Bien que les émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols carbonés par les feux tropicaux, étroitement liées aux conditions de sécheresse et à l'action anthropique, aient un impact significatif sur le cycle du carbone et sur le climat global, la dynamique passée de ces émissions reste encore peu documentée. Cette étude a pour but de caractériser les produits de combustion carbonés piégés dans les sédiments lacustres et marins, afin d'établir des enregistrements fiables de la variabilité des feux tropicaux. L'analyse du comportement de standards carbonés sur des matrices synthétiques et naturelles à l'aide de différentes techniques d'extraction a permis de discriminer, selon un degré croissant de résistance à l'oxydation : le charbon, le carbone réfractaire, et le Black Carbon (BC). Bien que l'analyse de mélanges expérimentaux présente des pertes de masse d'environ 20% dans le cas du graphite mélangé à des poudres synthétiques, la méthode d'extraction et de mesure du BC s'avère reproductible et fiable pour reconstituer les changements de concentration enregistrés dans la plupart des sédiments. L'analyse du carbone élémentaire résistant aux traitements chimiques et/ou thermique, combinée au comptage automatisé des microcharbons, a ensuite été appliquée à une séquence pélagique du Pacifique Ouest (WPWP) couvrant les derniers 360 ka, et à un enregistrement lacustre Tanzanien couvrant les derniers 4 ka. L'enregistrement marin (carotte MD972140) montre que les émissions de BC sont fortement contraintes par les variations d'insolation en région intertropicale et équatoriale (cycles de précession et semi-précession). Elles sont également associées à la variabilité (pluri)millénaire du climat de l'hémisphère nord et de la mousson d'hiver est-asiatique, et suggèrent un couplage entre le gradient zonal des précipitations dans le Pacifique Equatorial et le climat des hautes latitudes. De plus, les aérosols carbonés enregistrent clairement l'action de l'homme sur le régime des feux dans la région Indo-Pacifique, avec une forte augmentation des apports de BC et de microcharbons entre 53-43 ka et 12-10 kyr. Au lac Masoko (carotte MM8), l'abondance et la nature des assemblages de particules de charbon reflètent en partie les apports détritiques liés au ruissellement des sols forestiers ou à l'érosion lors de bas niveaux lacustres. De plus, l'augmentation rapide des aérosols carbonés (microcharbons <1µm et BC) entre 1,8 et 1,6 ka BP suggère une intensification des incendies régionaux, contemporaine de l'expansion de la métallurgie et de l'agriculture dans le Rift Est Africain. L'identification et la quantification du carbone réfractaire piégé dans le réservoir sédimentaire montre ainsi que la dynamique des feux a été fortement contrainte par la variabilité du cycle hydrologique saisonnier et pluriannuel, et par l'action anthropique. Depuis plusieurs dizaines de milliers d'années, cette dernière est probablement déterminante vis-à-vis des quantités de carbone réfractaire émises dans l'environnement.

Cette thèse présente l'étude d'un système convectif à méso-échelle (MCS), observé à Niamey (Afrique de l'Ouest) au cours de la campagne AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) en 2006, à l'aide d'un modèle numérique à méso-échelle (BRAMS). L'objectif est de documenter le cycle de vie de ce type de système nuageux complexe et de caractériser les processus microphysiques prépondérants à l'aide d'observations synthétiques. Pour cela, plusieurs simulateurs d'instruments de télédétection ont été couplés aux sorties du modèle afin de créer un jeu de données qui soit comparable aux observations réalisées durant la campagne (au sol, aéroportées et satellitaires) : un radar à 95 GHz (facteur de réflectivité équivalente et vitesse Doppler), un lidar à 532 nm (coefficient de rétrodiffusion atténué) et un radiomètre infrarouge (températures de brillance à 8.7, 10.6, et 12 µm). Les comparaisons directes et statistiques ont mis en évidence l'importance de l'utilisation d'un schéma microphysique à deux moments pour la restitution de ce type de système. La caractérisation à méso-échelle de ce MCS a été effectuée en utilisant une méthode originale de discrimination des parties convectives, stratiformes et cirriformes à partir des températures de brillance et des réflectivités radar. L'analyse statistique des champs de température de brillance a permis de vérifier que le modèle BRAMS représente de façon réaliste le cycle de vie du MCS étudié. Dans le cadre d'une analyse à petite échelle, les comparaisons entre les réflectivités radar et les vitesses Doppler (observées et simulées) ont montrées que le processus de givrage était surestimé par le modèle même dans la partie stratiforme du MCS. L'étude des différents échanges entre classes d'hydrométéores a permis de mettre évidence le fait que les agrégats givrés, souvent observés, n'étaient pas correctement restitués par le modèle. Un ajustement de la paramétrisation de deux classes d'hydrométéores glacés (agrégat et graupel) est donc nécessaire. Le paramètre de forme des lois gamma utilisées pour représenter la distribution en taille de ces hydrométéores, ainsi que les coefficients des lois masse-diamètre doivent être modifiés afin de mieux représenter la gamme des densités observées in situ. Néanmoins, la variabilité des distributions en tailles calculées à partir des 7 classes d'hydrométéores dans cette partie de l'enclume est en accord avec les distributions observées in situ.

C'est a l'échelle de la turbulence que se produit l'entraînement d'air sec du flux d'Harmattan a l'intérieur du flux humide de Mousson. Ce processus de petite échelle est analysé dans le cadre du programme AMMA (Analyse Multidisciplinaires de la Mousson Africaine) qui vise a mieux renseigner et prévoir la mousson de l'Afrique de l'ouest. Les mesures atmosphériques réalisées par l'avion de recherche français ATR-42 et la modélisation des grands tourbillons (LES) sont complémentaires et permettent de documenter la structure verticale, moyenne et turbulente de la couche limite Sahélienne, de d'écrire les intrusions d'air sec et leur contribution dans les transferts turbulents, de quantifier le processus d'entraînement, de tester les paramétrisations existantes et de les relier aux conditions de grande échelle, et aux caractéristiques de la couche limite et de ses interfaces, notamment du cisaillement de vent Mousson/Harmattan.

Le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, dx=40 km) est mis en œuvre sur l'Afrique de l'Ouest pour souligner la sensibilité du régime pluviométrique et de la dynamique simulée à la température de surface océanique du Golf de Guinée durant l'année sèche 1984. Cette influence est très marquée au sud de 12°N. Au-delà, il semble que les précipitations soient plus influencées par les interactions avec la surface continentale et les structures synoptiques. La zone Sahélienne apparaît donc pertinente pour étudier le couplage entre la surface continentale et l'atmosphère. Ainsi, une architecture originale fondée sur l'utilisation des codes patrimoines permettant modularité, portabilité, extensibilité et interopérabilité a été développé et utilisé en premier lieu en mode forcé de l'atmosphère vers le bassin versant de la Sirba (39000 km2) modélisé par le modèle hydrologique ABC (dx~1.8 km). Un algorithme de désagrégation des pluies convectives basé sur la prise en compte de plusieurs maximums convectifs pour un même évènement a ainsi été testé avec succès. La prépondérance de la sensibilité de l'échantillonnage temporel sur le spatial est ainsi soulignée.<br />Enfin, une expérience de couplage entre les modèles MAR et ABC interfacés à l'aide de modèles SVAT (Surface Vegetation Atmosphere Transfer) est réalisée sur le bassin de la Sirba.<br />La haute résolution du SVAT sur la Sirba entraîne alors des modifications dans le traitement des flux, de la température de surface, et dans le bilan en eau. La partie hydrologique montre, pour sa part, sa capacité à moduler les variations apportées par le SVAT haute résolution en modifiant le bilan en eau et par là même l'albedo et le bilan d'énergie.

Sur les effets du changement climatique aux échelles globale et régionale. Il montre en particulierqu'aucun consensus ne peut être trouvé pour ce qui concerne l'évolution future de lapluviométrie -- et de la dynamique atmosphérique associée -- en région de mousson africaine.Ce mémoire revisite cette question à la lumière des nouvelles données disponibles et selon uneapproche évitant toute surreprésentation du nombre de simulations disponibles pour un type demodèle donné, tout en prenant en compte la diversité des modèles ainsi que leur évolution dansle temps : sorties de vingt modèles de circulation générale (MCGs) ayant participé aux exercicesCMIP3 (douze MCGs) et CMIP5 (huit MCGs) sous les scénarios d'émissions A1B et rcp4.5,respectivement. Les sorties sont analysées principalement sur deux fenêtres de quarante ans --périodes actuelle (1960-1999) et future (2031-2070) -- et les résultats discutés au regard de leurvraisemblance selon une approche permettant à la fois de quantifier les différences futur moinsactuel, de mesurer les significativités et les robustesses statistiques et d'associer une probabilitémesurant le consensus des modèles en fonction des échelles et des variables considérées.Les analyses menées sur CMIP3 et CMIP5 montrent qu'un consensus sur l'effet du changementclimatique en Afrique de l'Ouest peut être obtenu si l'on ne fait pas de l'ensemble de labande sahélienne une entité homogène et qu'on raisonne à des échelles spatiales inférieures. Lesrésultats révèlent une évolution contrastée entre le centre et l'ouest du Sahel avec, pour le futur(i) une hausse des précipitations au centre s'expliquant surtout par une plus grande convergencedes flux dans les basses couches, ainsi qu'une pénétration plus au nord de la mousson ;(ii) une baisse des précipitations à l'ouest s'expliquant par le renforcement de la circulation detype Walker, du Jet d'Est Africain (JEA) et de la subsidence dans les couches moyennes. Parailleurs, on peut s'attendre à une modification du cycle annuel moyen avec un retrait retardé dela mousson. Ce retard est notamment lié aux apports supplémentaires d'humidité depuis l'Atlantique,dus au renforcement des contrastes thermiques et d'humidité entre océan et continent,mais aussi et surtout aux apports tardifs d'humidité depuis la Méditerranée et au renforcementdes flux de nord en septembre et octobre en direction du Sahel

Des quantités importantes de gaz réactifs et de particules sont émises en Afrique équatoriale par l'activité humaine et naturellement par les écosystèmes forestiers, les éclairs et les sols. Les différents processus de transport qui caractérisent cette région pendant la saison de la mousson (e.g. Jets d'Est Africain et Tropical, convection profonde) peuvent conduire à la redistribution de ces émissions en dehors du continent Africain et influencer ainsi aussi bien le bilan régional que global de l'ozone (O3). Le but de mes travaux de thèse est d'améliorer notre compréhension sur l'impact de ces émissions et de ces processus de transport sur la composition chimique de l'atmosphère en Afrique équatoriale. Les données mesurées pendant la campagne AMMA qui a eu lieu en été 2006 en Afrique de l'ouest ainsi que les données du programme MOZAIC sont analysées et confrontées aux résultats du modèle global LMDz_INCA. Cela permet d'évaluer les performances de ce modèle au dessus de l'Afrique équatoriale d'une part et, d'autre part, d'analyser l'influence des différentes émissions et des différents processus de transport qui caractérisent cette région pendant la saison de la mousson sur le bilan régional de l'ozone. Une description et une validation des résultats du modèle LMDz_INCA avec des observations satellitaires sont présentées dans la première partie de cette thèse. La deuxième partie est consacrée à l'impact du transport convectif et des oxydes d'azote (NOx) émis par les éclairs sur l'ozone et ses précurseurs. L'analyse de l'impact des émissions par les feux de biomasse depuis l'Afrique centrale est ensuite présentée. La dernière partie traite de la contribution des émissions africaines et asiatiques au bilan de l'ozone en Afrique équatoriale.

Les océans expliquent une part importante de la variabilité des pluies de mousson en Afrique de l'ouest. Quels sont les mécanismes physiques de ces interactions océan- atmosphère ? Comment sont-elles reproduites par les modèles de climat ? Ces deux questions sont ici abordées, en séparant d'emblée les échelles de temps interannuelles et décennales, et en confrontant les simulations réalisées pour le 4e rapport du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (GIEC) aux données observées du xxe siècle. À l'échelle interannuelle, les anomalies de température à la surface du Pacifique équatorial, du golfe de Guinée, et de la Méditerranée sont statistiquement liées aux anomalies des pluies d'Afrique de l'ouest. La question de la stationnarité de ces liens au cours du xxe siècle est brièvement abordée. Les mécanismes physiques sont ensuite appréhendés dans les réanalyses atmosphériques et dans les simulations couplées du GIEC. Pour comprendre le comportement du modèle du Centre national de recherches météorologiques (CNRM), différentes expériences de sensibilité sont réalisées en prescrivant à l'océan une tension de vent réanalysée, sur le Pacifique tropical ou sur tout globe. Une simulation atmosphérique avec des températures de surface prescrites est aussi utilisée pour discuter du rôle du couplage océan-atmosphère. Étant donné le caractère saisonnier de la mousson africaine, le phasage temporel de la variabilité océanique doit être considéré avec attention. Dans les modèles couplés, les biais de l'El Niño-Southern Oscillation (ENSO) et de l'Atlantic Niño conduisent en effet à des interactions océan-mousson différentes de celles observées. À terme, une meilleure compréhension et simulation de la variabilité océanique et de ses influences pourrait permettre d'améliorer les scores de prévision saisonnière sur l'Afrique de l'ouest

La variabilité intrasaisonnière de la mousson d'Afrique de l'Ouest se caractérise par une alternance de phases sèches et humides, dont les impacts pe uvent être dramatiques sur les populations locales. Cette variabilité met en jeu un grand nombre d'échelles spatiales et temporelles, rendant difficile sa compréhension, sa modélisation et sa prévision. Cette thèse propose quelques éclairages sur ces différentes thématiques. La dépression thermique saharienne est un acteur majeur de la mousson africaine. La caractérisation de sa variabilité intrasaisonnière a permis de mettre en évidence, à l'échelle de 15 jours, l'existence d'interactions entre les latitudes moyennes et l'Afrique de l'Ouest. Lors de son passage au-dessus de l'Atlantique et la Méditerranée, un train d'ondes de Rossby module les ventilations de la dépression thermique, et donc sa structure. Les anomalies de circulation, de température et d'humidité, ainsi induites sur le Sahel, pourraient alors expliquer une partie des fluctuations intrasaisonnières de la convection, notamment celles qui naissent sur l'est du Sahel, et qui se propagent ensuite vers l'ouest. L'état moyen et la variabilité intrasaisonnière de la mousson africaine restent un défi pour les modèles de climat, même pour la dernière génération, qui a participé à l'exercice d'intercomparaison CMIP3. La variabilité à haute fréquence de la convection est un élément particulièrement difficile à modéliser. Toutefois, la meilleure prise en compte de facteurs inhibant le développement de la convection pourrait être une étape importante pour améliorer la modélisation de la mousson et la prévision de ses fluctuations intrasaisonnières

La région de l'Hindu-Kush Karakoram Himalaya (HKH) est la plus grande région englacée de la planète, hormis les calottes polaires. Dans cette région, les mesures météorologiques et de bilans de masse sont sporadiques et les observations glaciologiques concernent essentiellement les mesures de fluctuations des fronts des glaciers. Ainsi, la réponse de ces glaciers aux changements climatiques est très mal connue. Le but de ce travail de thèse est d'améliorer la connaissance des relations entre les variables météorologiques et les bilans de masse glaciaires à partir de l'étude du glacier du Chhota Shigri situé dans l'Ouest de l'Himalaya. De nombreuses mesures in-situ de bilans de masse, de vitesses d'écoulement, d'épaisseurs et de météorologie ont été réalisées depuis 2002 et au cours de ce PhD. Ces observations permettent d'analyser le comportement du glacier au regard des fluctuations climatiques. Entre 2002 et 2013, nos observations indiquent une perte de masse cumulée équivalente à une lame d'eau de -6.45 m. Par ailleurs, l'analyse des observations des flux de glace suggèrent que le glacier a connu un état proche d'un état d'équilibre avec des bilans nuls ou légèrement positifs au cours des années 1990. Nous avons dans un premier temps reconstitué les bilans de masse annuels et saisonniers depuis 1969 en utilisant un modèle degré-jour et des variables météorologiques simples, précipitations et températures. Depuis 1969, les bilans de masse sont faiblement négatifs, équivalents à -0.30 m d'eau par an. Cette reconstitution montre que le glacier était proche de l'état d'équilibre entre 1986 et 2000, ce qui confirme les résultats obtenus à partir de l'analyse des flux de glace et des mesures géodésiques. Cette étude montre également que la perte de masse glaciaire est récente et révèle des fluctuations de bilans de masse avant l'année 2000 très différentes de ce que l'on trouve dans la littérature. L'analyse des bilans de masse à l'échelle décennale révèle que les précipitations hivernales et les températures estivales jouent un rôle sensiblement équivalent. Afin de comprendre plus en détail les variables climatiques qui contrôlent le bilan de masse, nous avons, dans un second temps, analysé les flux d'énergie en surface à l'aide de stations météorologiques situées sur le glacier et à proximité du glacier. Le rayonnement de courtes longueurs d'onde contrôlent 80 % des flux d'énergie entrant en surface alors que les flux de chaleur latente, sensible et de conduction contribuent pour 13, 5 et 2 % respectivement du flux entrant total. Par ailleurs, notre étude montre que les événements de fortes précipitations au cours de la période de mousson jouent un rôle essentiel sur l'évolution des bilans de masse. Néanmoins, à cause du manque de données de précipitation dans cette région et le fort gradient régional, la distribution des précipitations sur le glacier reste mal connue. / The Hindu-Kush Karakoram Himalayan (HKH) region is the largest snow and ice reservoir on the planet outside the Polar Regions. In the HKH region the mass balance and meteorological observations are sparse and the historical knowledge is mainly concentrated on snout fluctuation records. Hitherto, the understanding of glacier-climate relationship is poor in the HKH region. Therefore, the goal of the present work is to improve the understanding of glacier-climate relationship on a representative glacier ‘Chhota Shigri' in the western Himalaya. A number of in-situ measurements concerning mass balances, surface velocity, ice thickness and meteorology have been collected during and before the present PhD work since 2002. These data sets were first analyzed to understand the glacier behaviour and then used in the models to understand the glacier relationship with climatic variables. Between 2002 and 2013, glacier showed a mass wastage/unsteady-state conditions with a cumulative mass loss of –6.45 m w.e. Further, the ice flux analysis over 2002-2010 suggested that the glacier has experienced a period of steady-state or slightly positive mass balance during the 1990s. We first reconstructed the annual and seasonal mass balances using a degree day model from simple meteorological variables, precipitation and temperature. This reconstruction allowed us to examine the mass balances between 1969 and 2012. Since 1969, Chhota Shigri showed a moderate mean mass wastage at a rate of −0.30 m w.e. a-1. A period of steady-state between 1986 and 2000, already suggested by ice flux analysis and geodetic measurements, was confirmed. The mass balance evolution of this glacier revealed that the mass wastage is recent and provide a very different pattern than that of usually found in the literature on western Himalayan glaciers. The analysis of decadal time scale mass balances with meteorological variables suggested that winter precipitation and summer temperature are almost equally important drivers controlling the mass balance pattern of this glacier. Second, in order to understand the detailed physical basis of climatic drivers, a surface energy balance study was also performed using the in-situ meteorological data from the ablation area of Chhota Shigri Glacier. Net all-wave radiation was the main heat flux towards surface with 80% contribution while sensible, latent heat and conductive heat fluxes shared 13%, 5% and 2% of total heat flux, respectively. Our study showed that the intensity of snowfall events during the summer-monsoon is among the most important drivers responsible for glacier-wide mass balance evolution of Chhota Shigri Glacier. However, due to the lack of precipitation measurements and the strong precipitation gradient in this region, the distribution of precipitation on the glacier remains unknown and needs further detailed investigations.

L'Egypte, territoire aride, dépend essentiellement du Nil pour l'irrigation de ses terres agricoles. La variabilité temporelle de la crue du fleuve a donc pu affecter directement la dynamique de la population égyptienne. Ici, cette hypothèse est testée en étudiant la variation du climat pendant l'Egypte ancienne parallèlement à des indicateurs du mode de vie des égyptiens. La variation dans le temps du δ18Ow de l'eau du Nil est reconstituée à partir des valeurs de δ18Op du phosphate de l'apatite de momies égyptiennes. L'augmentation de +3 ‰ du δ18Ow de l'eau du Nil entre la période Prédynastique (5500BP) et la période Gréco-Romaine (2000BP) est causée par une modification des conditions de précipitation au-dessus des sources du Nil. Elle traduit soit une hausse de température proche de 2°C soit une baisse des précipitations mensuelles d'environ 140 mm. Ici, l'hypothèse d'une aridification est privilégiée : en effet des mesures de δ18Op sur des poissons du Nil permettent de calculer une température du Nil à la période Gréco-Romaine comparable à l'actuelle. Le changement climatique constaté semble avoir peu d'impact sur la civilisation égyptienne. En effet la population égyptienne s'accroît nettement pendant la période considérée et le régime alimentaire est resté fondé sur les plantes en C3, peu adaptées aux milieux arides, avec une consommation rare de poissons et de protéines animales. La réduction de la crue a sans doute été compensée par les progrès technologiques de la civilisation égyptienne (chadouf, drainage) qui ont rendu possible la mise en culture de nouvelles terres / Egypt is an arid territory, which essentially depends on the Nile river for the irrigation of its agricultural lands. The temporal variability of the river flood thus may have affected directly the dynamics of the Egyptian population. Here, this hypothesis is tested by studying the variation of the climate during Ancient Egypt concurrently to indicators of the life habits of the Egyptians. The variation with time of the δ18Ow of the Nile water is reconstructed from the δ18Op of the apatite phosphate of Egyptian mummies. The increase of +3 ‰ in the Nile water δ18Ow between the predynastic period (5500BP) and the Greco-Roman Period (2000BP) is caused by a change in the conditions of precipitation above the Nile sources. This increase can be the result of an increase in temperature of about +2 °C or of a decrease in the monthly amount of precipitation of about 140 mm. Here, the hypothesis of aridification is preferred: in effect, δ18Op measures on Nile fishes permit to infer a Nile water temperature at the Greco-Roman Period similar to the present-day one. The climatic change seems to have had little impact on the Egyptian civilization. In effect the Egyptian population increases considerably during the selected period and its diet remains funded on C3- plants, feebly adapted to arid environments, with a rare consumption of fishes or other animal protein. The decrease of the flood was admittedly compensated by the technological advances of the Egyptian civilization (shaduf, drainage) which allowed the cultivation of newly reclaimed lands