L'augmentation artificielle de la couche stratosphérique d'aérosol de sulfate a été proposée comme méthode pour réduire le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Dans cette thèse, nous présentons un modèle global atmosphère-aérosol nouvellement développé, évaluons sa performance par rapport aux observations et l'appliquons pour étudier l'efficacité et les impacts de cette forme possible d'ingénierie climatique. Nous trouvons que l'effet de refroidissement réalisable par unité de masse de soufre injectée peut diminuer de façon plus drastique qu'estimé précédemment pour des taux d'injection élevés et que des injections à plus haute altitude ou dans des régions plus grandes n'entraînent pas un refroidissement plus fort. L'efficacité de la méthode pourrait donc être plutôt limitée, tout au moins dans les cas d'injections tropicales de dioxyde de soufre que nous avons modélisées. Par ailleurs, il existe plusieurs effets secondaires potentiellement nocifs, tels que le chauffage stratosphérique dû à l'absorption de rayonnement par l'aérosol provoquant de fortes perturbations dans la dynamique atmosphérique, la composition chimique de la stratosphère et les nuages hauts. Enfin, nous trouvons que les effets radiatifs de l'injection d'aérosol stratosphérique et de l'éclaircissement des nuages marins, une autre technique de géo-ingénierie proposée, seraient largement additifs et complémentaires lors de leur application parallèle. Cela pourrait permettre de concevoir un port-folio d'approches pour atteindre des objectifs climatiques spécifiques et réduire les effets secondaires indésirables de l'ingénierie climatique. / The enhancement of the stratospheric sulphate aerosol layer has been proposed as a method to abate the global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions. In this thesis we present a newly developed global atmosphere-aerosol model, evaluate its performance against observations, and apply it to study the effectiveness and impacts of this possible form of climate engineering. We find that the achievable cooling effect per injected sulphur mass unit may decrease more drastically for larger injections than previously estimated and that injections at higher altitude or over larger areas do not result in a stronger cooling. The effectiveness of the method may therefore be rather limited, at least when using tropical injections of sulphur dioxide as in our model experiments. In addition, there are several potentially harmful side effects, such as stratospheric heating due to absorption of radiation by the aerosol causing strong perturbations in atmospheric dynamics, composition, and high-level clouds. Furthermore, we find that the radiative effects of stratospheric aerosol injection and marine cloud brightening, another proposed geoengineering technique, would be largely additive and complementary when applying them together. This might allow the design of portfolio approaches to achieve specific climate goals and reduce unintended side effects of climate engineering.

Dans cette thèse, nous concevons et appliquons un système d'assimilation de données pour l'estimation des sources de poussières désertiques à l'échelle régionale. Nous assimilons des données d'épaisseur optique des aérosols à partir de produits satellitaires dans une configuration régionale d'un modèle de circulation générale, couplé à un modèle d'aérosol et à un module de production de poussières. Le vecteur de contrôle dans le système d'assimilation est composé des facteurs de correction pour les émissions obtenues par l'ébauche du module de production de poussières. Nous concentrons nos inversions sur l'Afrique du Nord et la péninsule arabique pour une période d'un an. Nous décrivons le module de production de poussières et le système d'assimilation. Les résultats de l'inversion et la validation par rapport à des mesures indépendantes sont ensuite présentés en détail. Nous poursuivons cette thèse en mettant l'accent sur la sensibilité des émissions de poussières au jeu de données d'observation. Pour cela, nous avons assimilé cinq produits différents d'épaisseur optique d'aérosols dans notre système d'assimilation de données. Nous avons identifié des erreurs systématiques dans le modèle et dans les observations, ainsi que les limites et les avantages de notre approche. Nous avons accordé une attention particulière à la définition des statistiques d'erreur et à la procédure numérique pour calculer les analyses. Nous proposons et mettons en oeuvre un schéma de correction de biais dans l'espace des observations, et nous évaluons sa performance. / In this thesis we design and apply a data assimilation system for the estimation of mineral dust emission fluxes at the regional scale. We assimilate aerosol optical depth retrievals from satellite-borned instruments in a regional configuration of a general circulation model, coupled to an aerosol model and to a dust production module. The control variable in the assimilation system are correction factors for the prior emissions of the dust production module. We focus our inversions over North Africa and the Arabian Peninsula for a one-year period. We describe the dust production module and the assimilation system. The inversion results and the validation against independent measurements is presented in detail. We continue this thesis with a focus on the sensitivity of the inferred dust emissions with respect to the observational dataset assimilated. For this purpose, we have assimilated five different aerosol optical depth retrievals in our data assimilation system. We have identified systematic errors in the model, in the observations and limitations and advantages of our approach. We have given special attention to the definition of the error statistics and the numerical procedure to compute the analyses. We propose and implement a bias correction scheme in the observational space, and we evaluate its performance.