La circulation thermohaline (THC) influe fortement sur le climat de l'Atlantique Nord. Le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de CO2 risque d'altérer cette circulation océanique et donc le climat. Dans cette thèse nous proposons d'évaluer ce risque et de comprendre l'impact climatique de la THC dans le futur grâce au modèle couplé tridimensionnel océan-atmosphère-glace-de-mer-surface-terrestre IPSL-CM4. Dans un premier temps nous avons fait un tour d'horizon des principales théories et connaissances concernant la THC. Nous avons ensuite validé la pertinence d'IPSL-CM4 pour mener notre étude. Le rôle du sel est apparu primordial pour la dynamique de la THC. Nous avons ensuite mis en évidence la sensibilité de la THC au forçage global en eau douce de l'océan. Les différentes sensibilités des sites de convection de l'Atlantique Nord, liées principalement au processus de transport de sel, ont ainsi été mises en lumière dans IPSL-CM4. Nous nous sommes ensuite tourné vers l'analyse de simulations scénarios pour les siècles à venir. Il est apparu une diminution signicative de la THC dans ces simulations, qui est fortement ampliée si la fonte du Groenland est prise en compte. L'analyse de divers scénarios prenant en compte ou non cette fonte des glaciers a aussi permis d'isoler de manière originale le rôle joué par les rétroactions de la THC. En dernier lieu, l'effet de la THC sur le climat a été quantié dans IPSL-CM4 et apparaît être plus faible que le réchauffement climatique, même localement sur l'Europe. L'explication des mécanismes d'inuence de la THC sur le climat a aussi été clariée. L'impact de la THC sur le stockage de carbone dans l'océan a enn été évalué, et apparaît être très faible sur 140 ans. Tout ceci permet d'appréhender le rôle de la THC pour le climat et de son devenir dans le futur.

Les modes de variabilités interannuelles du système couplé océan-atmosphère auxmoyennes latitudes de l'hémisphère sud sont étudiés avec un modèle de compléxité intermédiaire. L'objectif est de déterminer les mécanismes d'interactions océan-atmosphère indépendamment du forçage tropicale. Le modèle est un modèle atmosphérique quasi-géostrophique à 3 niveaux, couplé à une couche de mélange océanique de profondeur constante incluant l'advection géostrophique par le courant circumpolaire Antarctique (ACC). Le couplage océanatmosphère se fait par les flux de chaleur de surface et les transports d'Ekman forcés par la tension de vent de surface. Dans une simulation totalement couplée, l'atmosphère, qui inclue la dynamique des transitoires baroclines, exhibe un mode annulaire (SAM) comme premier mode de variabilité interannuelle. Les anomalies de vent induites par le SAM créent des courants méridiens d'Ekman dans la couche de mélange qui induisent à leur tour des anomalies de température océanique de surface qui sont ensuite avectées par l'ACC. Un mécanisme purement forcé où le rôle de l'océan est réduit à l'advection des anomalies de SST est suffisant pour reproduire les caractéristiques principales de la variabilité. Néanmoins, une rétroaction positive de l'océan est mise en évidence par l'analyse de la réponse stationnaire atmosphérique à une anomalie de SST (SSTa). Celle-ci est déterminée pour un ensemble d'expériences où une SSTa idéalisée est localisée en 14 longitudes différentes, uniformément réparties le long d'un cercle de moyenne latitude. En projetant les réponses obtenues sur les modes verticaux atmosphériques, il est mis en évidence la partition de la réponse en une composante barocline identique quelque soit la position de la SSTa et une composante barotrope se projetant sur le mode dominant de variabilité atmosphérique du modèle. La SSTa induit une anomalie d'air chaud dans la couche basse atmosphérique qui engendre une réponse barocline 45o à l'est. Cette réponse est due à l'advection du vortex stretching induit par la SSTa, par les vents d'ouest quasi-stationnaires. La réponse barotrope consiste en une haute pression aux moyennes latitudes et une basse pression sur le pôle quand les SSTa sont localisées de l'océan Atlantique ouest au centre de l'océan Indien ; et d'une haute pression sur le pôle quand elle est localisée du bassin Autralo- Antarctique au centre de l'océan Pacifique. Les réponses barotropes ont une composante tourbillonnaire identique. La différence entre les réponses est déterminée par la composante zonalement symétrique qui se projette sur le SAM. La réponse barotrope est formée par le terme d'advection de vorticité relative basse fréquence qui est lui-même déterminé par l'impact sur le pôle des interactions de l'anomalie de vorticité relative aux moyennes latitudes avec les ondes stationnaires du modèle.

Dans le cadre du développement d'un outil numérique couplé atmosphère-océan-biogéochimie permettant de lier les processus physiques et biogéochimiques et de mieux comprendre la rétroaction entre l'océan et l'atmosphère, nous avons couplé la version unidimensionnelle du modèle atmosphérique NARCM (MLC) au modèle océanique GOTM et au modèle biogéochimique NODEM. Le but de ce travail consistait, d'une part, à développer le modèle couplé NODEM-GOTM-MLC et, d'autre part, à valider et évaluer ce modèle couplé au niveau de l'Hydrostation S en mer des Sargasses durant l'année 1992. Ceci a été réalisé tout en étudiant l'ensemble des processus physiques et biogéochimiques influençant la production du DMS océanique et la ventilation du DMS vers l'atmosphère. Pour réaliser le couplage NODEM-GOTM-MLC, la stratégie suivie consistait au développement d'une interface permettant les échanges des champs atmosphériques et océaniques nécessaires au forçage de surface. Par ailleurs, afin de valider notre modèle couplé NODEM-GOTM-MLC, nous avons comparé, d'une part, les flux d'énergie en surface simulés par le modèle avec ceux de ré-analyses NCEP et, d'autre part, le cycle annuel de la Chla et du DMS(Pp) avec les données d'observations disponibles au niveau de l'Hydrostation S pour l'année 1992. Le résultat de cette recherche montre que le modèle couplé est capable de reproduire les principaux composants du flux net d'énergie d'une manière adéquate. De plus, par comparaison avec l'ancienne version NODEM-GOTM, les simulations des cycles du DMS et du DMSPp ont été améliorées suite au couplage avec MLC. Cette nouvelle version est notamment capable de simuler les trois principaux pics du DMS présents dans les données d'observations. Cette amélioration se traduit quantitativement lors du calcul des coefficients de détermination, qui confirment que cette nouvelle version est mieux corrélée aux observations que l'ancienne. Nous avons conclu notre travail en montrant que le modèle NODEM-GOTM-MLC capte la majorité des événements locaux qui se produisent à petite échelle et à l'échelle saisonnière, en dépit du fait qu'il possède des limitations liées aux erreurs des paramétrages du modèle et à l'incapacité du modèle ID à simuler certains types d'événements. Finalement, cette étude montre qu'une meilleure simulation de tous les composants du système climatique améliore la production du DMS océanique qui sera ventilé vers l'atmosphère. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : couplage, échanges atmosphère-océan-biogéochimique, DMS, NODEM-GOTM-MLC, version ID de NARCM

C'est dans les années 1980 que l'importance de l'Atlantique Tropical sur le climat des régions avoisinantes a été clairement mise en évidence, notamment grâce à l'expérience FOCAL-SEQUAL. Celle-ci a également permis d'observer des tourbillons et des ondes océaniques influant sur la circulation et les transports de chaleur de petite et moyenne échelles spatio-temporelles. Avec le programme WOCE des années 1990 et les mesures effectuées de la surface au fond de l'océan, le rôle de l'Atlantique Tropical sur la circulation thermohaline de grande échelle a pu également être identifié. Dans ce mémoire, je vais décrire mes différentes contributions aux observations et aux analyses portant sur toutes les dimensions de ce bassin Atlantique Tropical, de la surface au fond, et de l'Ouest vers l'Est et le Golfe de Guinée. Ces travaux m'ont amené à initier et à coordonner des programmes de recherche et de formation universitaire, qui seront également évoqués. Je conclurai par des perspectives de recherche spécifiques à la région Est du bassin, et d'observations, tant en terme de campagnes de mesures que de réseaux.

Il a été démontré que l'ozone troposphérique mesuré à la Réunion subit à la fois l'influence des feux de biomasse d'Afrique du Sud et de Madagascar, mais aussi l'influence d'intrusions stratosphériques. Situé à 21° Sud, le site est fortement influencée par le courant jet subtropical en hiver austral mais aussi au printemps austral. Le début des mesures d'ozone troposphérique à la Réunion date de 1992 avec les premiers radiosondages. L'installation d'un lidar dial a permis d'enrichir les mesures d'ozone troposphérique à partir de 1998. Des mesures d'ozone par radiosondages ont également lieu à Irene en Afrique du Sud depuis 1990. En 1998, les sites d'Irene et de la Réunion ont intégré le réseau SHADOZ (Thompson et al. , 2003). Les travaux présentés visent à analyser la base de données ozone de la Réunion avec une approche lagrangienne afin de déterminer l'influence relative des sources photochimique et stratosphérique sur l'ozone troposphérique. Ce travail commence par une étude comparative de la climatologie et des tendances de l'ozone troposphérique pour deux sites de la région : l'île de la Réunion et Irene en Afrique du Sud. Les tendances de l'ozone troposphérique ont été calculées sur l'ensemble de la base de données de la Réunion et d'Irene à la fois sur la colonne troposphérique totale et aussi en subdivisant la troposphère en couches atmosphériques représentatives de la basse, moyenne et haute troposphère. Ce travail d'examen des données, de bilan climatologique et de calcul de tendances a permis de mettre en évidence les caractéristiques spécifiques des données, les caractéristiques climatologiques de l'ozone troposphérique dans la région et de poser une hypothèse sur l'évolution des sources d'ozone dans la région. Par la suite, l'analyse de la base de données ozone de la Réunion à l'aide de l'outil trajectographique lagrangien Lacytraj a permis de mettre en évidence la saisonnalité des intrusions stratosphériques ainsi que leurs caractéristiques saisonnières à savoir la profondeur des intrusions, le rapport de mélange en ozone associé aux masses d'air d'origine stratosphérique, les distributions verticales saisonnières des intrusions stratosphériques.

Ce travail évalue le potentiel du zinc et plus particulièrement des terres rares à tracer les différents processus le long d'une catena issue d'une formation carbonatée constituée d'une succession de bancs marneux et calcaires, et ayant subi des processus de décarbonatation, des conditions redox en lien avec l'hydromorphie et de l'éluviation. L'approche choisie repose (i) sur la spéciation des terres rares, à l'aide de méthodes physiques et chimiques, dans les traits pédologiques formés par les différents processus et des matériaux aux dépens desquels ils se sont développés, (ii) sur la quantification par bilan de masse des flux de terres rares et éléments majeurs associés. Ce travail a nécessité deux mises aux points méthodologiques : une méthode de normalisation des terres rares, basée sur l'enfoncement des fronts de transformation afin de quantifier l'impact des processus successifs sur le fractionnement des terres rares ; une méthodologie de reconstruction des matériaux parentaux pour chacun des horizons, l'approche par bilan de masse nécessitant une connaissance des stocks initiaux. L'impact de deux processus sur les fractionnements de terres rares est ensuite plus particulièrement abordé : la décarbonatation des matériaux parentaux et les processus d'oxydo-réduction. On montre ainsi l'importance de comparer les quantités mises en solution aux flux calculés par les bilans de masse pour prédire le devenir des éléments libérés et l'intérêt des terres rares pour quantifier les cycles de dissolution/précipitation des oxydes de fer et de manganèse.

Des nouvelles courbes de polarisation et de radiances en fonction de l'angle de diffusion sont étudiées à _ = 632,8 nm et 543,5 nm en utilisant des instruments PROGRA2 (Propriétés Optiques des GRains Astronomiques et Atmosphériques) pour différents types d'échantillons de suie et de noir de carbone en lévitation dans l'air et déposés sur une surface. Les échantillons de suie sont produits dans des conditions de combustion différentes, affectant ainsi leurs propriétés morphologiques. Un générateur de suie a été également utilisé pour étudier des suies 'jeunes' émises par la combustion du propane. Une comparaison des propriétés optiques entre les suies en lévitation et déposées sur une surface a été discutée. Enfin, ces courbes sont comparées à celles produites par différents types de sable. Les amplitudes de polarisation produites par la suie diffèrent en fonction du diamètre des particules primaires et de la distribution en taille. Ces courbes seules sont donc insuffisantes pour estimer la nature des agglomérats solides qui pourraient être détectés par des mesures à distance dans la stratosphère. D'autre part les courbes de radiance produites par ces échantillons montrent un comportement différent de celles produites par les échantillons de sable et par la poussière interplanétaire. Il est donc important lors de l'interprétation des mesures stratosphériques de combiner les courbes de radiances avec les courbes de polarisation pour déterminer la nature des agglomérats et de fournir des informations sur la nature de suie détectée telle que la taille des particules primaires ainsi que la distribution en taille.

L'étude des aérosols de la stratosphère est primordiale pour modéliser précisément le bilan radiatif terrestre, et pour évaluer l'influence des particules sur le cycle de destruction de l'ozone. Depuis la découverte de la couche de Junge, ce domaine de recherche connaît différents décors, du plus important contenu en aérosols du dernier siècle après l'éruption du Mont Pinatubo en 1991, à un rétablissement vers les faibles niveaux atteints dans les années 2000, qui permet l'étude des particules autres que celles d'origine volcanique. Cependant, à ce jour, le degré de connaissance est faible quant à la distribution spatiale et verticale de ces aérosols dans la moyenne et haute stratosphère. Leur détection présente plusieurs difficultés: les particules ont une grande variété d'origines, compositions, tailles et formes, et leurs faibles épaisseurs optiques rendent indispensables des résultats précis. Un algorithme d'inversion développé au LPC2E a été adapté à l'analyse des données de niveau 1b de l'instrument GOMOS à bord d'ENVISAT, qui emploie la technique d'occultation stellaire, et fournit une bonne (mais irrégulière) couverture géographique et temporelle des mesures; un critère de sélection est d'ailleurs nécessaire du fait de l'utilisation de sources lumineuses de propriétés différentes. La méthode mise au point est validée pour l'étude de l'extinction induite par les aérosols; une climatologie globale est alors établie pour la période allant d'août 2002 à juillet 2006, et indique la présence permanente de particules dans l'ensemble du globe, jusqu'à environ 45 km d'altitude. La variabilité temporelle de l'extinction montre une augmentation progressive du contenu moyen depuis 2002 aux latitudes tropicales dans la basse stratosphère, et a permis d'évaluer l'effet de l'oscillation quasi-biennale et d'étudier d'autres variations saisonnières. La dépendance spectrale permet de déduire certaines spécificités concernant la taille et la nature des aérosols, majoritairement des particules sulfatées, mais également des suies en provenance de la troposphère et des particules d'origine interplanétaire.

Le golfe du Tonkin, située dans la mer de l'Est/la mer de Chine du Sud, est une zone de fort intérêt écologique, touristique et économique. Améliorer notre connaissance de ses processus hydro-sédimentaires (transport de particules en suspension) est d'une grande importance. L'objectif scientifique de cette étude est de revoir les processus physiques dominants qui caractérisent la dynamique des marées dans le golfe du Tonkin en utilisant un modèle à haute résolution et la combinaison de toutes les données disponibles. Une attention particulière est donc accordée à un examen croisé du modèle, des marégraphes et de l'altimétrie en zone côtière, ainsi qu'à l'étalonnage du modèle dérivé d'un ensemble d'expériences de sensibilité aux paramètres. Le bilan d'énergie des marées du golfe (flux d'énergie et de dissipation) est ensuite analysé et ses propriétés de résonance sont évaluées et comparées avec des modèles idéalisés et les observations. Ensuite, la marée résiduelle eulérienne et lagrangienne est évaluée. Enfin, on montre que le mélange de marée ne suffit pas à expliquer les structures frontales observées et associées à des concentrations élevées de chlorophylle.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence sur l'atmosphère de la variabilité des fronts océaniques associés aux extensions du Kuroshio (KE) et de l'Oyashio (OE), et de la différencier de l'influence des modes de variabilité grande échelle de la SST du Pacifique Nord, en particulier l'oscillation décennale du Pacifique (PDO). Nous utilisons pour cela la réanalyse atmosphérique ERA-Interim à partir de 1979, et des index déjà disponibles décrivant la variabilité des courants. Dans une première partie, nous nous focalisons sur l'influence du KE, en utilisant une méthode statistique de régression partielle avec décalage temporel, avec filtrage en amont du signal lié aux téléconnexions ENSO. Nous montrons que la phase positive du KE induit une réponse atmosphérique significative équivalente barotrope pendant la saison d'octobre à janvier, avec une anomalie positive de pression au centre du Pacifique Nord et sur l'ouest des Etats-Unis, et un renforcement du vortex polaire. Dans une deuxième partie, nous utilisons une méthode statistique multivariable permettant d'analyser en parallèle les réponses atmosphériques aux différents forçages océaniques pouvant être corrélés entre eux. Cette méthode permet d'inclure, outre les indices décrivant la variabilité du KE et de l'OE, les principaux modes de variabilité grande échelle de la SST tels que la PDO qui est très corrélée à l'OE, les modes tropicaux tels qu'ENSO, mais également la variabilité de la glace de mer. La réponse atmosphérique étant très dépendante de l'état moyen de l'atmosphère, nous distinguons trois saisons : le début d'hiver (OND), l'hiver (DJF), et la fin d'hiver (FMA). / The aim of this work is to study the influence on the atmosphere of the variability of the oceanic fronts associated with the Kuroshio and Oyashio Extensions (KE and OE), and to differentiate it from the influence of the main SST mode of the North Pacific, in particular the Pacific Decadal Oscillation (PDO). We use the atmospheric reanalysis ERA-Interim starting from 1979, and indices that describe the variability of the KE and OE that are already available. In the first part of this work, we focus on the KE influence, using lag partial regression analysis with the ENSO signal removed. We show that in October to January the positive phase of the KE leads to a downstream barotropic high response in the central North Pacific and over western United States, and an enhanced polar vortex. We try to understand the mechanisms behind this atmospheric response analyzing the KE influence on the synoptic activity. In the second part, we use a multivariate statistical method that allows us to analyze in parallel the atmospheric response to different oceanic forcings that may be correlated to each other. In addition to the KE and OE indices, we include in the analysis the main modes of SST variability of the tropical and northern hemisphere oceans, such as the PDO in the North Pacific and ENSO in the tropical Pacific. We also include sea ice variability in the Arctic. The atmospheric response being very dependent on the mean background flow, we distinguish between three seasons: early winter (OND), winter (DJF) and late winter (FMA).