Le rapport du Groupe Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat de 2001 soulignait le<br />niveau très imparfait de notre compréhension de l'effet des aérosols atmosphériques sur le climat. Ces<br />particules d'origines naturelles (poussières, aérosols volcaniques...) ou anthropiques (sulfates,<br />suies...) sont une des principales sources d'incertitude sur le changement climatique. Une des raisons<br />à cela est leur très grande variabilité spatio-temporelle. Par nature globale et quasi-continue,<br />l'observation spatiale des aérosols est donc un outil indispensable à leur étude.<br />Si la télédétection dans le domaine visible s'est beaucoup développée pour permettre de mieux<br />caractériser ces particules et leur effet sur le rayonnement solaire, l'utilisation de la télédétection dans<br />le domaine infrarouge est encore sous-exploitée. Or, non seulement la connaissance de l'effet des<br />aérosols sur le rayonnement terrestre est indispensable à l'évaluation de leur forçage radiatif total,<br />mais la télédétection infrarouge permet aussi la mesure de grandeurs inaccessibles à la télédétection<br />visible (observations possibles de nuit comme de jour, sur terre comme sur mer).<br />Dans cette thèse, nous montrons que les observations des sondeurs infrarouges permettent de<br />caractériser les aérosols en épaisseur optique infrarouge, en altitude, et en taille. Après une étude de la<br />sensibilité des propriétés optiques des aérosols à leur microphysique, et le développement d'un code<br />de transfert radiatif pour un milieu diffusant adapté à la haute résolution spectrale du sondeur de<br />nouvelle génération NASA-Aqua/AIRS, nous abordons le problème inverse. Les applications<br />présentées ici couvrent entre autres les aérosols stratosphériques volcaniques du Pinatubo, observés<br />avec le sondeur NOAA/HIRS, et la construction d'une climatologie de 8 ans des poussières<br />désertiques sur mer et sur terre avec ce même instrument. L'inversion des observations AIRS nous a<br />permis ensuite de déterminer l'épaisseur optique à 10 μm, l'altitude moyenne et le rayon effectif du<br />mode grossier des poussières au-dessus des mers.

Les précipitations en Afrique septentrionale se produisent principalement pendant la saison des moussons. Elles résultent de l'interaction des processus atmosphériques dans une large gamme d'échelles, ce qui rend leur prévision difficile. Les mécanismes de contrôle des précipitations sont examinés au cours d'un épisode bien documentée d'émission et de transport de poussières du 9 au 14 juin 2006. La même méthode pour la détection et le suivi des nuages a été appliquée sur les observations par satellite et plusieurs simulations numériques (avec convection explicite ou paramétrée) pour étudier les systèmes précipitants. Parmi les différents types de systèmes identifiés, les systèmes convectifs de mésoéchelle (MCS) produisent la majeure partie de la précipitation totale, avec une contribution observée de 66%. Les plus grands producteurs de précipitation sont les MCS à longue durée de vie (c'est-à-dire de plus de 6 h), à l'origine de 55% des précipitations. Ces MCS deviennent plus organisés, c'est-à-dire plus grands, plus longs et plus rapides, alors qu'ils propagent vers l'ouest. Les simulations permettant la convection reproduisent la partition de pluie, mais ne reproduisent pas complètement l'organisation des MCS à longue durée de vie. La simulation avec convection paramétrée ne parvient pas à représenter correctement la partition de pluie. Cela montre la valeur ajoutée apportée par les simulations permettant la convection. L'effet radiatif des poussières est ensuite analysé en comparant deux simulations permettant la convection, avec et sans interaction poussière-rayonnement. Les effets directs sont un réchauffement de niveau moyen et un refroidissement à proximité de la surface, principalement dans les parties occidentales de l'Afrique septentrionale, qui tendent à stabiliser l'atmosphère inférieure. Un effet semi-direct est une diminution des précipitations. Cette baisse des pluies s'explique par un nombre trop faible de MCS à longue durée de vie qui, néanmoins, ont une durée de vie plus longue et sont plus efficaces en termes de production de précipitations. La diminution du nombre de MCS à longue durée de vie est due à la stabilisation de l'atmosphère qui inhibe le déclenchement de la convection. / Precipitation in northern Africa occurs mainly during the monsoon season. It arises from the interaction of atmospheric processes across a wide range of scales, making its prediction challenging. The control mechanisms on precipitation are examined during a well-documented case study of dust emission and transport on 9-14 June 2006. The same method for cloud detection and tracking was applied on satellite observations and several numerical simulations (with explicit or parameterized convection) to investigate the precipitating systems. Among the various types of systems identified, mesoscale convective systems (MCSs) yield most of the total precipitation, with an observed contribution of 66%. The greatest precipitation producers are the long-lived MCSs (i.e., that last more than 6 h), at the origin of 55% of precipitation. These MCSs become more organized, i.e., larger, longer-lived and faster, as they propagate westward. The convection-permitting simulations capture the rainfall partition, but do not fully reproduce the organization of the long-lived MCSs. The simulation with parameterized convection fails to correctly represent the rain partition. This shows the added-value provided by the convection-permitting simulations. The radiative effect of dust is then analyzed, by comparing two convection-permitting simulations, with and without dust-radiation interaction. The direct effects are a mid-level warming and a near-surface cooling mainly in the western parts of northern Africa, which tend to stabilize the lower atmosphere. One semi-direct effect is a decrease in precipitation. This rainfall drop is explained by a too low number of long-lived MCSs which, nevertheless, are longer-lived and more efficient in terms of precipitation production. The diminution in the number of long-lived MCSs is due to the stabilization of the atmosphere inhibiting the triggering of convection.

La fixation de N2, ou diazotrophie, est un processus biogéochimique majeur en raison de son apport en azote nouveau dans la couche de surface de l’océan. Cependant ses facteurs de contrôle restent mal connus. Le fer, dont les concentrations de surface sont faibles, est un élément potentiellement limitant de la fixation de N2 du fait du contenu en fer important de la nitrogénase. En raison de leur découverte récente, peu d’études ont été menées sur les cyanobactéries diazotrophes unicellulaires (UCYN) pouvant être responsables de ~50% de la fixation de N2 à l’échelle globale. Des expériences en culture ont permis de caractériser et quantifier pour la première fois la réponse d’une UCYN, Crocosphaera watsonii, face à la limitation en fer. En condition de limitation en fer, il a été observé une réduction de la croissance et des taux de fixation de N2 ainsi qu’une stratégie d’adaptation des cellules avec une diminution de leur volume. La stimulation de la croissance et de l’activité de C. watsonii cultivées en condition de limitation en fer suite à l’ajout d’une pluie saharienne artificielle a permis de mettre en évidence qu’une partie au moins du fer issu de poussières désertiques est biodisponible. En Atlantique subtropical Nord, où nous avons déterminé une forte contribution de la fixation de N2 à la production nouvelle, nous avons observé une limitation de la fixation de N2 et de la production primaire principalement par les phosphates et mis en évidence le rôle des métaux traces dans le contrôle de la fixation de N2. Un ajout de pluie saharienne a permis de stimuler systématiquement la fixation de N2 et la production primaire. / Despite the biogeochemical importance of N2 fixation, which represents the largest source of newly-Fixed nitrogen to the open ocean, some uncertainties remain about its controlling factors. Iron (Fe) is widely suspected as a key controlling factor due to the high Fe content of the nitrogenase complex and to its low concentration in oceanic surface seawaters. N2 fixation rates associated with unicellular N2 fixing cyanobacteria (UCYN) were estimated to be ~50% of the total N2 fixation at global scale, but as they have been recently discovered few studies have been conducted on these organisms. We performed culture experiments in order to quantify for the first time the response of an UCYN, Crocosphaera watsonii, to Fe limitation. Reduction of ambient Fe concentration led to significant decreases in growth rate and N2 fixation rates per cell and we observed an adaptive strategy to Fe limitation with a cell volume reduction. Then, the enhancement of growth and activity of C. watsonii under Fe limitation condition after artificial Saharan rain addition highlighted that at least a part of the Fe released by the dust is bioavailable. In subtropical North Atlantic, an important contribution of N2 fixation to new production was observed and we showed that primary production and N2 fixation were globally P-Limited. We revealed that trace metals play a key role in controlling N2 fixation in this area. Saharan rain addition stimulated N2 fixation, presumably by supplying these nutrients. All these results contribute to our knowledge of the control of oceanic N2 fixation and provide new insight about interactions between Fe, nitrogen and carbon biogeochemical cycles.

Nous avons introduit, dans cette thèse, une représentation physique du soulèvement des poussières désertiques sur le Sahara, basée sur les travaux de Marticorena and Bergametti (1995) pour le calcul du flux horizontal des poussières et de Alfaro and Gomes (2001) pour le calcul du flux vertical de poussières optimisé par Menut et al.(2005). Pour valider le calcul du soulèvement de poussières dans le modèle LMDZ, nous avons utilisé la version”Chimere-dust” du modèle de chimie-transport Chimere. Les vents horizontaux des réanalyses ERA-I sont également utilisés pour guider le modèle LMDZ. L’ émission dépend de façon très non linéaire des tensions de vent en surface. Des simulations menées avec les versions ”physique standard” LMDZ5A et nouvelle physiqueLMDZ5B du modèle basée sur des développement récents des paramétrisations de la couche limite convective et de la convection nuageuse. Cette dernière version améliore la représentation du cycle diurne du vent par rapport aux réanalyses utilisées pour le guidage. Le cycle diurne du vent dans les observations et dans les simulations LMDZ montre un maximum marqué en fin de matinée. L'impact sur le soulèvement des poussières de la meilleure représentation du cycle diurne dans la « Nouvelle Physique » se traduit par un accroissement des émissions d'un facteur 2 à 3, venant confirmer l'importance des émissions matinales de poussières dans cette région du globe. La version LMDZ5B inclut également une paramétrisation des poches froides ou courant de densité créés sous les orages par ré-évaporation des pluies. Ces courants de densité sont connus pour contribuer largement au soulèvement des poussières au Sahel et au Sahara en période de mousson, au travers de la formation de haboobs.On montre ici comment une prise en compte relativement simple des bourrasques de vents associées aux poches(diagnostiquées dans le modèle au travers de la « Available Lifting Energy ») permet d'augmenter de façon significative le soulèvement de poussières, et de réconcilier le cycle saisonnier des simulations des concentrations de surface de la poussières et des épaisseurs optiques (sensibles elles à la colonne intégrée) avec les observations. / We have introduced in this thesis, a physical representation of the desert dust lifting over the Sahara, based on the work of Marticorena and Bergametti (1995) to calculate the horizontal flow of dust and the calculation of the vertical flux of dust following Alfaro and Gomes (2001) but optimized by Menut et al. (2005). To validate the calculation of dust emission in the LMDZ model, we used the "Chimere-dust" version of the chemistry-transport model Chimere. Horizontal winds from the ERA-I reanalysis are also used for nudging. The dust emission depends very nonlinearly on the surface wind shear. Simulations conducted with the version "physical standard"LMDZ5A and the version "new physic" LMDZ5B of the model LMDZ based on recent developments in the parameterization of convective boundary layer and cloud. This new version improves the representation of the diurnal cycle of wind relative to the reanalysis used for nudging. The diurnal cycle of wind from the observations and simulated by the version LMDZ5B show a maximum at the end of the morning. The impact of the better representation of diurnal cycle of wind on the dust lifting is the increasing emissions by a factor 2 to 3, that confirm the importance of dust emissions in the morning at this region of the globe. The version LMDZ5B also includes a parameterization of “cold pools” or density current resulting from the re-evaporation of rainfall in the base of the clouds. These density currents are known to contribute significantly to the dust lifting in the Sahel and the Sahara monsoon with the formation of “haboobs”. In this work, we show how a relatively simple consideration of density current's associated wind gusts (diagnosed in the model through the “Available Lifting Energy” ) allows to significantly increase dust lifting, and reconcile the simulations of the seasonal cycle of surface concentrations and the Aerosol Optical Thickness (AOT) of dust with observations.

Dans cette thèse, nous concevons et appliquons un système d'assimilation de données pour l'estimation des sources de poussières désertiques à l'échelle régionale. Nous assimilons des données d'épaisseur optique des aérosols à partir de produits satellitaires dans une configuration régionale d'un modèle de circulation générale, couplé à un modèle d'aérosol et à un module de production de poussières. Le vecteur de contrôle dans le système d'assimilation est composé des facteurs de correction pour les émissions obtenues par l'ébauche du module de production de poussières. Nous concentrons nos inversions sur l'Afrique du Nord et la péninsule arabique pour une période d'un an. Nous décrivons le module de production de poussières et le système d'assimilation. Les résultats de l'inversion et la validation par rapport à des mesures indépendantes sont ensuite présentés en détail. Nous poursuivons cette thèse en mettant l'accent sur la sensibilité des émissions de poussières au jeu de données d'observation. Pour cela, nous avons assimilé cinq produits différents d'épaisseur optique d'aérosols dans notre système d'assimilation de données. Nous avons identifié des erreurs systématiques dans le modèle et dans les observations, ainsi que les limites et les avantages de notre approche. Nous avons accordé une attention particulière à la définition des statistiques d'erreur et à la procédure numérique pour calculer les analyses. Nous proposons et mettons en oeuvre un schéma de correction de biais dans l'espace des observations, et nous évaluons sa performance. / In this thesis we design and apply a data assimilation system for the estimation of mineral dust emission fluxes at the regional scale. We assimilate aerosol optical depth retrievals from satellite-borned instruments in a regional configuration of a general circulation model, coupled to an aerosol model and to a dust production module. The control variable in the assimilation system are correction factors for the prior emissions of the dust production module. We focus our inversions over North Africa and the Arabian Peninsula for a one-year period. We describe the dust production module and the assimilation system. The inversion results and the validation against independent measurements is presented in detail. We continue this thesis with a focus on the sensitivity of the inferred dust emissions with respect to the observational dataset assimilated. For this purpose, we have assimilated five different aerosol optical depth retrievals in our data assimilation system. We have identified systematic errors in the model, in the observations and limitations and advantages of our approach. We have given special attention to the definition of the error statistics and the numerical procedure to compute the analyses. We propose and implement a bias correction scheme in the observational space, and we evaluate its performance.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la région d'Afrique de l'Ouest, où les sécherresses sont dévastatrices pour les populations, montre les plus fortes incertitudes sur l'évolution des précipitations. C'est aussi la première source de poussières désertiques au monde dont la production est en augmentation par la sur-exploitation des sols. Or ces poussières désertiques, associées à des épidémies de méningite, absorbent et diffusent le flux solaire entraînant alors une modification du taux d'échauffement atmosphérique. En modifiant le bilan radiatif atmosphérique elles sont alors succeptible d'influencer de la turbulence de fine échelle aux circulations atmosphériques de grande échelle. Seulement les processus en jeu dans les interactions entre les poussières désertiques et l'atmosphère sont très variés, complexes, et constituent une grande source d'incertitude dans la prévision numérique. Afin d'appréhender ces processus, un cadre de modélisation à été développé permettant à la fois la résolution explicite de la convection, la résolution du cycle de vie des poussières et de leur impact radiatif, et la prise en compte de leurs interactions sur toute l'Afrique de l'Ouest à échelle mensuelle. Sur un cas extrême de tempête de poussières en saison sèche, la forte quantité de poussières soulevée par le front entraîne une amplification par eux de la signature de la tempête. La modélisation explicite des poussières améliore la prévisibilité de la tempête. De manière plus statistique, pendant la mise en place de la mousson, en juin, la fréquente présence de poussières participe activement à l'initiation du saut de mousson. D'une part, en affaiblissant la dépression thermique Saharienne, un des principaux moteurs de la mousson, mais aussi, d'autre part, en renforçant le déplacement vers le nord du coeur de la zone de convergence inter-tropicale et des jets. A plus fine échelle, la présence de poussières impacte la localisation et le cycle diurne des systèmes convectifs. Les poussières modifient alors la couverture nuageuse dont les impacts radiatifs sont plus forts que l'effet direct des poussières. La prise en compte des effets semi-directs des poussières sont donc essentiels pour la prévision en Afrique de l'Ouest.

Cette thèse porte sur une méthodologie d’estimation des capacités d’un futur instrument spatioporté. Le cas d’étude est l’instrument Flexible Combined Imager (FCI) à bord du futur satellite Meteosat Troisième Génération Imageur (MTG-I), et plus particulièrement ses capacités à détecter des variations de quantité d’aérosols désertiques dans l’atmosphère. Une meilleure connaissance de ces aérosols fait partie des besoins régulièrement exprimés pour l’étude du climat, la prévision météorologique ou l’estimation de la ressource solaire dans des zones arides comme le Sahara. Ce type d’aérosols est abondant dans l’atmosphère. Leurs propriétés physico-chimique les rendent distinguables des autre types d’aérosols comme ceux résultant de la pollution d’origine anthropique, d’autant qu’ils sont émis dans des zones protégées des contaminations par ces autres types. Ils représentent donc un cas d’étude simple pour valider la méthodologie développée dans cette thèse.La méthodologie consiste à réaliser un simulateur de vue du sol par l’instrument, à effectuer de très nombreuses simulations des luminances mesurées par l’instrument sous diverses conditions atmosphériques et de l’albédo du sol, à analyser les résultats de manière à quantifier l’influence de chaque variable dans la variation de la luminance, puis à conclure quant aux capacités de détection grâce un critère de détectabilité prenant en compte les caractéristiques de l’instrument.Le simulateur développé a été validé par confrontation avec des mesures réelles de l’instrument SEVIRI à bord du satellite Meteosat Second Generation. L’innovation principale réside dans l’usage de l’approche d’analyse de sensibilité globale (GSA). Cette dernière quantifie l’influence de chaque variable séparément ainsi que les termes croisés. Elle exploite des fonctions de répartition statistique des variables extraites d’observations, et permet par conséquent d’obtenir une analyse de sensibilité réaliste. La GSA produit aussi des fonctionnelles modélisant l’influence d’une ou plusieurs variables sur la variabilité du signal observé et utilisables pour différentes applications dans la télédétection. / This thesis deals with a methodology to assess the capabilities of future spaceborne instruments. The case study is the Flexible Combined Imager (FCI) of the future Meteosat Third Generation Imaging mission (MTG - I), and in particular its ability to detect variations in load of desert aerosols in a realistically variable atmosphere. A better understanding of the behavior of these aerosols is part of regularly expressed needs for the study of the climate, weather forecast or assessment of the solar resource in arid areas such as the Sahara. This type of aerosols is abundant in the atmosphere. Their physical and chemical properties make them distinguishable from other types of aerosols such as those resulting from anthropogenic pollution, especially as they are emitted in areas protected from contamination by these other types. They therefore represent a simple case study to validate the methodology developed in this thesis.The methodology is to provide a simulator of the view of the instrument to perform a large number of simulations of the radiance measured under different atmospheric conditions and ground albedo, to analyze the results in order to quantify the influence of each variable in the variation of radiance, and then conclude on the capabilities of detection through a test of detectability taking into account the characteristics of the instrument.The developed simulator was validated by comparison against actual measurements of the SEVIRI instruments onboard Meteosat Second Generation satellites. The main innovation lies in the use of the global sensitivity analysis approach (GSA). The latter quantifies the influence of each variable separately as well as their crossed terms. Cumulative distribution functions were computed from actual observations and allow a realistic sensitivity analysis of the instrument. The GSA is also used to compute functional representation of the influence of one or more variables on the variability of the observed signal. The usefulness of such representations is discussed for various applications in remote sensing.