Cette thèse s'intéresse aux liens entre l'évolution du contenu en eau de l'atmosphère et la formation des précipitations. L'objectif général des travaux qui y sont présentés est d'améliorer la compréhension des mécanismes de formation des précipitations en se basant sur des mesures de vapeur d’eau effectuées principalement par GPS. Une étude statistique originale effectuée à partir de 5 années de mesures (GPS, pluviomètre et capteurs météorologiques au sol, situés sur le campus des Cézeaux, Clermont-Ferrand) a permis de mettre en évidence qu'en moyenne l'augmentation du contenu intégré en vapeur d'eau (IWV) est un précurseur de la formation des pluies, et que les variations de l'humidité dans la colonne atmosphérique toute entière sont pour l'essentiel découplées de celles observées à la surface. En effet, contrairement à l'humidité au sol, l'IWV atteint son maximum en moyenne 20 minutes avant le pic de précipitations. Cela semble indiquer que lorsque les précipitations commencent la condensation devient prépondérante à l'échelle de la colonne atmosphérique toute entière tandis qu'au niveau du sol il y a une forte évaporation. L'étude détaillée des précipitations convectives qui se sont produites sous le vent des Vosges le 18 Juillet 2007 (période d'observation intensive 9a de la campagne Convective and Orographically- induced Precipitation Study - COPS), a permis de mettre en évidence l'apport essentiel du GPS pour l'étude des précipitations convectives dans une région de moyenne montagne. En effet, grâce à une utilisation combinée de mesures radar à haute résolution, d'analyses de surface et de stations GPS (permettant d’observer des structures du champ de vapeur d’eau à petite échelle et haute résolution temporelle, à 2D et 3D), nous avons montré que l'accumulation d'humidité précédait de plusieurs heures l'initiation de la convection et que le déclenchement convectif est favorisé par la convergence du flux d'humidité. Cette dernière est associée à une convergence du vent dans les basses couches, ce qui entraîne un important transport vertical de la vapeur d'eau, observé grâce à la tomographie GPS. La direction du vent en amont du relief s'est révélée contrôler pour beaucoup la localisation des zones de convergence. Le forçage local dû à l'orographie à petite échelle (< 5km) a également été mis en évidence, en complétant les observations par des résultats de simulations numériques à haute résolution. / This thesis focuses on the links between the evolution of atmospheric water vapour content and precipitation formation. The general goal of the works presented is to improve the understanding of the precipitation formation mechanisms using water vapour measurements, primarily made by GPS. An original statistical study based on 5 years of data (from GPS, rain gauge, and other meteorological probes collocated on a platform in Clermont-Ferrand, France) shows that the increase of integrated water vapour amount (IWV) is, on average, a precursor for rain formation. We also show that the IWV evolution is primarily disconnected from the variations in water vapour mixing ratio measured at the surface. Indeed, unlike moisture at the surface, the IWV reaches its maximum on average 20 minutes before the precipitation peak. This could indicate that the condensation dominates in the whole column, while at the surface there is a strong evaporation. The detailed study of convective precipitations which occurred on 18th of July 2007 (Intensive Operation Period 9a of the Convective and Orographically- induced Precipitation Study COPS) on the lee side of the Vosges Mountains shows the significant contribution of GPS measurement for the study of convective precipitations in mountainous areas. Indeed, Thanks to a synergic use of radars, surface meteorological analysis and GPS receivers (which allow the observation of small scale water vapour field features, with a high temporal resolution), we show that the moisture accumulation occurs several hours before convective initiation and we also show that the triggering of the convection is favoured by moisture flux convergence (MFC). This MFC is associated with surface wind convergence leading to a substantial vertical transport of water vapour, which is observed by the GPS tomography. The wind direction on the windward side of the mountains appears to control the location of this convergence zone. The role of local forcing due to small scale orography (< 5km) is also shown, complementing the observations by the results from high resolution numerical model simulations.

L'évaluation de l'incertitude associée à la prévision numérique du temps à haute résolution, et en particulier l'estimation de la prévisibilité des événements de fortes précipitations en région méditerranéenne, sont les objectifs de ce travail de thèse. Nous avons procédé à l'étude de quatre sources d'incertitude contrôlant la prévisibilité de ces événements : la description des conditions d'échelle synoptique, la représentation des conditions atmosphériques à méso-échelle (notamment le flux de basses couches alimentant le système convectif), le rôle de processus physiques complexes tels que l'établissement d'une plage froide sous orage, et enfin la définition des conditions de surface. Pour quantifier l'impact de ces différentes sources d'incertitude, nous avons opté pour la méthode des prévisions d'ensemble avec le modèle AROME. Chaque source d'incertitude est étudiée individuellement à travers la génération de perturbations pertinentes, et les ensembles ainsi obtenus sont évalués dans un premier temps pour des cas de fortes précipitations. Nous avons aussi procédé à une évaluation statistique du comportement des prévisions d'ensemble réalisées sur des périodes de prévision longues de deux à quatre semaines. Cette évaluation, ainsi que celle de systèmes de prévision d'ensemble échantillonnant plusieurs sources d'incertitude simultanément, permettent d'établir une hiérarchisation de ces sources d'incertitude et enfin quelques recommandations en vue de la mise en place d'un système de prévision d'ensemble à échelle convective opérationnel à Météo-France / This PhD thesis aims at quantifying the uncertainty of convection-permitting numerical weather forecasts, with a particular interest in the predictability of Mediterranean heavy precipitating events. Four uncertainty sources, which impact the predictability of these events, were investigated : the description of the synoptic-scale circulation, the representation of meso-scale atmospheric conditions (especially the low-level jet feeding the convective systems with moist and unstable air), the impact of complex physical processes such as the setting up of a cold pool, and the definition of surface conditions. To quantify the impact of these four uncertainty sources, the ensemble forecasting technique was chosen, using the AROME model. Each uncertainty source is studied separately through the definition of dedicated perturbations, and the resulting ensembles are first evaluated over heavy precipitation case studies. We then proceed to a statistical evaluation of the ensembles for 2- and 4-week long forecast periods. This evaluation, completed with the design of ensembles sampling several uncertainty sources together, allows us to draw some practical tips for the design of an operational convective scale ensemble forecasting system at Météo-France

L’étude du cycle de l’eau est d’une importance cruciale pour toutes les sociétés et plus particulièrement pour celles du pourtour méditerranéen qui souffrent à la fois de sécheresses en été et d’inondations dues à des événements de précipitations extrêmes survenant en automne et en hiver. La température est l’un des principaux facteurs qui gouvernent l’intensité maximale des précipitations via la relation de Clausius-Clapeyron (CC). Cette loi exprime la quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’atmosphère à une température donnée. À l’aide de simulations climatiques régionales et d’observations, nous avons montré que les relations température-précipitations extrêmes du bassin méditerranéen présentent une forme en crochet avec une augmentation des précipitations extrêmes proche de CC aux basses températures puis une augmentation moins forte (voire une diminution) aux hautes températures. Présents en grande quantité sur le pourtour méditerranéen, les aérosols absorbent et réfléchissent une partie du rayonnement, ce qui contribue à refroidir les basses couches de l’atmosphère. Par leur action sur la température de surface, les aérosols réduisent les précipitations. L’étude de simulations numériques montre également une modification de la relation température-précipitations par les aérosols (leur effet sur les nuages) dans la région euro-méditerranéenne. En plus de faire baisser le contenu en vapeur d'eau disponible, les aérosols stabilisent l’atmosphère en refroidissant davantage les basses couches de l’atmosphère par rapport aux couches supérieures. On étudie souvent la relation température-précipitations d’un climat donné dans le but de prédire l’évolution des précipitations dans un climat futur plus chaud. Cependant cette extrapolation suppose que la relation entre la température et les précipitations ne change pas entre le climat présent et le climat futur, une hypothèse qui s’avère fragile au vu de la sensibilité de cette relation au contenu en aérosols de l’atmosphère, mais aussi au vu du changement de la disponibilité en vapeur d’eau dans un climat futur. Au cours de cette thèse, nous avons ainsi montré que pour plusieurs stations côtières les projections dans le futur de plusieurs modèles de climat régionaux suggèrent que les précipitations extrêmes devraient augmenter proportionnellement à l’augmentation des températures selon la loi de CC. Un phénomène que nous n’avons pas pu observer pour des régions plus isolées de la mer et où l’afflux de vapeur d’eau serait moindre. / The study of the water cycle is of crucial importance for all societies and more particularly for those around the Mediterranean which suffer both from droughts in summer and floods due to extreme precipitation events occurring in the autumn and in winter. Temperature is one of the main factors that govern the maximum intensity of precipitation through the Clausius-Clapeyron (CC) relationship. This law expresses the maximum amount of water vapor that the atmosphere can contain at a given temperature. Using regional climate simulations and observations, we have shown that the temperature-precipitation extremes relationships of the Mediterranean basin have a hooked shape with an increase in extreme precipitation near CC at low temperatures and then a smaller increase (or even a decrease) at higher temperatures. Aerosols, which are present in large quantities around the Mediterranean, absorb and reflect part of the radiation, helping to cool the lower layers of the atmosphere. By their action on the surface temperature, aerosols reduce precipitation. The study of numerical simulations also shows a modification of the temperature-precipitation relationship by aerosols (their effect on clouds) in the Euro-Mediterranean region. In addition to the lowering the available water vapor content, aerosols stabilize the atmosphere by further cooling the lower layers of the atmosphere relatively to the upper layers. The temperature-precipitation relationship of a given climate is often studied in order to predict precipitation trends in a warmer future climate. However, this extrapolation assumes that the relationship between temperature and precipitation does not change between the present climate and the future climate, a hypothesis which proves to be fragile when looking at the sensitivity of this relationship to the aerosol content of the atmosphere, but also in view of the change in the availability of water vapor in a future climate. In this thesis, we have shown that for several coastal stations, projections in the future of several regional climate models suggest that extreme precipitation should increase in proportion to the temperature increases according to CC law. A phenomenon that we have not been able to observe for more isolated areas from the sea and where the influx of water vapor would be reduced.

Les chapitres 1 à 4 concernent l'Afrique, et essentiellement l'Afrique australe Chapitre 1 : Aspects spatiaux et saisonniers de la variabilité pluviométrique Excédents et déficits pluviométriques sont en priorité liés à des modifications de l'amplitude du régime pluviométrique saisonnier. La variabilité interannuelle s'inscrit dans un cadre spatial contraint par les régimes pluviométriques moyens. Néanmoins, certaines saisons sont plus propices au développement d'anomalies généralisées. Tel est le cas des short rains en Afrique de l'Est. Les anomalies pluviométriques majeures interviennent lors de la saison des pluies mais ne revêtent pas un caractère homogène. En Afrique du Sud, Octobre se distingue nettement, de par le signe de l'anomalie pluviométrique, de la suite de la saison des pluies. Chapitre 2 : Variabilité interannuelle En Afrique australe, les anomalies pluviométriques ont un impact sur la végétation d'autant plus important que l'on se situe en milieu steppique, milieu où les données satellites de type NDVI sont les mieux à même de rendre compte des excédents et déficits en pluies. Les anomalies pluviométriques d'Afrique australe sont très liées à l'océan Indien et à l'ENSO, mais relativement indépendantes de l'océan Atlantique tropical sud. La convection profonde témoigne de modifications dans le cadre de la circulation divergente est-ouest, sur l'océan Indien comme sur le Pacifique. Aux latitudes subtropicales les anomalies de la circulation atmosphérique observées simultanément dans le sud-ouest des bassins indien et atlantique modulent également la pluviométrie. Chapitre 3 : Variabilité décennale La relation existant entre les variations du niveau du lac Tanganyika et la pluviométrie sur le bassin versant met en évidence un changement d'échelle décennale. Depuis l'année 1961, on note une plus grande efficacité des pluies liée en partie à une installation plus précoce de la saison des pluies. Les structures spatiales de variabilité pluviométriques se sont modifiées dans les années soixante. En Afrique australe elles deviennent plus fortes. Ces éléments sont à mettre en relation avec le phénomène ENSO, plus fréquent et de plus forte amplitude ainsi qu'avec le réchauffement de l'océan Indien subtropical. Chapitre 4 : RSA : changements pluviométriques En Afrique du Sud, les cumuls pluviométriques ne sont marqués ni par des tendances ni par des ruptures. Mais la Province Est du Cap connaît depuis 1970 des événements pluvieux moins nombreux et plus intenses. Les stations concernées sont toutes situées sur les versants sud et est du Drakensberg. Pour le XXIe siècle, le MCG APREGE/OPA simule une diminution des précipitations, confirmée par un modèle statistique de désagrégation régionale s'appuyant sur la dynamique de l'atmosphère. Chapitre 5 : Dobroudja et Bourgogne Les précipitations de la Dobroudja roumaine connaissent un régime modulé par les contraintes géographiques (relief et distance à la mer). Plus encore ces éléments physiques influent sur les volumes via la pénétration du front de brises de mer. La qualité de l'air en Bourgogne s'est améliorée depuis 1993 en ce qui concerne les fumées noires et l'acidité forte. Néanmoins les concentrations en ozone sont et restent élevées. Des modèles statistiques de prévision des concentrations maximales pour le lendemain sont conçus pour être opérationnels et fournis aux réseaux de surveillance de la qualité de l'air de Bourgogne (ATMOSF'air).

Suite aux recommandations proposées par la communauté scientifique AMMA trois principaux objectifs étaient assignés à ce travail de recherche. Le premier était d'analyser les sorties directes des modèles de circulation générale de l'atmosphére utilisés dans le cadre du projet DEMETER. Le second était de proposer une nouvelle méthodologie de prévision des précipitations saisonnières au Sahel en utilisant les sorties directes des MCG les mieux simulées, c'est-à-dire celles relatives à la dynamique atmosphérique qui explique la pénétration de la mousson ouest africaine dans le continent, et, par conséquent, la pluie au Sahel pendant la saison de mousson d'été boréal. Le troisième objectif enfin, consistait à analyser et comparer les prévisions probabilistes issues du forum PRESAO et du projet ENSEMBLES. Pour répondre à ces objectifs, nous nous sommes appuyés sur 7 bases de données : 4 d'entre elles sont utilisées comme références (CRU, CMAP, réanalyses américaines -R1 et R2- et la TSM), les simulations (précipitations et dynamique atmosphérique) des projets européens DEMETER et ENSEMBLES et enfin les cartes numérisées du forum PRESAO. <br />Il est notamment démontré que <br />• L'approche statistico-dynamique permet d'améliorer nettement les scores obtenus directement à partir des pluies brutes des MCGs DEMETER puisqu'on atteint 40% de la variance totale expliquée (contre 10% pour DEMETER), les performances étant meilleures lorsque la dynamique atmosphérique simulée est utilisée.<br />• Le score du modèle moyen (MMEM) est très proche de ce que peut donner le meilleur MCG utilisé individuellement, cela quelle que soit la méthode utilisée (par indice ou par champs). Ceci montre qu'une approche multi-ensemble est plus performante qu'une approche multi-runs sur un modèle et que seule l'approche d'ensemble permet de retrouver dans les MCGs les téléconnexions responsables d'une bonne prévision de la pluie au Sahel.

Le bassin versant du lac de Mâle d'une superficie de 800 km² est situé en Mauritanie. Il est localisé dans la zone nord sahélienne et est sujet à une forte variabilité des précipitations annuelles de 150 à 350 mm.<br />L'idée générale de la thèse est de développer une nouvelle fonction de production reposant sur la topographie et sans aucune calibration. Nous supposons qu'il est possible de créer une fonction de production en prenant en compte la loi d'infiltratin déduite de mesures et par l'organisation de la microtopographie. Cette dernière présente un grand nombre de dépressions liées par micro-talwegs superficiels qui suivent la pente générale du bassin versant pour ensuite converger dans le réseau hydrographique.<br />L'objectif final est de simuler le volume d'eau ruisselé sur le bassin versant en fonction de chaque épisode pluvieux dans le but de gérer les réserves en eau stokées au niveau du barrage.

De par sa géométrie et sa situation géographique (2°N-13°N - 8°E-16°E ; ouverture sur l'océan Atlantique), le Cameroun offre l'avantage de proposer un ensemble représentatif des climats régionaux rencontrés en Afrique tropicale. La diminution des cumuls de précipitations enregistrée dans la région pendant la seconde moitié du XXe siècle, est associée à la récurrence de périodes anormalement sèches, essentiellement au coeur de la saison des pluies. Ces conditions ont amplifié la dégradation du couvert végétal au travers ses contraintes socioéconomiques et démographiques (déforestation, extension des surfaces d'activité). Les conséquences souvent dommageables de la variabilité climatique en général, et des sécheresses en particulier, sur les hommes et leurs activités suscitent l'intérêt de développer des études pour mieux comprendre comment le climat et les pressions naturelles et environnementales interagissent localement. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de diagnostiquer la variabilité multiéchelle (saisonnière, interannuelle, intra-saisonnière, synoptique) des précipitations et les relations qu'elle entretient avec le couvert végétal au sens large qui, à ces latitudes, est associé directement ou non, à la dynamique d'occupation et d'utilisation du sol, particulièrement sur la période 1951-2002. A partir de données de précipitations observées (CRU/ponctuelles), les modes spatiaux de la variabilité ont été définis aux échelles annuelles et interannuelles, par Analyses en Composante Principale (ACP) et la Classification Ascendante Hiérarchique (CAH). Ces méthodes de classifications ont permis de discriminer cinq zones climatiques, différentes les unes des autres par l'intensité des cumuls et la saisonnalité (unimodal/bimodal). Pour chaque zone, l'attention a été portée sur les paramètres intrasaisonniers qui modulent la variabilité annuelle telle que, les séquences sèches (nombre, longueur, périodes d'occurrence) et les variations des dates de début et de fin des périodes végétatives. La répartition du couvert végétal dans l'espace et dans le temps (1982-2002) a été étudiée, en utilisant des méthodes de classification non supervisée (ISODATA) sur les données de NDVI (Normalized Difference Vegetation index) à 8km de résolution. Enfin, des méthodes statistiques et de télédétection ont permis d'évaluer l'impact des facteurs pluviométriques et anthropogéniques (croissance démographique et utilisation du sol) sur la dynamique du couvert végétal en utilisant des bases de données à plus fine résolution (NDVI/1Km ; Global Land Cover (GLC 2000/1Km)). Ces dernières investigations ont été menées dans le Nord-Cameroun (6°N-13°N - 11°E-16°E), qui est la région la plus sensible des points de vue climatique, économique et environnemental.

Les particules d'aérosols tiennent une position centrale dans la formation des nuages. La description détaillée de l'interaction entre les particules d'aérosols et les nuages réalisée dans une dynamique tridimensionnelle est essentielle. Le modèle de nuage chaud à microphysique détaillée DESCAM est modifié pour permettre son couplage à la dynamique tridimensionnelle du modèle méso-échelle de Clark. DESCAM-3D est ensuite évalué dans le cadre de deux formations nuageuses. D'abord, l'impact sur les précipitations d'une pollution est étudié lors de simulations idéalisées réalisées sur le relief des Cévennes en France. Les résultats montrent qu'une atmosphère riche en noyaux de condensation ralentit considérablement la dynamique convective et réduit la formation de la pluie. Ensuite, le modèle couplé a été évalué à l'aide des mesures de l'expérience ACE-2. Il a montré un accord satisfaisant avec les observations et a aussi mis en évidence l'impact de la pollution sur le champ nuageux.

Les précipitations résultent d'un phénomène atmosphérique caractérisé par une variabilité spatiale et temporelle forte. Cette variabilité dans la distribution des pluies et des évènements intenses a des impacts en hydrologie de surface variés selon les régions du monde. Toute modification du climat tropical est associée à une modification du cycle de l'eau et de l'énergie dans ces régions. Dans un contexte de changement climatique, il est donc important de développer des outils permettant d'estimer quantitativement les précipitations, à l'échelle du globe, à la fois sur les surfaces continentales et les surfaces océaniques. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à l'observation des précipitations depuis l'espace. En effet, la mesure des pluies nécessite une densité d'observations élevée qui, sur l'ensemble des Tropiques, n'est accessible qu'à partir d'observations spatiales. Depuis plusieurs décades, les moyens satellitaires à disposition ont beaucoup évolué et offrent aujourd'hui une densité d'observations de plus en plus fortes. Grâce aux nouvelles missions déployées telles que Megha-Tropiques au sein de la future constellation GPM (Global Precipitation Measurement), on a accès à un ensemble de systèmes d'observations qui amène à une densité accrue d'observations spatiales. L'estimation quantitative des précipitations n'était possible qu'à l'échelle mensuelle, il est maintenant envisageable d'estimer la pluie par satellite à des échelles de temps de plus en plus fines. Cette thèse s'intéresse aux échelles 1 ̊/1-jour, échelle clé pour les études météorologiques et hydrologiques. Il existe un large spectre de méthodes d'estimation de précipitations par satellite, de qualité inégale. Dans un premier temps, une analyse des produits issus des développements les plus récents montre que leur qualité a atteint un degré suffisant pour être utilisé de manière quantitative aux échelles de temps pertinentes en météorologie. Il apparaît également qu'à ces échelles de temps, il est nécessaire d'utiliser les estimations de cumuls de précipitations conjointement avec leurs barres d'erreurs. Une nouvelle méthode d'estimations de précipitations sur l'ensemble de la ceinture tropicale, appelée TAPEER (Tropical Amount of Precipitation with an Estimate of ERrors), est donc développée dans le but d'estimer des cumuls de pluie et leurs erreurs associées à l'échelle 1 ̊/1-jour. Cette approche est fondée sur une méthode de fusion de données de l'imagerie Infrarouge d'une constellation de satellites géostationnaires et d'estimations de taux de pluie issues de radiomètres Micro-ondes d'une constellation de satellites défilant. Des techniques de modélisations sont mises en oeuvre afin d'associer une erreur aux cumuls de pluie produits. Une investigation détaillée du bilan d'erreur de la méthode TAPEER montre que les sources principales d'incertitudes sont liées à l'échantillonnage et aux biais systématiques sur les taux de pluie d'intensité moyenne. Une étude sur l'été 2009 révèle l'importance de l'utilisation de la barre d'erreur dans l'analyse de la distribution des pluies, en particulier pour les plus forts cumuls sur la ceinture tropicale.

L'objectif du satellite européen SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), lancé le 02 novembre 2009, est de mesurer, par radiométrie en bande L, la salinité de surface des océans (SSS) et l'humidité des sols. Pour atteindre une précision de 0.1 – 0.2 pss sur des cartes de SSS moyennées sur 10 jours et sur 200 km x 200 km, une phase d'étalonnage et de validation des mesures doit être réalisée. Une des techniques retenues est la comparaison entre des salinités in situ, mesurées à plusieurs mètres de profondeur et les salinités SMOS, représentatives du premier centimètre sous la surface océanique. Cette différence verticale peut engendrer des biais de salinité importants, notamment en cas de fortes précipitations. Ce travail, réalisé en collaboration avec le LOCEAN et ACRI-St, se concentre sur la variabilité verticale de la salinité dans les 10 premiers mètres de la couche de surface océanique et sur ses conséquences pour la phase d'étalonnage/ validation de SMOS. Il propose, à partir de mesures in situ, une description des différences verticales de salinité sur l'ensemble des zones océaniques tropicales (30°N – 30°S). Une étude statistique de la relation entre ces différences verticales et un paramètre de pluie, construit à partir des mesures satellitaires de taux de précipitation est également effectuée. Enfin,pour combler le manque de salinités in situ proches de la surface, la possibilité d'utiliser des modèles théoriques pour simuler les différences verticales de salinité en cas de pluie a été étudiée. Les modèles utilisés sont le modèle de circulation océanique NEMO et le modèle unidimensionnel PWP ([Price et al., 1986]) qui calcule la profondeur de la couche de mélange.