This thesis addresses the problem of understanding and quantifying the variability of the atmosphere over wide ranges of space-time scales. We present empirical tests of a scaling model, the 23/9D model, which is an intermittent and anisotropic generalization of classical laws of turbulence - such as the Kolmogorov law - which describes how the statistical properties of atmospheric fields vary with spatial scales. We first address this problem for vertical sections for which there is still an ongoing debate about the nature of atmospheric dynamics: whether it is isotropic with a break in the horizontal scaling or anisotropic, but in a scaling manner. We make the first direct estimate of the joint horizontal-vertical structure function using wind velocity data measured on 14500 aircraft flights segments and demonstrate that it strongly supports the 23/9D model. We also study the consequences of this spatial anisotropy for the full horizontal space-time statistics. By considering that small structures are advected by larger turbulent ones and by considering averages over the latter, we theoretically obtain scale functions (which are generalizations of the notion of scale) which allow us to estimate structure functions and spectra. We test these predictions using geostationary satellite infrared data over the range 5 km to ~10000 km, 1 hour to 2 months. We found that our model could accurately reproduce the 3D (kx, ky, ω) spectral density over the range 1 hour to ~ 4 days and 30 km to ~5000 km. To obtain a more complete description of the statistics, we also found that our model accurately describes atmospheric radiance turbulent flux statistics (including infrared and passive microwave imagery over scale ranges of 100 km to 20000 km, 1 day to 1 year) with only small deviations at small and large scales. We finally show how to include atmospheric waves considered as strongly nonlinear phenomenon driven by turbulent fluxes and constrained by scaling symmetry, thus extending the 23/9D model. The theoretical development proposed is based on an effective turbulence - wave propagator which corresponds to a fractional and anisotropic extension of the classical wave equation propagator with dispersion relation similar to those of inertial gravity waves (and Kelvin waves) yet with anomalous (fractional) order Hwav/2. Using geostationary MTSAT IR radiances, we estimated the parameters finding that Hwav ≈0.17 (the classical value =2). / Cette thèse s'intéresse au problème de comprendre et de quantifier la variabilité de l'atmosphère sur de grandes gammes d'échelles spatio-temporelles. Nous présentons des tests empiriques d'un modèle ''scaling'', le modèle 23/9D, qui est une généralisation intermittente et anisotrope des lois classiques de la turbulence - telle la loi de Kolmogorov - qui décrivent comment les propriétés statistiques des champs atmosphériques varient avec l'échelle spatiale. Nous abordons d'abord le problème pour des sections verticales par rapport auxquelles un débat sur la nature de la dynamique atmosphérique continue toujours: l'atmosphère est-il isotrope avec une brisure de symetrie d'échelle dans l'horizontal ou est-il décrit par une symétrie d'échelle, mais anisotrope ? Nous présentons le premier estimé direct de la fonction structure horizontale-verticale sur des vitesses de vent mesurées sur 14500 segments de vols d'avions et démontrons qu'elle supporte fortement le modele 23/9D. Nous étudions également les conséquences de cette symétrie d'échelle anisotrope sur les statistiques dans l'espace horizontal-temporel. En considérant que les plus petites structures turbulentes sont "advectées" par les plus grosses et en considérant un moyennage sur ces dernières, nous obtenons une forme théorique pour la fonction d'échelle (qui est une généralisation de la notion d'échelle), ce qui nous permet d'estimer les fonctions structure et les spectres. Nous testons ensuite ces prédictions à l'aide de données de rayonnement infrarouge prises par des satellites geostationnaires sur l'intervalle 5 km ~ 10000 km, 1 h ~2 mois. Nous avons trouvé que notre modèle pouvait précisement reproduire la densité spectrale 3D (kx, ky, ω) sur l'intervalle 1 h à ~ 4 jours et 30 km à ~5000 km. Afin d'obtenir une description statistique plus complète, nous avons également trouvé que notre modèle décrit précisement les statistiques des flux turbulents de rayonnements atmosphériques (dans l'infrarouge et pour les micro-ondes passives sur la gamme d'échelles 100 km a 20000 km, 1 jour a 1 an) avec seulement de légères déviations à petites et grandes échelles. Finalement, nous démontrons comment inclure les ondes atmosphériques, considerées ici comme un phénomène fortement non-linéaire dirigé par les flux turbulents et contraint par la symétrie d'échelle; étendant donc le modèle 23/9D. Les développements théoriques présentes sont basés sur un propagateur effectif turbulence-ondes qui correspond a une extension fractionnaire et anisotrope du propagateur de l'équation d'ondes classique avec une relation de dispersion similaire à celle des ondes gravitationnelles inertielles (et des onde sde Kelvin), mais d'ordre anormal (fractionnaire) = Hwav/2 . À l'aide de données infrarouge du satellite géostationnaire MTSAT, nous avons estimé les paramètres du modèle, trouvant Hwav ≈0.17, (la valeur classique étant =2).

This thesis investigates the hypothesis that the stochastic structure of deterministic models of the atmosphere is captured by multiplicative cascade processes. Using data from reanalyses (ERA 40) and two meteorological models (GFS, GEM), we investigate the spatial and temporal cascade structures of the temperature, humidity, and horizontal wind at various altitudes, latitudes, and forecast times. Over the range spanning from the model dissipation scales (≈100 km) to at least 5000 km and for statistical moments up to order 2, the cascade predictions are satisfied to typically better than ±1%. In time, we find corresponding cascade structures with outer scales of roughly 15 days. By constructing space-time diagrammes, we find they are roughly linear up to 5-10 days with transformation velocities of about 1000 km/day, as predicted based on the solar energy flux. This transition time scale, which corresponds to planetary size structures, objectively defines the weather/climate transition. / Cette thèse examine si la structure stochastique des modèles atmosphérique peut être décrite par des processus de cascades multiplicatives. Utilisant les données de réanalyse (ERA40) et de deux modèles météorologiques (GFS, GEM), les structures de cascades spatiale et temporelle des champs de température, humidité et vent horizontal à différentes altitudes, latitudes et temps de prévision sont examinées. De l'échelle de dissipation du modèle jusqu'à au moins 5000 km et jusqu'au moment statistique q=2.0, les prédictions de cascade sont vérifiées à typiquement ±1% ou moins. Les analyses temporelles indiquent des structures de cascade avec échelles externes d'approximativement 15 jours. Les diagrammes espace-temps correspondants sont approximativement linéaires jusqu'à 5-10 jours avec des vitesses de transformation d'environ 1000 km/jour, ce qui est consistent avec le calcul fait à partir du flux d'énergie solaire. Cette échelle de temps de transition correspondant aux structures de tailles planétaires définit objectivement la transition de la météologie au climat.

In viscous-plastic (VP) sea-ice models, small deformations are approximated by irreversible viscous deformations, introducing a non-physical energy sink. As the spatial resolution and the degree of numerical convergence of the models increase, linear kinematic features (LKFs) are better resolved and more states of stress lie in the viscous regime. Energy dissipation in the non-physical viscous regime therefore increases. We derive a complete kinetic energy (KE) balance for sea ice, including separate plastic and viscous energy sinks to study energy dissipation. The main KE balance is between the energy input by the wind and the dissipation by the water drag and the internal stresses (dissipating respectively 87\% and 13\% of the energy input on an annual average). The internal stress term is mostly important in winter when ice-ice interactions are dominant. The energy input that is not dissipated locally is redistributed laterally by the internal stresses in regions of dissipation by small scale deformations (LKFs). Of the 13\% dissipated annually by the internal stress term, 93\% is dissipated in friction along LKFs (14\% in ridging, 79\% in shearing) and 7\% is stored as potential energy in ridges. For all time and spatial scales tested, the frictional viscous dissipation is negligible compared to the frictional plastic dissipation (between 10 to 1000 times smaller). This conclusion remains valid when the spatial resolution and the numerical convergence of the simulations are increased. Overall, the results confirm the validity, from an energy point of view, of the VP approximation. / La plupart des modèles de dynamique de glace marine en Arctique présentement utilisés dans la communauté scientifique sont basés sur une formulation des déformations correspondant aux matériaux viscoplastiques (VP). Les modèles VP font l'approximation que les petites déformations élastiques (réversibles) peuvent être remplacées par des déformations visqueuses (irréversibles), ce qui représente un nouveau puits d'énergie fictif dans les modèles. L'énergétique des modèles de glace est affectée par la résolution spatiale du réseau, ainsi que par le nombre d'itérations requises pour la résolution des équations non-linéaires gouvernant le système. Plus le nombre d'itérations et la résolution sont élevés, plus les lignes de fractures (déformations plastiques) sont bien définies. Les points de maille auparavant en régime plastique migrent donc vers le régime visqueux (non physique) en augmentant ainsi l'énergie perdue dans ce mode de déformation. Nous formons l'équation de la conservation de l'énergie cinétique pour étudier la dissipation d'énergie dans les modèles VP de glace marine. La dissipation d'énergie dans les déformations est séparée en deux puits distincts pour la dissipation d'énergie par les déformations visqueuses et par les déformations plastiques, afin d'évaluer la contribution du mode non physique à la balance énergétique. Pour toutes les échelles spatiales et temporelles étudiées, la dissipation par les déformations visqueuses est négligeable par rapport à la dissipation par les déformations plastiques, ce qui confirme la validité l'approximation VP d'un point de vue énergétique.

This thesis is concerned with the possible future changes in the stratosphere as a result of climate change. In this context, the climate change forcing can be separated into two components: (i) radiative forcing due to a doubling of the atmospheric CO2 mixing ratio, and (ii) surface thermal forcing. My focus is on the response in the circulation of the Northern Hemisphere stratosphere in winter. All experiments are carried out with a chemistry-climate model (CCM, i.e. an atmospheric general circulation model coupled to a chemistry model), the IGCM-FASTOC, and all results shown are averages over 100-year or 50-year simulations in timeslice mode (i.e. every year can be considered as one member of an ensemble having 50 or 100 members). This allows statistically robustresults in a region of high variability in the temperature and wind fields.When the IGCM-FASTOC is coupled to a mixed-layer slab ocean, the Arctic lower stratosphere in winter warms by up to 4K under 2xCO2 conditions, with associated weakening of the polar vortex and enhancement of the Brewer-Dobson circulation (BDC). This change is related to a significant increase in the Rossby wave forcing near the vortex core starting in January, followed by anincreased wave forcing at the lower edge of the polar vortex in February. Maximum wave forcing is found both to begin earlier in the winter and to be distributed over a longer period of time in the 2xCO2 climate. Results from four additional pairs of simulations (control and 2xCO2), in which sea and/or land surface temperatures were either calculated interactively, prescribed as a climatological cycle, or prescribed as interannually varying monthly-mean fields, demonstrate that the interannual variability in sea and land temperatures, and the adjustment of oceans and lands to the atmosphere and to one another, are essential in order to maintain realistic stratospheric forcing by Rossby waves and to adequately capture the stratospheric response to global warming. Specifically, when the land is interactive but the slab ocean is replaced by prescribed interannually varying monthly-mean temperatures, the stratospheric response is qualitatively similar to the fully interactive case, but has lower amplitude and is statistically significant over a smaller area.In the experiment without interannual variability, there is no response in stratospheric dynamics.To assess the impact of surface temperatures on the stratospheric circulation, a separate suite of experiments was carried out in which a 2K temperature anomaly was added to the control surface temperature at all gridpoints within latitudinal windows of 10 or 30 degrees. Thermal surface forcing applied anywhere equatorwards of 20N, or continuously from the equator to 30N, increases the generation of planetary waves in the troposphere, resulting in increased upward propagation. Consequently, a greater flux of wave activity enters the mid- to high latitude stratosphere and breaks in the polar vortex,increasing the BDC and leading to a warm anomaly in the polar stratosphere. Ozone concentration increases at high latitudes and decreases at low latitudes. Thermal surface forcing imposed between 30N and 60N has the reverse effect and leads to a stronger and colder vortex. Thermal forcing applied polewards of 60N has little effect on tropospheric baroclinicity, but results in a sufficientdecrease of the vertical flux of planetary wave activity that the vortex becomes anomalously strong and cold. In all cases when surface forcing is imposed only polewards of 30N, the ozone concentration decreases at high latitudes but is not affected at low latitudes. Combining the forcing in an equatorial and a mid-latitude band leads to a response similar to that of the equatorial forcing, demonstrating that the subtropical surface temperature changes dominate the sign of the surface-driven response in the vortex. / Cette thèse étudie les possibles futurs changements dans la stratosphère dus au forçage par les changements climatiques. Dans ce contexte, les changements climatiques peuvent être séparés en deux composantes: (i) le forçage radiatif dû à un doublage de la concentration de CO2 dans l'atmosphère et (ii) le forçage thermique à la surface. L'emphase est mise sur la réponse dans lacirculation de l'Hémisphère nord en hiver. Toutes les expériences sont réalisées au moyen d'un modèle climat-chimie (un modèle de la circulation générale de l'atmosphère couplé à un modèle de chimie), le IGCM-FASTOC, et les résultats présentés sont les moyennes sur 100 ou 50 ans de simulations en mode répété (ou stationnaire, i.e. chaque année peut être considérée comme un membred'un ensemble ayant 100 ou 50 membres). Ceci permet d'aboutir à des résultats qui sont statistiquement significatifs dans une région où la température et les vents sont hautement variables.Lorsque le IGCM-FASTOC est couplé à un océan homogène de 25m de profondeur et que les températures de surface sont calculées de façon interactive, la réponse dans la basse stratosphère de l'Arctique à un doublage de CO2 est un réchauffement de 4K, accompagné d'un affaiblissement du vortex polaire et d'une augmentation de la circulation Brewer-Dobson (CBD). Ces changements sont reliés à une importante augmentation du flux vertical d'ondes Rossby, qui décélèrent le centre du vortex dès le mois de janvier, puis son bord inférieur en février. Le forçage maximal du vortex par les ondes débute plus tôt dans la saison hivernale et dure pour une plus grande période de temps dans le climat 2xCO2. Quatre paires de simulations supplémentaires (contrôle et 2xCO2) ontété réalisées, dans lesquelles les températures à la surface de l'océan et/ou de la terre étaient soit calculées de manière interactive, soit prescrites comme cycle climatologique fixe ou ayant une variabilité interannuelle. Ces expériences démontrent que la variabilité interannuelle, tout comme les ajustements des températures de surface à l'atmosphère ou des températures de la terre à celle des océans, sont essentielles pour maintenir un forçage réaliste du vortex par les ondes Rossby et donc pour capturer la réponse auxchangements climatiques de façon adéquate. Quand la surface terrestre est interactive mais l'océan couplé est remplacé par des températures imposées qui varient à l'échelle interannuelle, la réponse dans la stratosphère est qualitativement semblable à celle de l'expérience ayant l'océan interactif; par contre, cette réponse a une amplitude inférieure en plus d'être statistiquement significative sur une région moins importante. Les expériences sans variabilité interannuelle ne montrent aucun changement de la circulationdans la stratosphère.Pour évaluer l'importance du rôle de la température de surface dans la circulation stratosphérique, j'ai entrepris une nouvelle série d'expériences dans lesquelles une anomalie thermique de 2K est imposée à tous les points de grille à l'intérieur de bandes zonales larges de 10 ou de 30 degrés de latitude. Lorsque le forçage thermique est imposé à la surface entre 0N et 20N, ou de façon continue entre 0N et 30N, un plus grand flux d'activité ondulatoire accède à la stratosphère dans les moyennes et hautes latitudes. Les ondes se cassent dans le vortex, menant à une augmentation de la CBD et à une anomalie positive dans température de la stratosphère polaire. Un forçage thermique imposé à la surface entre 30N et 60N donne le résultat inverse, soit un vortex plus fort et plus froid. Le forçage thermique imposé à la surface au nord de 60N affaiblit suffisamment le flux vertical d'activité ondulatoire pour que levortex en résulte plus froid et plus fort également. Lorsque le forçage thermique est appliqué à la fois dans une bande équatoriale et dans une bande des moyennes latitudes, le forçage dans les subtropiques domine le signe de la réponse dans le vortex polaire.

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