphysiques dominants dans les précipitations stratiformes. La méthodologie a été adaptée pour tenir compte des particularités des précipitations stratiformes et, combinée avec l'information extraite par d'autres instruments et d'autres méthodes, peut servir à compléter l'image globale d'événements de précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Le radar polarimétrique, Les variables polarimétriques, L'identification des hydrométéores.

Les changements de l'intensité et de la fréquence des extrêmes hydro-climatiques peuvent avoir des impacts significatifs sur les secteurs liés aux ressources en eau. Il est donc nécessaire d'évaluer leur vulnérabilité face aux changements climatiques. Cette étude porte sur l'estimation des changements de la fréquence et l'amplitude des événements de précipitations extrêmes au Canada en utilisant un ensemble de dix simulations de 30 ans effectuées avec le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), pour une période de référence (1961-1990) et une période future (2040-2071). Les simulations futures utilisent le scénario A2 du SRES. Deux méthodes sont utilisées dans cette étude, avec l'hypothèse de stationnarité tranche de temps (en anglais «time-slice stationarity assumption»): Analyse Fréquentielle Régionale (RFA pour «Regional Frequency Analysis»), qui s'opère à l'échelle des unités statistiquement homogènes des régions climatiques prédéfinies, avec la possibilité de réduction au niveau du point de grille et l'analyse individuelle de point de grille (GBA pour «Grid-box analysis»). Des données d'observations réhabilitées et homogénéisées de 495 stations situées partout au Canada sont utilisées pour vérifier l'homogénéité statistique des régions climatiques canadiennes. Ces données sont également utilisées pour sélectionner la distribution régionale la plus appropriée parmi les cinq distributions candidates aux trois paramètres de la modélisation observée de l, 2, 3, 5, 7 et 10 jours AM (AM pour «Annual Maxima») de la quantité de précipitations (i.e. les extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours), survenues entre les mois d'avril et de septembre, pour la période de 30 ans allant de 1961 à 1990. Les distributions candidates sont les suivantes: la distribution des valeurs extrêmes généralisées (GEV pour «General Extreme Value»), Pareto généralisée (GPA pour «Generalized Pareto»), Logistique généralisée (GLO pour «Generalized Logistic»), Pearson Type 3 (PE3 pour «Pearson Type 3») et Normal généralisée (GNO pour «Generalized Normal»). La validation du modèle de simulation pour les périodes de retour de 20,50 et 100 ans des précipitations extrêmes d'une et de plusieurs journées en comparaison avec les observations durant la période 1961-1990 en utilisant les méthodes de RFA et GBA suggèrent une sous-estimation du MRCC pour une grande partie du Canada. Toutefois, le MRCC a tendance à surestimer légèrement sur la région de YUKON. Les changements de l'amplitude et la fréquence des précipitations extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours au Canada sont estimés en utilisant les deux méthodes, celle de RFA et de GBA. Une estimation d'incertitude sous la forme d'intervalles de confiance des 20, 50 et 100 ans de périodes de retour à l'échelle régionale des cinq paires de simulations de la période de référence et celle du future est effectuée en utilisant la méthode de bootstrap vectoriel (en anglais «nonparametric vector bootstrap resampling method») et ensuite exprimé sous forme d'intervalle de confiance. Les résultats de l'étude ont des implications fortes pour des projets liés à la conception et la gestion des ressources en eau et pour estimer la durabilité des infrastructures existantes dans un climat changeant. ______________________________________________________________________________

La présente étude a permis d'évaluer le potentiel d'utilisation de deux versions (3.7.1 et 4.1.1) du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC) pilotées en mode réanalyse, afin de reproduire les extrêmes observés en été (sur la période 1961-1990), et de caractériser le régime de précipitation et de températures maximum et minimum au-dessus de trois régions de l'Est de l'Amérique du Nord (Sud et Nord des Grands Lacs et Pennsylvanie). La validation fut réalisée à l'aide de critères diagnostiques multiples liés à la fréquence, l'intensité et la durée des événements extrêmes de précipitation et de température, ceux-ci étant régulièrement utilisés dans l'évaluation des impacts sur les activités humaines et les écosystèmes dans une perspective de changements climatiques. Avec l'utilisation de critères statistiques, les distributions statistiques des indices d'extrêmes de précipitation et de température, les champs moyens saisonniers et la variabilité interannuelle de ces indices et ont été comparés par rapport aux valeurs observées. Les données de référence ont été établies en interpolant sur la grille du MRCC (45km), à l'aide du krigeage ordinaire, les données observées du National Climate Data Center, d'Environnement Canada et du Ministère de l'Environnement du Québec. Les principaux résultats obtenus sur les trois régions montrent que la version 4.1.1 du MRCC simule mieux le régime de température minimum et l'occurrence des jours humides/secs que la version 3.7.1 notamment la moyenne saisonnière, le 10ième centile de température, le nombre maximum de jours secs consécutifs, le nombre de jours de pluie (≥1 mm) ainsi que la variabilité interannuelle. Par contre, peu ou pas de différences existent entre les deux versions quant à la température maximum, l'amplitude thermique quotidienne, le 90ième centile de la température, la précipitation moyenne et le centile de précipitation. Dans tous les cas, la variabilité saisonnière est biaisée (forme et étalement des queues de distribution, i.e. aplatissement et asymétrie), les extrêmes chauds des températures maximum et les précipitations les plus intenses, liées aux phénomènes convectifs, étant largement surestimés ou sous-estimés, respectivement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle Régional de Climat, Extrêmes, Krigeage, Variabilité interannuelle.

À l'aide de la quatrième génération du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC4), deux paires de simulations pilotées à leurs frontières par les réanalyses NCEP NRA-2 ont été créées pour deux régions distinctes du Canada : 1) l'ouest canadien (WEST CAN), et 2) l'est canadien (EAST CAN). Pour ces deux régions, chaque paire de simulations consiste en une simulation dont la résolution horizontale est de 15 km (vrai à 60°N) et une simulation dont la résolution horizontale est de 45 km (vrai à 60°N). En utilisant ces simulations, cette étude tente de déterminer l'impact de l'augmentation de la résolution horizontale sur le champ de précipitation du modèle. Les résultats montrent que l'augmentation de la résolution horizontale permet d'obtenir une représentation plus réaliste de la topographie dans les simulations à 15 km, puisqu'elles illustrent de plus fines caractéristiques du terrain, tels que d'étroites et profondes vallées ainsi que de hauts, mais petits, complexes montagneux. De plus, notre étude révèle que les simulations à 15 km produisent davantage de convergence d'humidité et d'évapotranspiration, menant ainsi à une augmentation de la précipitation. L'augmentation de la résolution permet à la simulation à 15 km de produire de la neige durant toute l'année au sommet des plus hautes montagnes du domaine WEST CAN. Pour le domaine EAST CAN, la précipitation totale et solide plus grande retrouvée dans la simulation à 15 km mène à un ruissellement supérieur à celui retrouvé dans la simulation à 45 km. En comparant la précipitation simulée avec la précipitation observée provenant du réseau de stations d'Environnement Canada mesurant la précipitation horaire, on trouve que les simulations à 15 km produisent une distribution de la fréquence des précipitations horaires et une distribution de l'intensité des précipitations plus réaliste. Contrairement aux simulations à 15 km, les simulations à 45 km produisent moins d'événements horaires d'intensité modérée à très forte (3-10 mm/h) que ce qui est observé. Néanmoins, autant les simulations à 15 km que celles à 45 km produisent un biais positif en termes de fréquence et d'intensité des événements horaires de faibles intensités (0,2-3 mm/h). Conséquemment, une trop grande quantité de précipitation est générée annuellement par ce type d'événements, comparativement aux observations. La précipitation simulée est alors généralement plus grande que celle observée. Notre étude révèle également que pour analyser la fréquence et l'intensité de la précipitation, il est plus approprié d'utiliser une période d'accumulation d'une heure plutôt qu'une période d'accumulation de 24 heures. En effet, cela nous permet de comprendre plus facilement quels types d'événements le modèle est capable de reproduire et quelle est la contribution (en termes de quantité de précipitation) de chacun de ces événements. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modélisation régionale du climat, haute résolution, précipitation, MRCC

Quatre événements El Niño extrêmes ont eu lieu durant les cinq dernières décennies (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 et 2015/2016) et étaient caractérises comme forts dans la région Niño 3.4. Ils présentent des différences significatives dans leur évolution qui induisent des anomalies distinctes de précipitations le long du versant Pacifique Péruvien illustrant la non-linéarité de la téléconnexion ENSO sur les précipitations dans cette région. Les pluies extrêmes ont un impact néfaste sur la population et les secteurs productifs en raison des inondations et des glissements de terrain qui s'ensuivent. Néanmoins, à ce jour, les patrons de circulation climatique clé de leurs évolutions et magnitudes différentes sont encore très peu connus. Dans cette thèse, nous montrons que les différentes configurations de précipitations lors de ces événements sont associées au transport de l'humidité provenant de différentes sources d'humidité à grande échelle. Lors des événements 1983-1998 (2016), ils sont respectivement liés à une forte (faible à modérée) humidité provenant du réchauffement du Pacifique (également mais aussi provenant de L'Atlantique via l'Amazonie). La caractéristique de ces transports d'humidité est due à une réponse atmosphérique opposée entre les événements de 1983-1998 (qui sont similaires) et l'événement de 2016 qui présente des patterns de transport d'humidité déphasés. Ces précipitations sont liées à l'humidité provenant de ces sources et la circulation atmosphérique régionale des vents de niveau supérieur (100 à 300 hPa) influe sur la quantité d'humidité qui pénètre dans la région Nord-Centre du versant Pacifique Péruvien. L'interaction de la circulation à grande échelle et régionale et le transport de l'humidité du Pacifique est expliqué par le mode Ep qui est associé à des précipitations dans la région Centre-Nord. La forte dispersion des précipitations dans les régions montagneuses est expliquée par le mode Cp pendant les phénomènes El Niño modérés (extrêmes) et est liée au transport d'humidité de niveau moyen-bas (haut) de l'Amazonie (Pacifique) atteignant les hautes terres. / Four strong El Niño events took place within the last five decades (1972/1973, 1982/1983, 1997/1998 and 2015/2016) recorded as strong in the Niño 3.4 region. They can exhibit significant differences in their evolution associated with a distinct rainfall anomaly evolution along the PPB (Peruvian Pacific Basin), which illustrates the strong nonlinearity of the ENSO teleconnection on the rainfall in this area. These extreme rainfalls have harmful impacts on the population and productive sectors due to floods and landslides which are trigged by them. Yet the key climatic circulation pattern for their different evolution and magnitude are still unknown. Here we show that different rainfall patterns during these events are associated with moisture transport originated from different large-scale moisture sources. For example, in the 1983 -1998 (2016) events appear as related with strong (weak to moderate) moisture coming from the Pacific warming (also coming from Atlantic Ocean through the Amazon basin). Characteristic of these moisture transports is due to an atmospheric response opposite between the 1983-1998 events (that are similar) and 2016 event experiencing out-of-phase moisture transport patterns. Although these rainfalls are linked to the moisture arrival from those sources, the moisture amount entering the PPB can be also influenced by regional atmospheric circulation of upper level winds (100 to 300 hPa) leading to different enhanced moisture transport associated with different rainfall anomalies in the North-Centre PPB. The interplay of large-scale and regional circulation and Pacific moisture transport explains the Ep mode associated with rainfall in the north-Centre PPB. The high dispersion of rainfall in highlands (Cp mode) during the moderate (extremes) El Niño appears as linked to low-middle (high level) moisture transport from the Amazon (Pacific) reaching highlands.

Cette étude fondée sur l'analyse du cas des très fortes précipitations du 19 septembre 2000 qui s'est produit en région Provence-Alpes-Côte d'Azur et en particulier sur la région marseillaise a pour but d'anticiper à courte échéance les fortes pluies à partir de l'activité électrique.<br />La méthodologie mise en place permet, par une analyse statistique, d'une part de déterminer les trajectoires d'activité électrique et de précipitations (calcul des centres de gravité pondérés de chaque noyau de cellule), et d'autre part de les associer (à l'aide de requètes spatiales et temporelles au sein de S.I.G.) afin de déterminer des délais d'anticipation des fortes pluies. Les pluies estimées par le radar de Nîmes-Garons (réseau A.R.A.M.I.S.), les données des stations météorologiques, et l'activité électrique issue du système SAFIR sont intégrées dans un S.I.G. puis couplées à un modèle numérique de terrain sur le département des Bouches-du-Rhône. Le suivi des images radar et de l'activité électrique s'effectue au pas de temps de 5 minutes.<br />Nous avons observé dans notre étude des décalages temporels des pluies par rapport aux mesures des stations météorologiques. Ces résultats ont été intégrés dans différentes méthodes pour l'anticipation des pluies par l'activité électrique (mesure du décalage temporel entre les maximums, variance commune synchrone et asynchrone, délais de mise en place des orientations définitives des trajectoires). L'activité électrique (associée à une trajectoire de précipitations) permet, avec un délai de 15 à 20 minutes en moyenne, d'anticiper les maximums des précipitations de chaque épisode de pluies estimées par le radar. Les résultats bien que significatifs sont limités par le très faible échantillonnage disponible (quatre couples de trajectoires).<br />Les résultats de ce travail ouvrent un champ d'investigation important sur la méthodologie à mettre en place pour la quantification des délais d'anticipations des pluies exceptionnelles dans la région méditerranéenne ou ailleurs.

L'objectif de cette thèse était d'apporter une approche géophysique non linéaire à l'hydrologie urbaine. Elle a visé l'étude de la mise à l'échelle et de l'intermittence de la non-linéarité des précipitations, la réalisation d'une méthode de prévision stochastique à très court terme ("nowcast"), ainsi que son application aux processus hydrologiques dans les environnements (semi-) urbains. La partie modélisation hydrologique globale concerne la vallée de la Bièvre, zone semi-urbanisée de 110 km2 dans le sud-ouest de la région parisienne. Par conséquent, trois études différentes ont été réalisées dans cette zone à l'aide de deux modèles hydrologiques : le modèle conceptuel semi-distribué InfoWorks CS appliqué sur tout le bassin versant de Bièvre ; et le modèle physique complètement distribué Multi-Hydro, développé à l'École des Ponts ParisTech, appliqué sur deux sous-bassins versants de la Bièvre. Les principaux objectifs étaient de mieux comprendre les impacts de la variabilité spatio-temporelle des données pluviométriques en utilisant deux produits (les données radar bande-C de Météo-France avec une résolution de 1 km x 1 km x 5 min, et les données radar DPSRI band-X de l'ENPC à une résolution de 250 m x 250 m x 3.41 min) comme entrées pour les modèles, et d'identifier les capacités de chaque modèle pour traiter des données à une meilleur résolution, telles que la bande-X. Ensuite, les résultats obtenus démontrent que la fiabilité des simulations hydrologiques dépend intrinsèquement des caractéristiques des données pluviométriques. De plus, les données du radar bande-X pourraient mesurer des pics de précipitations plus élevés et le modèle complètement distribué était plus sensible à une meilleure résolution des données pluviométriques. Par la suite, des données de pluie provenant des radars météorologiques situés à des endroits complètement différents (Brésil, France, Japon) ont été analysées et comparées statistiquement afin d'améliorer la compréhension générale du comportement scalant des précipitations. De plus, le théorème d'intersection a été appliqué pour mettre en évidence les impacts de la variabilité spatiale d'un réseau virtuel de pluviomètres, qui a été généré en considérant l'emplacement des centres de masse de chaque sous-bassin versant de la vallée de la Bièvre. Ainsi, il a été possible d'identifier que la fractalité du réseau virtuel a conduit à une perte d'information importante des champs de pluie, biaisant leurs statistiques. Cela indique que le processus commun (largement retrouvé dans la littérature) de calibration des données radar à l'aide de pluviomètres devrait correctement prendre en compte cette fractalité. Enfin, une nouvelle approche de prévision stochastique immédiate a été proposée, à l'aide du modèle des multifractals universels (UM) en cascades continues. Cette méthode a été appliquée aux données des radars pluviométriques de la région amazonienne brésilienne et de Paris. Bien qu'il soit encore en développement et nécessite quelques améliorations, les premiers résultats obtenus avec ce modèle de prévision présenté ici sont vraiment encourageants et corroborent une fois de plus le besoin de données à haute résolution spatio-temporelle pour faire face aux crues soudaines / The focus of this thesis was to bring a nonlinear geophysical approach to urban hydrology. It aimed the study of rainfall non-linearity scaling and intermittency, achieving a stochastic very short-range forecast (nowcast) method, as well as its application to hydrological processes in (semi-) urban environments. The overall hydrological modelling part concerned the Bièvre Valley, which is a 110 km2 semi-urbanized area in the southwest of Paris region. Therefore, three different studies were performed within this area using two hydrological models: the conceptually-based semi-distributed model InfoWorks CS over the total Bièvre catchment, and the physically-based fully-distributed model developed at École des Ponts ParisTech called Multi-Hydro over two sub-catchments. The main goals were to better understand the impacts of spatio-temporal variability of rainfall data by using two products (the Météo-France C-band radar data with a resolution of 1 km x 1 km x 5 min; and the ENPC DPSRI X-band radar data at a 250 m x 250 m x 3.41 min resolution) as input to the models, and to identify the capacities of each model to deal with better resolution data, such as the X-band one. Then, the obtained results demonstrate that the reliability of the hydrological simulations are intrinsically dependent on rainfall data features. Moreover, the X-band radar data could measure higher peaks of rainfall rates and the fully-distributed model was more sensitive to better resolution rainfall data. Afterwards, different weather rainfall radar data from completely different sites (Brazil, France, Japan) were statistically analysed and compared in order to improve the general comprehension of rainfall scaling behaviour. In addition, the Intersection Theorem was applied to highlight the impacts of spatial variability of a virtual rain gauge network. The latter was generated by considering the location of each Bièvre Valley sub-catchment mass centre. Thus, it was possible to identify that the fractality of the virtual network led to an important information loss of the rainfall fields, biasing their statistics. This indicates that the common process (largely found in literature) of radar data calibration using rain gauges should be properly take into account this fractality. Finally, a new stochastic nowcast approach was proposed, using the continuous in scale cascade Universal Multifractals (UM) model. This method was applied to weather rainfall radar data from the Brazilian Amazon region and Paris. Although it is still under development and needs some improvements, the first results obtained with this forecast model presented here in this thesis are really encouraging and once more corroborate to the need of high spatio-temporal resolution data to cope flash floods

Les précipitations ont une très grande variabilité sur une large gamme d'échelles tant spatiale que temporelle. Cette variabilité est une source importante d'incertitude pour la mesure, les applications et la modélisation, et au-delà pour la simulation et la prévision. De plus, les précipitations sont des processus extrêmement intermittents et possèdent plusieurs régimes d’invariance d’échelle. Le générateur de champ précipitant développé au cours de la thèse est basé sur la modélisation statistique de l’hétérogénéité et de l’intermittence des précipitations à fine échelle. L’originalité de la modélisation repose en partie sur l’analyse de données observées par un disdromètre à très fine résolution. Cette modélisation qui diffère des modèles existants dont la résolution est plutôt de l’ordre de la minute, voire de l’heure ou du jour, permet d’obtenir des simulations dont les propriétés sont réalistes sur une large gamme d’échelle. Ce simulateur permet de produire des séries chronologiques dont les caractéristiques statistiques sont similaires aux observations aussi bien à l’échelle de simulation (15s) qu’après dégradation (1h et 1 jour). Les propriétés multi-échelles du simulateur sont obtenues grâce à une approche hybride qui repose sur une simulation à fine échelle des évènements de pluie par un générateur multifractal associé à une simulation du support basée sur une hypothèse de type Poissonienne. Une étape de re-normalisation des taux de pluie assure l’adaptation du générateur à la zone climatique considérée.Le simulateur permet la génération de cartes 2D de lames d’eau. La méthodologie développée pour les séries chronologiques est étendue au cas 2D. Le simulateur stochastique multi-échelle 2D ainsi développé reproduit les caractéristiques géostatistiques et topologiques à la résolution de 1x1 km2. Ce générateur est utilisé dans le cadre d’une étude de faisabilité d’un nouveau système d’observation des précipitations en milieu urbain. Le principe de ce système repose sur l’utilisation de mesures opportunistes de l’affaiblissement subit par les ondes radios émises par les satellites géostationnaires TV-SAT dans la bande 10.7-12.7 GHz. De façon plus spécifique on suppose que les terminaux de réception TVSAT installés en ville chez les particuliers sont capables de mesurer de tels affaiblissements. A ce stade de l’étude nous ne disposons pas de telles observations. L’étude s’appuie donc sur des cartes de précipitations issues du générateur 2D et d’un réseau de capteur hypothétique. Le système d’observation envisagé permettra d’estimer les champs de précipitation (30x30 Km2) et avec une résolution spatiale de 0.5x0.5 Km2. / Precipitations are highly variable across a wide range of both spatial and temporal scales. This variability is a major source of uncertainty for the measurement and modeling, also for the simulation and prediction. Moreover, rainfall is an extremely intermittent process with multiple scale invariance regimes. The rain-field generator developed during the thesis is based on the fine-scale statistic modeling of rain by the mean of its heterogeneity and intermittency. The modeling originality partially rest on the analysis of fine-scale disdrometer data. This model differs from other existing models whose resolution is roughly a minute or even an hour or a day. It provides simulations with realistic properties across a wide range ofscales. This simulator produces time series with statistical characteristics almost identical to the observations both at the 15s resolution and, after degradation, at hourly or daily resolutions. The multi-scale properties of our simulator are obtained through a hybrid approach that relies on a fine scale simulation of rain events using a multifractal generator associated with a rain support simulation based on a Poissonian-type hypothesis. A final re-normalization step of the rain rate is added in order to adapt the generator to the relevant climate area. The simulator allows the generation of 2D water-sheets. The methodology developed in the first part is extended to the 2 Dimension case. The multi-scale 2D stochastic simulator thus developed can reproduce geostatistical and topological characteristics at the spatial resolution of 1x1 km2.This generator is used in the scope of the feasability study of a new observation system for urban area. The principle of this system is based on the opportunistic use of attenuation measurements provided by geostationary TV satellites which radio waves lay in the 10.7 to 12.7 GHz bandwidth. More specifically it is assumed that the SAT-TV reception terminals installed in private homes are able to measure such attenuations. At this stage of the study we do not have such observations. The study is therefore based on rainfall maps generated using the 2D generator in addition to a hypothetical sensor network. The considered observation system will allow to estimate precipitation fields (30 x 30 km2) with a spatial resolution of 0.5x0.5 km2.

Résumé : Le bilan d’énergie de la Terre est largement influencé par la variation de l’albédo de surface (fraction de l'énergie solaire réfléchie par une surface). Ces variations sont modifiées par la présence, l’épaisseur et les propriétés physiques de la neige. Le réchauffement climatique observé a un impact significatif sur l'évolution du couvert nival, ce qui influence grandement l'albédo de surface, et en retour modifie le climat. Malgré l’importance de l’albédo de surface, plusieurs modèles calculent l’albédo de manière empirique, ce qui peut entraîner des biais significatifs entre les simulations et les observations selon les surfaces étudiées. Le schéma de surface canadien, Canadian Land Surface Scheme, CLASS (utilisé au Canada dans les modèles climatiques Global Climate Model et Modèle Régional Canadien du Climat), modélise l’évolution spatiale et temporelle des propriétés de la neige, dont l'albédo. L’albédo de CLASS est calculé selon la hauteur et l’âge (métamorphisme) de la neige au sol, et selon l’accumulation de la neige sur la canopée. Les objectifs de ce travail sont d’analyser le comportement de l’albédo (simulé et mesuré) et d’améliorer le paramétrage de l’albédo de surface pendant l’hiver sur des régions à l’est du Canada. Plus précisément, le comportement de l’albédo a été étudié par l’analyse de la sensibilité de CLASS 3.6 aux paramètres prescrits (paramètres qui sont utilisés dans les calculs du modèle dont les valeurs sont fixes et définies empiriquement). En plus de l’analyse des variations temporelles de l’albédo en fonction des conditions météorologiques pour les terrains de végétation basse (noté "gazon") et de conifères. Aussi, l’amélioration du paramétrage a été tentée en optimisant (pour le gazon et les conifères) ou en modifiant (pour le gazon) les calculs considérant les paramètres prescrits dont l’albédo de CLASS est sensible. En premier lieu, nous avons montré que la sensibilité de l’albédo de CLASS en terrain de gazon dépend grandement du seuil du taux de précipitation nécessaire pour que l’albédo soit actualisé (à sa valeur maximale) dans le modèle. Faire varier ce seuil entraîne que les simulations quotidiennes d’albédo de surface enneigées vont s’étaler en majorité entre 0.62 à 0.8 (supérieur à l’étalement normalement simulé). Le modèle est aussi sensible à la valeur d’actualisation de l’albédo dont la variation entraîne que l’albédo enneigé quotidien peut s’étaler de jusqu’à 0.48 à 0.9. En milieu forestier (conifères), le modèle est peu sensible aux paramètres prescrits étudiés. La comparaison entre les albédos simulés et les mesures au sol montrent une sous-estimation du modèle de -0.032 (4.3 %) à SIRENE (gazon au sud du Québec), de -0.027 (3.4 %) à Goose-Bay (gazon en site arctique) et de -0.075 (27.1 %) à la Baie-James (forêt boréale). Lorsque comparée avec les données MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) la sous-estimation du modèle à la Baie-James est de -0.011 (5.2 %). On montre que la valeur de l'albédo mesurée lors des précipitations de neige à Goose Bay est en moyenne supérieure à la valeur d'actualisation de l'albédo dans le modèle (0.896 par rapport 0.84), ce qui peut expliquer la sous-estimation. En forêt, un des problèmes provient de la faible valeur de l'albédo de la végétation enneigée (ajout de 0.17 dans le visible), tandis que l’albédo de surface mesuré peut être augmenté de 0.37 (par rapport à la végétation sans neige). Aussi, l’albédo de la neige sur la canopée ne diminue pas avec le temps contrairement à ce qui est observé. En second lieu, nous avons tenté d’améliorer le paramétrage, en optimisant des paramètres prescrits (aucune amélioration significative n’est obtenue) et en modifiant la valeur d'actualisation de l’albédo de la neige en zone de gazon. Cette valeur, normalement fixe, a été rendue variable selon la température et le taux de précipitations. Les résultats démontrent que les modifications n’apportent pas d'améliorations significatives de la RMSE (Root Mean Square Error) entre les simulations et les mesures d’albédo. Les modifications sont toutefois pertinentes pour ajouter de la variabilité aux fortes valeurs d’albédo simulées ainsi que pour améliorer la compréhension du comportement des simulations d’albédo. Aussi, la méthodologie peut être reproduite pour d’autres études qui veulent étudier la représentativité et améliorer les simulations d’un modèle. / Abstract : The surface energy balance of northern regions is closely linked to surface albedo (fraction of solar radiation reflected by a surface) variations. These variations are strongly influenced by the presence, depth and physical properties of the snowpack. Climate change affects significantly snow cover evolution, and decreases surface albedo and snow albedo with positive feedback to climate. Despite the importance of the albedo, many models empirically compute it, which can induce significant biases with albedo observations depending on studied surfaces. The Canadian Land Surface Scheme, CLASS (used in Canada into the Canadian Regional Climate Model, and the Global Climate Model), simulates the spatial and temporal evolution of snow state variables including the albedo. The albedo is computed according to the depth of snow on the ground as well as the accumulation of snow in trees. The albedo seasonal evolution for snow on ground is estimated in CLASS from an empirical aging expression with time and temperature and a “refresh” based on a threshold of snowfall depth. The seasonal evolution of snow on canopy is estimated from an interception expression with trees type and snowfall density and an empirical expression for unloading rate with time. The objectives of this project are to analyse albedo behavior (simulated and measured) and to improve CLASS simulations in winter for Eastern Canada. To do so, sensitivity test were performed on prescribed parameters (parameters that are used in CLASS computation, their values are fixed, and determined empirically). Also, albedo evolution with time and meteorological conditions were analysed for grass and coniferous terrain. Finally, we tried to improve simulations by optimizing sensitive prescribed parameters for grass and coniferous terrain, and by modifying the refresh albedo value for grass terrain. First, we analysed albedo evolution and modelling biases. Grass terrain showed strong sensitivity to the precipitation rate threshold (for the albedo to refresh to its maximum value), and to the value of the albedo refresh. Both are affected by input data of precipitation rate and phase. The modification of precipitation threshold rate generates daily surface albedo to vary mainly (75 % of data in winter) between 0.62 and 0.8, which is a greater fluctuation than for a normal simulation over winter. The modification of the albedo refresh value generates surface albedo to vary mainly (75 %) between 0.66 and 0.79, but with extreme values, 25 % of data, from 0.48 to 0.9. Coniferous areas showed small sensitivity to studied prescribed parameters. Also, comparisons were made between simulated and measured mean albedo during winter. CLASS underestimates the albedo by -0.032 (4.3 %) at SIRENE (grass in Southern Quebec), by -0.027 (3.4 %) at Goose Bay (grass in arctic site) and by -0.075 (27.1 %) at James Bay (boreal forest) (or -0.011 (5.2 %) compared to MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) data). A modelling issue in grass terrain is the small and steady maximum albedo value (0.84) compared to measured data in arctic condition (0.896 with variation of an order of 0.09 at Goose Bay, or 0.826 at SIRENE with warmer temperatures). In forested areas, a modelling issue is the small albedo increase (+0.17 in the visible range, +0.04 in NIR) for the part of the vegetation that is covered by snow (total surface albedo gets to a maximum of 0.22) compared to events of high surface albedo (0.4). Another bias comes from the albedo value of the snow trapped on canopy which does not decrease with time in opposition to observed surface albedo which is lower at the end of winter and which suggests snow metamorphism occurred. Secondly, we tried to improve simulations by optimizing prescribed parameters and by modifying the albedo’s maximum value computation. Optimisations were made on sensitive prescribed parameters or on those that seemed unsuited. No significant RMSE (Root Mean Square Error) improvements were obtained from optimisations in both grass and coniferous area. Improvements of albedo simulations were tried by adjusting the maximum value (normally fixed) with temperature and precipitation rate, in grass terrain. Results show that these modifications did not significantly improved simulations’ RMSE. Nevertheless, the latter modification improved the correlation between simulated and measured albedo. These statistics were made with the whole dataset which can reduce the impact of modifications (they were mainly affecting albedo during a precipitation event), but it allows to overview the new model performance. Modifications also added variability to maximum values (closer to observed albedo) and they increased our knowledge on surface albedo behavior (simulated and measured). The methodology is also replicable for other studies that would aim to analyse and improve simulations of a surface model.

L'interaction du vent solaire avec le champ magnétique terrestre crée dans la magnétosphère un champ électrique qui induit un déplacement (ou convection) du plasma de la queue magnétosphérique vers la Terre. Au cours de ce mouvement les particules magnétosph ériques interagissent avec la composante ionisée de la haute atmosphère de la Terre qu'on appelle ionosphère. Elles modifient les propriétés électriques du milieu conducteur ionosphérique, en particulier la distribution du champ électrique responsable de la convection magnétosphérique. Le Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements dispose d'un modèle numérique décrivant de manière autocohérente la convection magnétosphérique et ses couplages avec l'ionosph` ere. Nous avons modifié ce code afin : <br />1) d'y inclure les effets des asymétries entre les deux hémisphères Nord et Sud de la Terre liées à l'éclairement solaire <br />2) de remplacer le modèle de champ magnétique dipolaire utilisé jusqu'à présent par un modèle plus proche des observations. Les premiers résultats obtenus montrent que les asymétries inter-hémisphériques ont un effet considérable sur la dynamique du plasma ionosphérique mais que la magnétosphère y est relativement insensible. Ils montrent également qu'une topologie de champ magnétique différente de celle d'un dipôle est nécessaire pour reproduire les observations.