The climate of West Africa is characterised by a monsoonal system that brings rainfall onto the subcontinent during an annual rainy season. From the late 60's to the mid-90's, rainfall levels significantly below average were observed, which brought severe socio-economic implications. The causes of the uncharacteristically long drought period, and indeed the mechanisms underpinning West African climate were poorly understood at the time, but have since attracted growing attention from the scientific community. Amongst the factors identified as critical is the interaction between the Earth surface and the atmosphere. To investigate these interactions over West Africa we have adopted an approach based upon regional climate modelling, an internationally recognised discipline enabling the representation of past and future climates, and the study of specific meteorological mechanisms. Using the regional climate model MAR, we have carried out simulations of the West African climate for the years 1986, 1987, and 1988. To improve the accuracy with which the model represents the biosphere, a new dataset describing the local vegetation was incorporated and a new scheme for the representation of roots implemented. A measure of the internal variability inherent to all results produced with this, and other such models, was determined. Subsequently, the influence of soil moisture anomalies on the model behaviour was investigated. The latest version of the model was validated by comparing it to observational data for selected years. Our results have prooven the ability of the improved MAR to simulate the West African climate, its monsoon and its spatial and temporal behaviour and provide strong evidence of its suitability for further investigation of the surface-atmosphere interactions over West Africa.

The climate of West Africa is characterised by a monsoonal system that brings rainfall onto the subcontinent during an annual rainy season. From the late 60's to the mid-90's, rainfall levels significantly below average were observed, which brought severe socio-economic implications. The causes of the uncharacteristically long drought period, and indeed the mechanisms underpinning West African climate were poorly understood at the time, but have since attracted growing attention from the scientific community. Amongst the factors identified as critical is the interaction between the Earth surface and the atmosphere. To investigate these interactions over West Africa we have adopted an approach based upon regional climate modelling, an internationally recognised discipline enabling the representation of past and future climates, and the study of specific meteorological mechanisms. Using the regional climate model MAR, we have carried out simulations of the West African climate for the years 1986, 1987, and 1988. To improve the accuracy with which the model represents the biosphere, a new dataset describing the local vegetation was incorporated and a new scheme for the representation of roots implemented. A measure of the internal variability inherent to all results produced with this, and other such models, was determined. Subsequently, the influence of soil moisture anomalies on the model behaviour was investigated. The latest version of the model was validated by comparing it to observational data for selected years. Our results have prooven the ability of the improved MAR to simulate the West African climate, its monsoon and its spatial and temporal behaviour and provide strong evidence of its suitability for further investigation of the surface-atmosphere interactions over West Africa.

Dus aux conditions uniques en Arctique (des températures et aux rapports de mélange de vapeur d'eau extrêmement bas, à la réflexivité élevée des surfaces de la glace de mer et de la neige, inversion de température dans la basse troposphère et à l'absence de la radiation solaire pendant des périodes prolongées), les processus macro et microphysiques contrôlant la formation des nuages sont complexes et uniques. La validation de ces paramètres atmosphériques simulés par les différents modèles numériques du climat présentement utilisés par les plus grands centres de recherche au monde avec les observations est indispensable pour mieux connaître et, par conséquent, mieux paramétriser ces processus complexes. Le nouveau Modèle Canadien Régional du Climat GEM-LAM (une version à aire limitée du modèle Global Environnemental à Multi-échelle) a été évalué pour la période de septembre 1997 à octobre 1998 au-dessus de l'océan Arctique Ouest. Cette période coincide avec la campagne de mesures du projet SHEBA (Surface Heat Budget of the Arctic Ocean). Les versions 3.2.2 et 3.3.0 du modèle sont évalués dans cette étude. La radiation solaire et terrestre vers le bas à la surface, l'albédo de surface, la vapeur d'eau dans la verticale, les contenus en eau liquide et solide et la couverture nuageuse simulés par GEM-LAM sont évalués avec les données d'observation SHEBA et comparés aux résultats des modèles participants à l'expérience d'inter-comparaison de modèles climatiques régionaux ARCMIP. Une comparaison plus poussée entre les moyennes journalières a été faite et les biais des modèles, le RMSE et le coefficient linéaire de corrélation sont calculés pour plusieurs champs radiatifs et microphysiques. Sur une base mensuelle, les modèles représentent la radiation des longues et courtes longueurs d'onde vers le bas à la surface raisonnablement bien, mais le décalage entre les simulations suivant les différents modèles est plus grand pour les SWD que pour les LWD à la surface. GEM-LAM surestime l'albédo de la surface pendant toutes les saisons dans cette expérience. De plus, le modèle GEM se comporte similairement aux autres modèles participant à cette expérience et tend à sous-estimer la quantité de vapeur d'eau intégrée verticalement pendant l'hiver, tandis que le GEM la surestime durant l'été. La majorité des modèles surestime la couverture nuageuse hivernale, par contre, ils simulent plus ou moins correctement la couverture nuageuse durant l'été. Sur une base quotidienne, tous les modèles participant à l'expérience ARCMlP simulent relativement bien la radiation des courtes longueurs d'onde vers le bas à la surface, mais les valeurs quotidiennes de l'eau liquide intégrée à la verticale sont légèrement moins bien simulées. Les deux versions du modèle GEM-LAM (v3.2.2 et v3.3.0) ont aussi de la difficulté à bien simuler la couverture nuageuse sur une base quotidienne comme les autres modèles participant à cette expérience. Les nuages optiques minces sont l'une des raisons permettant d'expliquer le grand écart entre la couverture des nuages simulée par les modèles et les observations. Pour éliminer ce problème dans notre analyse, un filtre des nuages optiquement minces a été appliqué en sortie du modèle GEM -LAM. Après filtrage des nuages optiquement minces dans le modèle GEM, pour chaque filtre sélectionné (0,5, 1, 1,5, 2), la couverture nuageuse décroit significativement durant la saison hivernale. Par contre, la couverture nuageuse est insensible au filtre durant la saison estivale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arctique, Modélisation, GEM-LAM, SHEBA, ARCMIP, Radiation, Couverture nuageuse.

Les modèles climatiques à résolution variable, dont les modèles à grille étirée, permettent l'utilisation d'une fine résolution sur les zones d'intérêts, résolution hors d'atteinte pour les modèles mondieux. L'approche à résolution variable possède aussi l'avantage d'une grande efficacité concernant l'utilisation des ressources de calcul. L'absence dans de tels modèles de conditions aux frontières latérales représente aussi un atout pour la simulation du climat à l'échelle mondiale mais aussi régionale. Cette étude à pour objectif d'évaluer la simulation du climat nord-américain à l'aide de la configuration à résolution variable du Global Multiscale model (SGM-GEM) afin d'évaluer les bénéfices respectifs de localiser la zone de haute résolution localement, au-dessus de l'Amérique du Nord, ou au-dessus du Pacifique équatorial, région de forçage important pour la variabilité du climat nord-américain. De plus, nous avons étudié les bénéfices potentiels de l'approche à résolution variable avec une emphase sur les téléconnections entre les anomalies de la température de surface de la mer et le climat nord-américain. Nous avons évalué des ensembles de simulations de prédiction saisonnière des mois hivernaux d'années ENSO sélectionnées. Les ensembles comprennent 10 membres pour chacune des configurations du SGM-GEM présentées précédemment. En comparaison avec la version de GEM à grille uniforme (simulation de référence), il a été démontré que les simulations utilisant l'approche à résolution variable, pour chacune des configurations, reproduisent généralement mieux les observations au-dessus de leurs zones à haute résolution, malgré une détérioration de certaines variables. De plus, certaines erreurs systématiques observées dans la simulation de référence demeurent présentes dans les simulations du SGM-GEM. La localisation de la zone de haute résolution au-dessus d'une zone de forçage important (Pacifique équatorial) ne semble pas provoquer une amélioration nette du climat au-dessus de la région d'intérêt (Amérique du Nord) pour les simulations climatiques multi-annuelles. Chacune des configurations du SGM-GEM testée simule des téléconnections réalistes associées au mode dominant de la variabilité interannuelle des anomalies de la SST du Pacifique équatorial. Les simulations SGM-GEM avec la zone de haute résolution au-dessus du continent nord-américain reproduisent avec plus de précision les anomalies de la température près de la surface et obtiennent de meilleures résultats d'analyse (skill scores) pour l'ensemble du continent. Par contre, aucune configuration ne semble indiquer une amélioration claire de la simulation du géopotentiel à 500hPa au-dessus du continent. Les erreurs dans la prévision du rapport signal-bruit est le résultat des non-linéarités des réponses aux deux composites ENSO et interprétées comme le résultat des incohérences des réactions du modèle atmosphérique aux différentes anomalies de la température de surface de la mer. Les résultats de cette étude ne peuvent démontrer que, dans un contexte de prédiction saisonnière, l'approche à résolution variable représente un avantage en comparaison à l'approche à résolution uniforme. L'amélioration de la prédiction des champs de surface produite par les simulations SGM-GEM semble être reliée à une représentation plus précise du bilan radiatif de surface et à d'autres processus de surface directement liés au schéma de surface utilisé. ______________________________________________________________________________

La vitiviniculture est un secteur économique et culturel important en Bourgogne. L’actuel changement climatique soulève diverses questions notamment sur son impact sur les cultures. Dans cette thèse, l’idée est d’élaborer une méthodologie afin de répondre à la problématique : quels seront les impacts possibles des changements de températures sur la phénologie du Pinot noir en Bourgogne à l’horizon 2031-2048 ?L’évolution des températures en Bourgogne depuis 1961 est caractérisée par un saut positif de température à la fin des années 1980 suivi par une période où la température augmente d’environ 1,5°C.L’un des intérêts de cette thèse réside dans l’élaboration, en suivant une stratégie élaborée durant la thèse, d’une base de données spatialisée réalisée sur la période 1989-2009 afin d’estimer la capacité du modèle WRF à reproduire le climat bourguignon en désagrégeant des données climatiques de large échelle. Le modèle reproduit de façon satisfaisante le cycle saisonnier et la variabilité spatiale climatique globale aux biais près (froid sur les Tx et chauds sur les Tn).Pour régionaliser le changement climatique, WRF a été utilisé pour désagréger des données issues du scénario SRES/A2 sur les périodes 1970-1987 et 2031-2048. Après avoir été évalués et intercomparés trois modèles phénologiques utilisant les données de températures moyennes pour simuler les dates d’occurrence des stages phénologiques du Pinot noir, ont été appliqués sur ces désagrégations.L’impact de l’augmentation des températures à l’horizon 2031-2048 (SRES/A2), estimée à 1,35°C en moyenne, se caractérise par une précocité de la floraison d’au moins 7 jours et une précocité de la véraison d’au moins 15 jours. La durée interstade est également diminuée de l’ordre de 5 jours. / The viticulture is an important economic and cultural sector in Burgundy. The current climate change raises a number of issues including its impact on crops. In this thesis, the idea is to develop a methodology to address the problem: what are the potential impacts of changes in temperature on the phenology of Pinot noir in Burgundy for years 2031-2048?The evolution of temperatures in Burgundy since 1961 is characterized by a positive temperature shift at the end of the 1980s followed by a period where the temperature increases of about 1.5 ° C.One of the interests of this thesis is to develop, following a strategy developed during the thesis, a spatial database conducted over the period 1989-2009 to estimate the ability of the WRF model to reproduce the climate Burgundy by disaggregating large scale data. The model reproduces satisfactorily the seasonal and spatial variability in global climate despite bias (cold on the Tx and hot on the Tn).To regionalize the climate change, WRF was used to disaggregate data from the scenario SRES/A2 on the periods 1970-1987 and 2031-2048. After being evaluated and inter-compared three phenological models, using average temperatures data to simulate the dates of occurrence of phenological stages of Pinot Noir, have been applied to these decompositions.The impact of warming temperatures on the horizon 2031-2048 (SRES/A2), estimated at 1.35 ° C on average, is characterized by an earlier flowering and veraison of about 7 and 15 days respectively. The interstadial duration is also reduced of about 5 days.

Le but principal de cette thèse était de réaliser une simulation du climat du 21e siècle, en tenant compte non seulement des émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols produites par l'activité humaine, mais aussi des changements de végétation résultant du développement démographique et économique et des rétroactions climatiques. Pour réaliser cette simulation, il a été décidé d'utiliser le modèle d'impact intégré IMAGE2.2 (développé au RIVM, en Hollande) qui simule l'évolution de la concentration des gaz à effet de serre et de la végétation, et de le coupler au modèle climatique de circulation générale ARPEGE/OPA, disponible au CNRM. Avant de réaliser la simulation, des expériences de sensibilité de chacun des deux modèles au forçage produit par l'autre ont été réalisées. Finalement, la simulation couplée a montré qu'à l'échelle du siècle les interactions entre le climat et la végétation sont relativement peu importantes.

Les effets du changement climatique sur les îles du Pacifique constituent un enjeu majeur pour les populations insulaires. En particulier, les précipitations constituent un des paramètres sensibles car elles conditionnent la ressource en eau. Le but de cette thèse est mettre d'apporter les premiers éléments de réponse relatifs à l'évolution des précipitations au cours du 21ème siècle sur Tahiti. Dans un premier temps, les précipitations à Tahiti ont été caractérisées à partir des mesures issues du réseau d'observation de Météo France. La saison des pluies, de novembre à avril, constitue la saison d'intérêt, car c'est à cette période de l'année que les cumuls de pluie sont les plus élevés. En effet, la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ), siège de la convection profonde, est la principale source de précipitations à Tahiti en été austral (Décembre-Janvier-Février). A l'échelle interannuelle et interdécennale, les phénomènes El Niño Southern Oscillation (ENSO) et Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) induisent des migrations nord/sud et est/ouest de cette zone de convergence qui l'éloignent ou l'approchent de Tahiti. L'IPO, implique un déplacement de la SPCZ vers le nord-est en phase positive, ce qui induit des cumuls plus élevés observés à Tahiti. Elle est déplacée vers le sud-ouest en phase négative de l'IPO, d'où une diminution des pluies à Tahiti. L'étude montre qu'en IPO positif, l'occurrence d'événements El Niño intenses est favorisée. Pour ces cas de figure, la SPCZ migre brutalement vers le nord-est et adopte une orientation zonale au-dessous de l'équateur. Cette configuration l'éloigne de Tahiti et perturbe le flux d'alizés de sud-est, il en résulte alors des pluies orographiques très abondantes sur les côtes sud-est de l'île. Suite à cet état des lieux des précipitations observées, une méthodologie originale, en l'absence de toute autre expérience internationale sur la région, a été mise en œuvre pour obtenir un modèle capable de distinguer l'île et capturer au mieux les effets orographiques. Deux descentes d'échelle successives ont été nécessaires pour passer du modèle couplé global CNRM-CM, à 150 km de résolution, au modèle à aire limitée ALADIN-Climat, de résolution 12 km, centré sur Tahiti. Les sorties du modèle régional obtenues ont été confrontées aux observations sur la partie historique. Un lien a été établi entre les précipitations observées et modélisées sur la période passée. Ce lien est construit entre stations d'observations et points de grille du modèle exhibant un comportement similaire relatif aux phases de l'ENSO. Il a été supposé encore pertinent au 21ième siècle pour déduire les précipitations futures les plus réalistes à Tahiti, à partir des précipitations simulées par le modèle à 12 km, suivant deux scénarios du GIEC (RCP4.5 et RCP8.5). La structure spatiale du réchauffement climatique de type El niño conforte la pertinence du lien établi. Les résultats obtenus concernent les côtes sud de Tahiti. Les précipitations vont augmenter progressivement tout au long du 21ème siècle, en réponse au réchauffement global. A Papara, il est tombé en moyenne sur la période 1961-2011 pendant l'été austral 695 mm de pluie. Il tombera en moyenne sur la période 2070-2100, 825 mm selon le scénario RCP4.5, 814 mm selon le scénario RCP8.5, soit une augmentation d'un peu moins de 20 %. Ajoutés à cet accroissement à long terme, les événements El Niño induiront un excédent de précipitations. Mais cet effet sera réduit en fin de période dans le RCP8.5. A l'inverse, les événements La Niña s'accompagneront toujours d'un déficit de précipitations mais sans arriver à contrecarrer l’accroissement à long terme. / The effects of climate change on Pacific islands is a major concern for the local populations. The rainfall parameter, specifically, appears as one of the sensitive parameters, as it determines water resources. The goal of this thesis is to bring a first insight into the 21st century evolution of precipitation in Tahiti.The first step was to characterize rainfall in Tahiti using data records from the observation network of Meteo France. The “rainfall season”, lasting from November to April, is the season of interest, as rainfall amounts are the highest at this time of the year. Indeed, the South Pacific Convergence Zone (SPCZ), host of deep convection, remains the principal source of rainfall in Tahiti in austral summer (December-January-February). On interannual and interdecadal timescales, the El niño Southern Oscillation (ENSO) and the Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) imply north/south and east/west migrations of the SPCZ, drawing it away, or closer to Tahiti. The positive phase of the IPO involves a north-eastward displacement of the SPCZ, which causes higher rainfall amounts in Tahiti. The SPCZ is displaced towards the south- west during negative IPO phase, leading to a decrease of rainfall in Tahiti. The study reveals that the IPO positive phase favor the occurrence of intense El niño events. In those cases, the SPCZ is critically displaced to the north-east and lies zonally just south of the equator. Accordingly, the SPCZ is drawn away from Tahiti and alters the south-east flow of trade winds. As a result, substantial orographic precipitation affect the south-east coasts of Tahiti.Following the assessment of observed precipitation for the period 1961-2011, an original method has been set up to obtain a model able to resolve the island and capture the orographic effects at best. Two successive downscaling steps have been necessary to get the limited area model ALADIN-Climat over Tahiti (at the resolution of 12 km), starting from the global coupled model CNRM-CM with a resolution of 150 km. The regional model outputs have been compared to the observed records over the historical period. A linkage between observed and modeled precipitation has been defined. This linkage has been built between meteorological stations and model grid cells exhibiting similar behaviour regarding the phases of ENSO. It has been assumed that this linkage is still relevant in the 21st century. In this way, future precipitation in Tahiti, as realistic as possible, are deduced from modeled precipitation (at 12 km of resolution), following two IPCC scenarios (RCP4.5 and RCP8.5). The El niño-like spatial structure of global warming further confirms the relevance of the linkage built previously. The results obtained concern the southern coasts of Tahiti. Rainfall would gradually increase along the 21st century, as a consequence of global warming. In Papara, the austral summer mean rainfall height is 695 mm over the period 1961-2011. The mean value, for the period 2070-2100, would be 825 mm for the scenario RCP4.5 and 814 mm for the scenario RCP8.5, let say an increase of a little less than 20%. Superimposed to this long-range raise, El niño events would induce an excess of rainfall. This effect would be reduced at the end of the 21st century in RCP8.5. Conversely, La niña events would always involve a decline of rainfall, but would not succeed in counteracting the long-range increase.

Les moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord sont caractérisées par une forte variabilité climatique en hiver, incluant l'occurrence d'évènements extrêmes tels que les vagues de froid ou les tempêtes, et présentent une faible prévisibilité aux échéances mensuelle à saisonnière dans les systèmes opérationnels. Un nombre croissant d'études montre qu'au delà du couplage océan-atmosphère, le couplage troposphère-stratosphère contribue également à la variabilité climatique à ces échelles de temps. Cette thèse vise à mieux comprendre l'influence de la stratosphère sur la variabilité climatique hivernale à nos latitudes, et à quantifier sa contribution potentielle à la prévisibilité climatique saisonnière en comparaison de la contribution océanique. Dans un premier temps, un état des lieux des connaissances sur le couplage troposphère-stratosphère est dressé et la variabilité inter-annuelle du vortex stratosphérique polaire est revisitée par le biais d'analyses composites sur la base des réanalyses atmosphériques du CEPMMT. Ensuite, les principaux outils de cette thèse sont présentés et validés, à savoir le modèle ARPEGE-Climat et la technique de " nudging " permettant de relaxer (guider) le modèle vers les réanalyses. Comme beaucoup de modèles, les versions 4 et 5 d'ARPEGE-Climat en configuration T63L31 simulent un vortex stratosphérique polaire nettement décalé vers le sud, ce qui peut avoir des conséquences négatives sur la variabilité simulée via la modification des interactions ondes-écoulement moyen. Si la faible résolution verticale dans la stratosphère est souvent mise en avant pour expliquer le manque de prévisibilité dans les modèles, nos travaux sur la version 5 d'ARPEGE-Climat montrent que l'augmentation de la résolution verticale et l'élévation du toit du modèle à 0.1 hPa ne suffisent pas pour obtenir un climat plus réaliste, que ce soit en termes d'état moyen, de variabilité ou de prévisibilité à l'échelle saisonnière. C'est pourquoi, tout au long de cette thèse, la technique de la relaxation de la stratosphère vers les réanalyses issues du CEPMMT a été exploitée afin de montrer, de manière idéalisée, sa forte influence sur la variabilité climatique hivernale aux extra-tropiques de l'hémisphère nord, par rapport au seul forçage par les températures de surface de la mer observées. L'étude des hivers 1976-1977 et 2009-2010 via la réalisation de simulations d'ensemble avec et sans nudging a permis de confirmer la contribution de la stratosphère à la phase négative de la NAO et aux fortes anomalies négatives de température observées sur l'Europe du nord. La généralisation des ensembles à la période 1958-2007 (avec initialisation au 1er Novembre) confirme l'impact positif du nudging extra-tropical mais montre un effet très limité du nudging équatorial qu'il conviendrait d'évaluer de manière plus précise en augmentant la taille des ensembles. Ainsi, si elle confirme l'importance de la stratosphère pour la prévision saisonnière hivernale à nos latitudes, cette thèse ouvre de nombreuses perspectives concernant les mécanismes qui sous tendent le couplage troposphère-stratosphère et l'intérêt d'une prévision statistico-dynamique consistant à relaxer le modèle ARPEGE-Climat vers une stratosphère prévue de manière statistique.