Les milieux oroméditerranéens sont considérés comme particulièrement sensibles aux changements climatiques. Deux questions sont posées dans ce contexte : quelles sont la nature et l'ampleur des modifications climatiques à l'échelle régionale (climat et enneigement) au Chili central, depuis les années 70 ? Quels sont les changements de la végétation en montagne (dans la tranche d'altitude 1.500 - 2.500 m), en particulier au niveau de la limite supérieure de la forêt à Kageneckia angustifolia ? La première partie de la thèse présente les spécificités des milieux de montagne et les changements climatiques déjà observés de façon générale et au Chili en particulier. Elle présente aussi les sites d'étude au niveau climatique et biogéographique. La deuxième partie concerne les données et la méthodologie. Une approche scalaire est mise œuvre, avec confrontation et mise en complémentarité de différentes techniques : télédétection, chroniques climatiques et mesures in situ. La troisième partie présente les résultats. Les données climatiques enregistrées les 30 dernières années aux stations d'El Yeso (2.500 m) et de Los Bronces (3.500 m), montre une croissance d'environ 1 °C pour la température moyenne annuelle, réchauffement plus marqué à El Yeso, au niveau des températures minimales. Pour l'enneigement, il est montré une haute variation interannuelle de la couverture de neige et une élévation de la limite de la neige durant les dernières décennies, d'environ 300 m. Ces résultats, sont accompagnés d'une augmentation faible du NDVI. Au niveau de la vallée Yerba Loca, l'étude diachronique de l'écotone supraforestier montre des transformations vers une augmentation de la superficie des espaces forestiers et leur densification. Enfin, l'expérience de germination, à Yerba Loca montre qu'il existe une différence significative entre le pourcentage de germination des graines à l'intérieur des enclos et à l'extérieur, avec un effet négatif de la couverture neigeuse sur la germination des plantules.

Afin d'étudier le cycle de l'eau à l'échelle régionale, le couplage d'ISBA (le schéma de surface de Météo-France) avec MODCOU (le modèle hydrologique de l'Ecole des Mines de Paris) a été mis au point sur le Rhône pour l'année 1987/88 par Habets (1998). En raison de la forte composante nivale alpine du bassin, CROCUS (le modèle de neige de Météo-France) a été rajouté dans le système complet. La simulation du bassin versant du Rhône a ensuite été étendue à 14 années (de 1981 à 1994). Les forçages atmosphériques ont été analysés à l'aide du système SAFRAN, spécialement conçu pour les zones de relief. Bien qu'aucun étalonnage sur les débits n'ait été réalisé, les résultats du système sont validés de manière satisfaisante par comparaison avec les débits quotidiens observés en 145 stations de jaugeage sur les grands cours d'eau du bassin versant du Rhône. L'enneigement simulé reproduit bien les hauteurs de neige observées quotidiennement pour 24 postes d'altitude. Le bilan hydrique du bassin apparaît très contrasté et met en lumière trois grands ensembles : les bassins nivo-pluviaux et humides du nord (Saône, Doubs, Ain), les bassins pluviaux et secs du sud (basse Durance, Ardèche) et les bassins alpins fortement enneigés (Isère, Drac, Haute-Durance). L'outil ainsi validé a ensuite été utilisé pour évaluer l'impact d'un changement climatique sur les grandes composantes hydriques du bassin versant. Une attention particulière a également été apportée à l'impact d'une augmentation de la résolution des calculs sur la qualité de la simulation du bassin nival de la Haute-Durance.

Ces demières annèes, de nombreuses mesures en région polaire ont montré que les concentrations de certains gaz traces réactifs (aldéhydes, oxydes d'azote) étaient très supérieures à ce que la chimie en phase gazeuse pouvait expliquer. Les hypothèses actuellement retenues pour expliquer ces observations comprennent l'émission de composés dissous ou adsorbés dans la neige, et leur production photochimique dans le manteau neigeux, à partir de composés à identifier. Afin de tenter d'expliquer les rapports de mélange du formaldéhyde (HCHO) et de l'acétaldéhyde (CH3CHO) dans l'arctique, des mesures simultanées ont été effectuées dans l'atmosphère et dans la neige, au cours de la campagne ALERT 2000, à Alert (Ellesmere Island, 82,5° N, 62,3° W) en février et avril 2000. Le développement préalable d'une méthode d'analyse sensible de ces composés dans la neige a été nécessaire. Les évolutions temporelles des concentrations en formaldéhyde (HCHO) et en acétaldéhyde (CH3CHO) dans les couches de neige fraîches ont été suivies pendant plusieurs jours. Comme le métamorphisme de la neige conduit à des cycles de sublimation/condensation à la fois de la glace et des espèces dissoutes, nous avons également suivi l'évolution de la microphysique de la neige. Les résultats obtenus nous ont permis de tester différents mécanismes possibles d'incorporation des aldéhydes dans la neige. Connaître le mécanisme prédominant est nécessaire pour quantifier la vitesse d'échange air-neige de ces composés. Les mécanismes possibles incluent l'adsorption à la surface des cristaux de neige, et la dissolution dans leur volume. Les données obtenues ont permis de tester ces différents mécanismes, et d'apporter des éléments nouveaux sur les processus par lesquels le manteau neigeux pouvait avoir un impact important sur la chimie de l'atmosphère. Nous avons notamment émis l'hypothèse que le formaldéhyde était incorporé en volume dans les cristaux de neige et que les échanges avec l'atmosphère se faisaient par diffusion en phase solide. La vérification de ces résultats nécessitait cependant une confirmation par des expériences en laboratoire. Nous avons donc effectué une étude préliminaire de la solution solide HCHOH20 et nous avons obtenu le coefficient de diffusion du formaldéhyde dans la glace (DHCHO) à -15°C : DHCHO = (8±5j x10*11 cm2 s-1 . Cette valeur de DHCHO permet d'expliquer les variations des concentrations en formaldéhyde dans la neige que nous avons observé sur le terrain.

La réflectance de la neige est un paramètre climatique important qui suscite l'intérêt de plusieurs disciplines telles que la glaciologie, la climatologie, la météorologie, la prévision des risques d'avalanches. Le but de cette thèse est l'étude théorique et expérimentale de la réflectance de la neige sur la partie visible et proche infrarouge du spectre solaire. Une grande partie de ce travail de recherche a été consacrée à la modélisation des propriétés optiques de la neige en fonction de ses caractéristiques physiques (taille et forme des cristaux) et de sa pollution par le carbone suie. Le modèle développé fait appel a la théorie du transfert radiatif à l'aide de la méthode adding-doubling et fournit la polarisation du rayonnement réfléchi. Les limites de la théorie (forme des cristaux de neige dans le proche infrarouge) ont été mises en évidence lors de confrontations avec des mesures effectuées en laboratoire et sur le terrain. Cette étude s'inscrit aussi dans le cadre de la télédétection satellitaire et a pour but l'analyse des futures données du polarimètre-imageur P.O.L.D.E.R. (polarization and directionality of earth's reflectance) au dessus de l'Antarctique. Pour cela, un modèle prenant en compte la B.R.D.F. (bidirectional reflectance diffusion function) et les rugosités de surface (sastrugi) a été mis au point. Des mesures terrain de B.R.D.F. au pôle Sud nous ont été fournies et les résultats de comparaison avec le modèle sont prometteurs

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus. <br /><br />Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.<br /><br />On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur. <br /><br />Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple). <br /><br />La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.

En zone de montagne, et particulièrement dans les Alpes du Nord, l'amélioration des modèles de prévision de crues est un enjeu scientifique et opérationnel important, du fait notamment des changements climatiques et environnementaux qui modifient le fonctionnement des systèmes hydrologiques. Les apports liés à la fonte nivale constituent une difficulté spécifique à la modélisation hydrologique dans les Alpes. Cette thèse entend contribuer à améliorer les modèles dans ce domaine, à deux niveaux. Dans un premier temps un modèle de fonte de neige performant à l'échelle ponctuelle a été explicité, utilisant un minimum de variables météorologiques. Pour cela l'approche dite " degré jour ", qui permet d'estimer en fonction de la température de l'air la lame d'eau déstockée par le manteau neigeux, a été reprise. Grâce aux données acquises par le Centre d'Etude de la Neige sur le site expérimental du Col de Porte (Chartreuse), plusieurs formulations ont été testées prenant notamment en compte le stock de froid du manteau neigeux et les effets liés au cycle saisonnier, à travers un coefficient de fonte explicité à l'aide d'une sinusoïde. Dans un deuxième temps, l'accent est mis sur la régionalisation de la donnée d'entrée fondamentale pour ce modèle degré jour : la température de l'air. La spatialisation des champs de température a été étudiée à l'aide d'outils géostatistiques, en se focalisant sur une meilleure compréhension des gradients altimétriques de température. L'objectif est de mieux cartographier les températures au pas de temps infra journalier et de déterminer un modèle d'interpolation pertinent et simple. Les perspectives sur l'utilisation des résultats obtenus dans ces deux phases de modélisation sont abordées en vue d'une utilisation future des modèles degré jour sur des bassins versants de montagne.

Memoire (M.A.)-- Universite du Quebec a Chicoutimi, 1993. / Ce travail de recherche a été réalisé à l'UQAC dans le cadre du programme de maîtrise en arts plastiques extensionné de l'UQAM à l'UQAC. CaQCU Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M. Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Bibliogr.: f. 154-192. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Le pergélisol est une composante majeure du système climatique terrestre. Avec le réchauffement du climat, la dégel du pergélisol profite à l'activité biochimique qui décompose davantage de matière organique dans les sols arctiques et la rejette dans l'atmosphère sous forme de gaz à effet de serre (CO2, CH4). Ce phénomène pourrait constituer une rétroaction climatique positive majeure. Prédire ces effets nécessite d'étudier l'évolution du régime thermique du pergélisol ainsi que des facteurs qui l'influencent. Le manteau neigeux, de par son pouvoir isolant, contrôle les échanges de chaleur entre le sol et l'atmosphère une grande partie de l'année. Le flux de chaleur à travers la neige dépend de la hauteur du manteau neigeux et de la conductivité thermique des couches de neige qui le constituent. Ces deux variables sont elles-même très dépendantes des conditions climatiques et de la présence de végétation. Nous réalisons ici le suivi des propriétés de la neige et du sol d'un site haut arctique de toundra herbacée (Île Bylot, 73N), et d'un site bas arctique à la frontière de la toundra arbustive et forestière (Umiujaq, 56N). Nous utilisons les données issues de stations de mesure automatiques complétées par des mesures manuelles. Une attention particulière est portée sur la conductivité thermique de la neige, car peu de données sont disponibles pour les régions arctiques. Le modèle numérique couplé ISBA-Crocus est ensuite utilisé pour simuler les propriétés de la neige et du sol des deux sites étudiés. Les résultats sont comparés aux mesures de terrain afin d'évaluer la capacité du modèle à simuler le régime thermique des sols arctiques.Nous avons pu caractériser les interactions atmosphère-neige-végétation qui façonnent la structure des manteaux neigeux arctiques. Le vent et la redistribution de neige qu'il induit sont des paramètres fondamentaux qui déterminent la hauteur et la conductivité thermique de la neige. Un couvert végétal haut et dense (arbustes, arbres) piège la neige soufflée et l'abrite du tassement éolien. De plus, la structure ligneuse des massifs arbustifs soutient la masse de neige et empêche son tassement. Cet abri procure à la neige une capacité d'isolation élevée qui retarde le gel du sol dès les premières accumulations. Le refroidissement atmosphérique se poursuivant, le manteau neigeux peu épais est soumis à un gradient thermique élevé qui provoque d'importants transferts de vapeur d'eau depuis le sol et les couches de neige basales, vers les couches supérieures et l'atmosphère. La croissance de givre de profondeur qui s'opère, favorisée à la fois par le gradient thermique élevé et la faible densité de la neige, aboutit à la formation de couches très isolantes en contact avec la surface du sol. Tant que le sol demeure relativement chaud, la croissance de givre de profondeur perdure. Finalement, des épisodes de fonte peuvent avoir lieu en automne durant la mise en place du manteau neigeux dans les régions arctiques. Le regel de la neige peut rapidement annuler ou même temporairement inverser l'effet isolant des interactions neige-végétation. Une surface de neige gelée ne subit pas l'effet du vent et empêche sa redistribution. La formation de croûtes de regel à forte conductivité thermique accélère le refroidissement du sol. Le manteau neigeux affecté par la fonte au début de l'hiver a donc une capacité d'isolation diminuée qui pourrait entraver le réchauffement des sols arctiques. Nos résultats de simulation montrent que ces différents effets ne sont pas correctement représentés dans les modèles de neige. Les erreurs dans les conductivités thermiques de la neige simulées sont particulièrement problématiques puisqu'elles interviennent lors de la période de gel du sol. Étant donné l'étendue des régions affectées par le pergélisol, ces erreurs sur la modélisation de la neige arctique pourraient significativement affecter les simulations climatiques et les projections de la hausse des températures globales. / Permafrost is a major component of the Earth climatic system. Global warming provokes the degradation of permafrost which favors biogeochemical activity in Arctic soils. The decomposition of organic matter increases and results in the release of high amounts of greenhouse gases (CO2 and CH4) to the atmosphere. By amplifying the greenhouse effect induced by human activities, this phenomenon may constitute one of the strongest positive feedbacks on global warming. Predicting these effects requires to study the evolution of the permafrost thermal regime and the factors governing it. The snowpack, because of its insulating effect, modulates the heat fluxes between permafrost and atmosphere most of the year. The snow insulating capacity depends on snow height and thermal conductivity. These two variables are highly dependent on climatic conditions and on the presence of vegetation. Here we monitor the snow and soil physical properties at a high Arctic site typical of herbaceous tundra (Bylot Island, 73°N), and at a low Arctic site situated at the limit between shrub and forest tundra (Umiujaq, 56°N). We use data from automatic measurement stations and manual measurements. A special attention is given to the snow thermal conductivity because very few data are available for Arctic regions. Results are interpreted in relation to vegetation type and atmospheric conditions. The numerical coupled model ISBA-Crocus is then used to simulate snow and soil properties at our sites. Results are compared to field data in order to evaluate the model capacity to accurately simulate the permafrost thermal regime.We managed to describe atmosphere-snow-vegetation interactions that shape the structure of Arctic snowpacks. Wind and the snow redistribution it induces are fundamental parameters governing snow height and thermal conductivity. A high vegetation cover (i.e. shrubs and forest) traps blowing snow and shields it from wind compaction. Vegetation growth thus favors the formation of an insulating snowpack which slows down or even prevents soil freezing. Furthermore, the shrubs woody structure supports the snow mass and prevents the resulting compaction of bottom snow layers. Thus sheltered, snow in shrubs develops a high insulating capacity which delays soil freezing. Continued atmospheric cooling increases the thermal gradient in the snow, maintaining large water vapor transfers from the soil and the snow basal layers to upper layers and atmosphere. The growth of depth hoar, enhanced by the large thermal gradient and the low snow density, results in the formation of highly insulating snow layers thus constituting a positive feedback loop between soil temperature and snow insulation. As long as the soil stays relatively warm, depth hoar growth persists. Finally, if warm spells occur in autumn, they can trigger the partial melting of the early snowpack which can cancel or temporarily reverse the insulating effect of snow-vegetation interactions. A frozen snow surface prevents snow drifting and its redistribution. The presence of highly conductive refrozen layers facilitates soil cooling and reduces the thermal gradient. An early snowpack affected by melting is thus less insulative which could hamper Arctic soil warming. Simulation results show that these different effects are not correctly represented in snow models. Errors in the estimated snow thermal conductivities are particularly problematic as they highly affect the simulation of soil freezing. Given the area of permafrost-affected regions, these errors on Arctic snow modelling could significantly impact climate simulations and the global warming projections.

Le 22 Août 2005 une crue intense s'est produite sur le bassin versant du Vorz, détruisant partiellement le hameau de la Gorge. Cet évènement a mis en évidence les difficultés à anticiper les conditions hydrométéorologiques en montagne où elles sont extrêmement variables spatialement et temporellement, et souvent faiblement instrumentées. De ce constat est né le projet de mettre en place un réseau d'instrumentation hydrométéorologique original sur le bassin versant du Vorz, afin d'y observer les phénomènes naturels et hydrologiques s'y produisant, de mieux les appréhender, et de construire les outils et méthodes nécessaires à leur modélisation. Après deux saisons de mesures, les premiers résultats ont montré que le réseau mis en place permet d'obtenir des informations à haute résolution spatiale et temporelle sur les processus hydrométéorologiques. Malgré son installation dans le milieu difficile de la montagne (accessibilité, froid, énergie,...), une très bonne fiabilité a pu être mise en avant, ainsi que des perspectives de transposition à d'autres bassins versants, et ce, pour un faible coût financier. L'originalité du réseau est de réaliser un multi-échantillonnage de nombreux paramètres hydrométéorologiques (pluviométrie, température, neige, insolation,...), avec des résolutions spatiales (10 à 50 mètres) et temporelles (horaire à moins) permettant d'envisager une modélisation hydrologique à différentes échelles, aussi bien pour la gestion des ressources en eau (long terme) que pour la prévention des crues (court terme). Les capteurs mis en place constituent un ensemble complémentaire et indissociable de divers instruments de mesure: iButtons (air et sol), totalisateurs, pluviomètres, appareils photographiques. La mise au point d'un capteur de mesure innovant de cartographie automatique de la couverture neigeuse (SnoDEC), à partir d'images photographiques classiques, prises à pas de temps régulier (5 à 7 images par jours) a été réalisée au cours de ce travail. Il permet de quantifier l'hérogénéité spatiale et temporelle des phénomènes d'enneigement sur le versant, prépondérants sur son hydrologie, au vue de la persistance nivale (5 à 10 mois). L'ensemble de ce dispositif permet de disposer d'une importante base de données, et de mettre en oeuvre différentes techniques d'interpolations des variables hydrométéorologiques sur l'ensemble du bassin versant. Ainsi, des cartographies précises du champ de température et de pluviométrie seront disponibles au pas de temps journalier. En outre, le capteur SnoDEC permettra d'analyser et quantifier l'hétérogénétité spatio-temporelle (altitude, exposition, vitesse de fonte,...) de la couverture nivale. A partir de ces données, on pourra mieux appréhender les mécanismes hydrologiques en jeu sur le site et dessiner les contours des modélisations futures. Dans le même temps, les données disponibles pourront être combinées afin de mettre en évidence des phénomènes difficilement mesurables (limite pluie/neige, inversion thermiques,...), qui serviront à l'avenir à contraindre de manière précise les modèles nivologiques et hydrologiques. Au travers des différents paramètres instrumentés, et grâce à l'utilisation de l'imagerie, ce réseau est capable de mesurer des variables relevant de nombreux champs disciplinaires (dynamique glaciaire, cyle végétatif,...). Il s'inscrit ainsi, par son approche interdisciplinaire, dans une volonté de mise en place d'un réseau de mesure à coût limité, destiné à l'ensemble des acteurs de l'étude et la recherche des milieux de la montagne. / In August 2005, a intense flashflood occurs on the Vorz catchment affecting the village of Saint-Agnès. This event highlighed the difficulties to forecast the hydrometeorological conditions in mountain areas where they are extremely variable in space and time (spatially and temporally) and frequently poored monitored. From this observation a project was funded to implement an original meteorological monitoring system on the catchment, in order to observe the natural and hydrologic phenomena to better understand them and to build methods and tools for their modeling. After two years of monitoring, the first results showed that the network implement allows to obtain informations on hydrometeorological process at high spatial and temporal resolution. In spite of the installation in a harsh mountain environment (access, cold, energy,...) a very good reliability, and a lot of perspectives of transpositon on other catchments have been point up for low investment costs.The originality of the network is to achieved a multi-sampling on a lot of hydrometeorological parameters (rain, temprature, snow, insulation,...), with spatial (10 to 50 meters) and temporal (hourly or less) resolution to performed a hydrological modeling at different scale both for the water ressource management (long term) or flashflood prevention (short term). The Sensors use in the network constitute a complementary and indivisible set of monitoring system: iButtion (air and soil temperature), rain gauge, totalizer, cameras. The development of an innovative sensor for automatic cartography of the snow cover (SnoDEC) from terrestrail photographies was achived during this work. This sensor allows to quantify spatial and temporal heterogeneity of snow cover evolution on the catchment, with images taken at regular time steps (5 to 7 frames per day). This heterogenity is essential for understand and modelling the hydrology considering the strong snow persistence (5 to 10 months). The dense network set up on the catchment enable us to collect a large database and implement different interpolation techniques on hydrometeorological process on the catchment. Thus, accurate maps of temperatures and rain are created with a daily or hourly timestep. Furthermore, the SnoDEC sensor will permit to analyse and quantify the spatial and temporal heterogeneity (elevation, aspect, velocity of melting,...) of the snow cover. From the database, we will better understand the hydrological mechanisms occuring on the site, and we will build the first ideas and method for the future modelisation. In the same time, the available data will be combinate in order to highlight phenomena very difficult to measure (rain/snow limit, thermical inversion,...) and that will be use in the future to constraint accurately the snow and hydrologic models. Because of the different parameters monitored and the use of imagery, the network is able to measure variables from many field of study (glacier dynamic, vegetative cycle,...). Thereby, with its interdisciplinary approach the network think to implement a monitoring system at low cost in destination of the actors of study and research in mountain.