La vapeur d’eau convergeant vers les régions polaires se condense en nuages quiretiennent la chaleur terrestre. Ces nuages donnent lieu à des précipitations, qui adoucissent les océans polaires et épaississent les calottes de glace. Sans changement des vents, le transport de vapeur d’eau est appelé à augmenter dans un climat plus chaud et donc les chutes de neige sur les calottes aussi. Le surplus d’humidité risque cependant de rétroagir sur le réchauffement de surface.Afin de contraindre les projections futures, cette thèse se propose d’évaluer la variabilité actuelle du cycle de l’eau dans les hautes latitudes. Elle s’appuie sur sept réanalyses globales et des observations par radiosondages allant de 1979 à 2013. Leurs biais intrinsèques et les approximations de calcul n’entament pas les conclusions principales de cette étude.En Arctique, mise à part une légère surestimation, le transport d’humidité dans les réanalyses est remarquablement proche des observations, aussi bien dans le temps que dans l’espace. Dans toutes les réanalyses, les vents dominants n’advectent qu’une fraction de la vapeur d’eau, de 6 à 11%, au profit des perturbations. D’après la plupart des sources, évaporation, précipitation et humidité atmosphérique augmentent en accord avec l’élévation des températures. Toutefois, les flux de vapeur d’eau ne suivent pas la loi de Clausius-Clapeyron car humidité et vents sont moins corrélés, notamment près de la surface.En Antarctique, le manque d’observations se fait sentir : la convergence de vapeur d’eau sur la calotte varie de 117 à 156 mm par an selon les réanalyses. Le transport côtier, très variable dans l’espace, résulte de l’alternance entre vents catabatiques et passage de perturbations. Sur la côte, les radiosondages signalent une augmentation significative des flux d’humidité vers le Sud. À l’échelle du continent en revanche, les réanalyses ne font étatde quasiment aucune tendance.Enfin, le rôle des phénomènes météorologiques d’échelle courte est évalué de nouveau, selon plusieurs méthodes. En particulier, les cyclones extratropicaux laissent dans les flux de vapeur d’eau une empreinte caractéristique qui peut être détectée et quantifiée. / The water vapour converging to the polar regions condenses into heat-trappingclouds and eventually precipitates, freshening the polar oceans and thickening the ice-sheets. Modulo circulation changes, the moisture transport is expected to increase in a warmer climate. While the extra precipitation could dampen the ice sheets’ contribution to sea level rise, the surplus of moisture could also feed back on the surface warming. However, the present variability of the polar moisture budgets must be known precisely before they can be projected with confidence into the future.This study examines the atmospheric water cycle of both the Arctic and the Antarctic in seven global reanalyses and in radiosonde observations covering the 1979-2013 period. The impacts of known model and assimilation flaws and of the various numerical approximations were evaluated and proven to be limited, at least for the moisture flux variable and the more recent reanalyses.In the Arctic, aside from a slight overestimation, the northward fluxes in reanalyses exhibit a remarkable agreement with the radiosoundings in terms of spatial and temporal patterns. In all reanalyses, transient eddies provide the bulk of the mid-latitude moisture imports – 89-94% at 70◦ N. In most datasets, evaporation, precipitation and precipitable water increase in line with what is expected from a warming signal. However fluxes do not scale with the Clausius-Clapeyron relation because the increasing humidity is not correlatedwith the meridional wind, particularly near the surface.The representations of the Antarctic atmospheric water cycle in reanalyses suffer from the scarcity of observations : the moisture convergence estimations vary from 117 to 156 mm per year. On the coast, the mean moisture flux results from the interplay between transient eddies and katabatic winds, which are particularly sensitive to the orography. The coastalradiosonde sites report significant increases of the southward moisture fluxes but otherwise there are practically no trends in reanalyses on a continental scale.Finally, the share of transient eddies in moisture advection is qualified using alternate methods. In particular, extratropical cyclones leave a characteristic imprint on the transport field, which can be detected and quantified.

Les variations climatiques en Afrique de l'Ouest ont un impact parfois catastrophique, particuliérement au Sahel ou les populations sont exposées aux aléas des ressources en eau. Cette thèse s'inscrit dans la recherche des différents modes de variabilités atmosphèrique et de leurs conséquences sur les processus qui générent les pluies, afin de mieux apprehender le climat et ses variabilités dans cette région. <br />Ce travail porte sur la part de la variabilité des précipitations au Sahel qui peut être expliquée par la variabilité atmosphérique. L'objectif principal est de comprendre comment les perturbations du champ de vent à 700 hPa - les ondes d'est africaines (AEWs) - agissent sur la convectionqui est elle meme à l'origine des précipitations. <br />Après avoir exposé les connaissances actuelles de la climatologie en Afrique de l'Ouest, et expliqué la méthodologie développée pour étudier les ondes d'est, la variabilité des précipitations est étudiée à différentes échelles. La modulation de la convection et des précipitations par les ondes est ensuite traitée et permet de distinguer des secteurs propices aux fortes précipitations, ou au contraire inhibiteurs. L'impact des ondes sur la dynamique et la thermodynamique atmosphérique est également abordé, en particulier dans les basses couches atmosphériques. Un autre aspect original de cette thèse est d'étudier comment les ondes d'est s'insèrent dans la variabilité interannuelle et intra saisonnière du flux de mousson. Après avoir mis en évidence des phases actives et inactives du flux de mousson, le comportement des ondes, de la convection et des précipitations est discriminé en fonction des phases de l'onde.

La neige est une composante essentielle du système climatique arctique. Au nord de l'Eurasie et de l'Amérique du Nord, la couverture neigeuse est présente de 7 à 10 mois par an et son extension saisonnière maximale représente plus de 40% de la surface terrestre de l'hémisphère nord. La neige affecte une variété de processus climatiques et de rétroactions aux hautes latitudes. Sa forte réflectivité et sa faible conductivité thermique ont un effet de refroidissement et modulent la rétroaction neige-albédo. Sa contribution au bilan radiatif de la Terre est comparable à celle de la banquise. De plus, en empêchant d'importantes pertes d'énergie du sol sous-jacent, la neige limite la progression de la glace et le développement du pergélisol saisonnier. Réserve d'eau naturelle, la neige joue un rôle essentiel dans le cycle hydrologique aux hautes latitudes, notamment en ce qui concerne l'évaporation et le ruissellement. La neige est l'une des composantes du système climatique présentant la plus forte variabilité. Le réchauffement de l'Arctique étant deux fois plus rapide que celui du reste du globe, la variabilité présente et future des caractéristiques de la neige est cruciale pour une meilleure compréhension des processus et des changements climatiques.Cependant, notre capacité à observer l'Arctique terrestre étant limitée, les modèles climatiques jouent un rôle clé dans notre aptitude à comprendre les processus liés à la neige. À cet égard, la représentation des rétroactions associées à la neige dans les modèles climatiques, en particulier pendant les saisons intermédiaires (lorsque la couverture neigeuse de l'Arctique présente la plus forte variabilité), est primordiale.Notre étude porte principalement sur la représentation de la neige terrestre arctique dans les modèles de circulation générale issus du projet CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) au cours du printemps (mars-avril) et de l’automne (octobre-novembre) de 1979 à 2005. Les caractéristiques de la neige des modèles de circulation générale ont été validées par rapport aux mesures de neige in situ, ainsi qu’à des produits satellitaires et à des réanalyses.Nous avons constaté que les caractéristiques de la neige dans les modèles ont un biais plus marqué au printemps qu'en automne. Le cycle annuel de la couverture neigeuse est bien reproduit par les modèles. Cependant, les cycles annuels d'équivalent en eau de la neige et de sa profondeur sont largement surestimés par les modèles, notamment en Amérique du Nord. Il y a un meilleur accord entre les modèles et les observations dans la position de la marge de neige au printemps plutôt qu'en automne. Les amplitudes de variabilité interannuelle pour toutes les variables de la neige sont nettement sous-estimées par la plupart des modèles CMIP5. Pour les deux saisons, les tendances des variables de la neige dans les modèles sont principalement négatives, mais plus faibles et moins significatives que celles observées. Les distributions spatiales des tendances de la couverture neigeuse sont relativement bien reproduites par les modèles, toutefois, la distribution spatiale des tendances en équivalent-eau et en profondeur de la neige présente de fortes hétérogénéités régionales.Enfin, nous concluons que les modèles CMIP5 fournissent des informations précieuses sur les caractéristiques de la neige en Arctique terrestre, mais qu’ils présentent encore des limites. Il y a un manque d’accord entre l’ensemble des modèles sur la distribution spatiale de la neige par rapport aux observations et aux réanalyses. Ces écarts sont particulièrement marqués dans les régions où la variabilité de la neige est la plus forte. Notre objectif dans cette étude était d'identifier les circonstances dans lesquelles ces modèles reproduisent ou non les caractéristiques observées de la neige en Arctique. Nous attirons l’attention de la communauté scientifique sur la nécessité de prendre compte nos résultats pour les futures études climatiques. / Snow is a critical component of the Arctic climate system. Over Northern Eurasia and North America the duration of snow cover is 7 to 10 months per year and a maximum snow extension is over 40% of the Northern Hemisphere land each year. Snow affects a variety of high latitude climate processes and feedbacks. High reflectivity of snow and low thermal conductivity have a cooling effect and modulates the snow-albedo feedback. A contribution from terrestrial snow to the Earth’s radiation budget at the top of the atmosphere is close to that from the sea ice. Snow also prevents large energy losses from the underlying soil and notably the ice growth and the development of seasonal permafrost. Being a natural water storage, snow plays a critical role in high latitude hydrological cycle, including evaporation and run-off. Snow is also one of the most variable components of climate system. With the Arctic warming twice as fast as the globe, the present and future variability of snow characteristics are crucially important for better understanding of the processes and changes undergoing with climate. However, our capacity to observe the terrestrial Arctic is limited compared to the mid-latitudes and climate models play very important role in our ability to understand the snow-related processes especially in the context of a warming cryosphere. In this respect representation of snow-associated feedbacks in climate models, especially during the shoulder seasons (when Arctic snow cover exhibits the strongest variability) is of a special interest.The focus of this study is on the representation of the Arctic terrestrial snow in global circulation models from Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) ensemble during the melting (March-April) and the onset (October-November) season for the period from 1979 to 2005. Snow characteristics from the general circulation models have been validated against in situ snow measurements, different satellite-based products and reanalyses.We found that snow characteristics in models have stronger bias in spring than in autumn. The annual cycle of snow cover is well captured by models in comparison with observations, however, the annual cycles of snow water equivalent and snow depth are largely overestimated by models, especially in North America. There is better agreement between models and observations in the snow margin position in spring rather than in autumn. Magnitudes of interannual variability for all snow characteristics are significantly underestimated in most CMIP5 models compared to observations. For both seasons, trends of snow characteristics in models are primarily negative but weaker and less significant than those from observations. The patterns of snow cover trends are relatively well reproduced in models, however, the spatial distribution of trends for snow water equivalent and snow depth display strong regional heterogeneities.Finally, we have concluded CMIP5 general circulation models provides valuable information about the snow characteristics in the terrestrial Arctic, however, they have still limitations. There is a lack of agreement among the ensemble of models in the spatial distribution of snow compared to the observations and reanalysis. And these discrepancies are accentuated in regions where variability of snow is higher in areas with complex terrain such as Canada and Alaska and during the melting and the onset season. Our goal in this study was to identify where and when these models are or are not reproducing the real snow characteristics in the Arctic, thus we hope that our results should be considered when using these snow-related variables from CMIP5 historical output in future climate studies.

Au sein du système complexe que constitue le climat, l'océan joue un rôle primordial. D'une part, il enregistre et intègre les effets du changement climatique; d'autre part, les échelles de temps de ses variations naturelles, et notamment son inertie thermique environ mille fois supérieure à celle de l'atmosphère, en font un acteur important susceptible de moduler les effets futurs du changement climatique. Cette thèse se propose de mettre en évidence des signatures du changement climatique d'origine anthropique dans l'océan. Pour cela, nous étudions les évolutions observées de la température océanique de sub-surface et de la salinité océanique de surface, au cours des trente à cinquante dernières années. Des méthodes statistiques de détection de la réponse au forçage anthropique sont utilisées pour déterminer si une influence humaine peut être détectée dans les changements récents observés.

Cette thèse porte sur l'amélioration d'une méthode de prévision probabiliste des précipitations adaptée par analogie, appliquée aux grands bassins versants de la Saône et de la Seine. En considérant un jour cible dont on souhaite prévoir les précipitations, cette méthode permet de rechercher dans une archive les situations météorologiques passées les plus similaires. Les cumuls pluviométriques des journées analogues sont ensuite exploités pour estimer de manière probabiliste la quantité de précipitations attendue pour le jour cible. Une étape préliminaire consiste à construire et à choisir les archives nécessaires à l'application de ce type de méthode. A partir de l'algorithme de sélection d'analogues développé par Bontron (2004) sur des bassins du Sud-Est de la France, la méthode de prévision est ensuite améliorée en introduisant deux nouvelles variables : la température, qui permet de prendre en compte les effets saisonniers ; et la vitesse verticale, qui vise à mieux caractériser les mouvements atmosphériques verticaux. Finalement, la méthode est appliquée en contexte de prévision parfaite (situations cibles extraites de réanalyses) sur la plus longue période possible, puis en contexte opérationnel (situations cibles générées par un modèle de prévision) sur une durée de trois ans. Les scénarios de prévision de précipitations sont également exploités par le modèle pluie-débit GR3P pour la prévision des débits sur les bassins de la Saône et de la Seine. De manière générale, les résultats montrent qu'avec ce type d'approche, il est possible d'obtenir une prévision de débit utile, sur les grands bassins tests, pour une échéance de l'ordre de la semaine.

La vapeur d'eau est une composante clé du système climatique. Sa distribution et sa variabilité sont des sources d'incertitude dans les modèles climatiques. L'utilisation d'observations et des réanalyses des Contenus Intégrés en Vapeur d'Eau (CIVE) peut faciliter leur évaluation. Dans ce travail, des données CIVE-GPS retraitées du réseau mondial ont été utilisées pour la période 1995-2010. Afin d'évaluer les incertitudes et les inhomogénéités dans les séries GPS, une comparaison globale avec les données de réanalyse ERA-Interim a été faite. Un bon accord général a été trouvé sur les moyennes, la variabilité et les tendances ait été trouvé. Des interruptions et inhomogénéités ont été constatées dans les séries GPS, ainsi que les problèmes de représentativité dans les zones côtières et de topographie complexe. Dans ERA-Interim, des tendances trop fortes ont été constatées dans certaines régions. ERA-Interim a aussi été comparé avec d'autres réanalyses (MERRA-2, ERA-20C, 20CR), et des différences ont été trouvées dans les tendances de les CIVE sur l'Afrique, l'Australie et l'Antarctique. Enfin, les jeux de données CIVE-GPS et CIVE-ERA-Interim ont été utilisés pour évaluer quatre configurations du modèle de circulation générale atmosphérique LMDZ avec deux physiques, libres et guidées avec les vents d'ERA-Interim. Il a été trouvé que la nouvelle physique est plus humide aux latitudes tropicales. Sans guidage, pour les deux physiques, le modèle présente des difficultés à reproduire les tendances et la variabilité obtenues par GPS et par ERA-Interim. Cela confirme l'importance de la dynamique à grande échelle pour les tendances et la variabilité des CIVE. / Water vapour is a key component of the Earth’s climate system, and its distribution and variability are sources of uncertainty in climate models. The use of long-term integrated water vapour (IWV) observations and reanalyses can help in their assessment. This work pioneered the use of reprocessed GPS IWV data for 1995-2010, converted from estimates of Zenith Total Delay. The conversion was assessed, with the goal of producing a high quality long-term IWV data set. Due to uncertainties in the GPS observations and homogeneity concerns, a global comparison with ERA-Interim reanalysis data was made. Although a general good agreement in means, variability and trends was found, issues in both data sets were highlighted. In GPS, gaps and inhomogeneities in the time series were evidenced, as well as representativeness differences in coastal areas and regions of complex topography. In ERA-Interim, too strong trends in certain regions were found. ERA-Interim was also compared with other reanalyses (MERRA-2, ERA-20C, 20CR), and differences were found in the IWV trends over Africa, Australia, and Antarctica. Finally, GPS and ERA-Interim IWV were used to assess four configurations of the LMDZ atmospheric general circulation model with two different physics and with or without nudging towards ERA-Interim wind fields. Impact of the model physics on the IWV mean was found, with the new physics being moister at tropical latitudes. Overall, the model free runs in both physics have difficulty reproducing the trends and variability observed in ERA-Interim and GPS. This is improved with the nudging, which confirms the importance of large-scale dynamics on IWV trends and variability.

Les gyres subtropicaux sont au coeur des changements observés au cours des dernières décennies. On y observe entre la surface et la pycnocline permanente une augmentation du contenu thermique de l’océan. La pycnocline permanente délimite un important réservoir de chaleur et joue un rôle majeur en empêchant la chaleur accumulée en surface d’atteindre les profondeurs de l’océan. La pycnocline permanente est donc d’un intérêt important dans un contexte de changement climatique. Pour la première fois et grâce au réseau de données Argo, nous avons été capables de déterminer les propriétés de la pycnocline permanente. L’objectif de cette thèse est de déterminer la structure de la pycnocline permanente et d’étudier sa variabilité au cours des dernières décennies. Une méthode de détermination objective de la pycnocline permanente a été développée. Cette méthode a d’abord été appliquée à l’océan Atlantique nord avec les données Argo puis à l’océan global. Une structure complexe de la pycnocline permanente a été mise en évidence avec de fortes différences d’un gyre à l’autre. La pycnocline permanente est la plus profonde et la plus épaisse dans le gyre subtropical nord Atlantique. Cela explique que le gyre subtropical nord Atlantique soit le plus grand réservoir de chaleur au monde. Ensuite, les relations entre la variabilité du contenu de chaleur et les propriétés de la pycnocline permanente ont été étudiées en s’appuyant sur des réanalyses océaniques. Au cours des dernières décennies, un réchauffement important de l’océan a été observé et particulièrement dans l’océan Atlantique nord. Ce réchauffement est principalement dominé par un approfondissement des isopycnes. Les déplacements verticaux des isopycnes induisent des changements dans la stratification et affectent les propriétés de la pycnocline permanente (profondeur et densité potentielle). / Subtropical gyres are central to the observed climate changes throughout the last decades. It is observed between the surface and the permanent pycnocline an intense increase in the ocean heat content. The permanent pycnocline delineates thus an important heat reservoir. The permanent pycnocline has a major role in preventing heat to reach the deep ocean and it thus of a relative importance in the context of climate change. For the first time and thanks to the development of the Argo array, we have been able to characterize the observed structure of the permanent pycnocline. The objective of this PhD thesis is to investigate the structure of the permanent pycnocline and its variability over the last decades. We developed an objective method to characterize the properties of the permanent pycnocline. This method has been first applied to the North Atlantic Ocean with Argo data and then to the global ocean. A complex structure of the permanent pycnocline emerges with strong differences from one gyre to another. The permanent pycnocline is found to be the deepest and the thickest in the North Atlantic subtropical gyre. It implies that the North Atlantic subtropical gyre is the largest heat reservoir on Earth. Then, ocean reanalyses have been used to investigate the changes in the permanent pycnocline properties in the North Atlantic subtropical gyre. Over the last decades, there is a strong warming of the upper ocean, especially in the North Atlantic subtropical gyre. The warming in the ocean is dominated by the heaving of isopycnal surfaces. This heaving strongly affects the depths of isopycnals and the stratification. This in turn affects the properties of the permanent pycnocline, especially its depth and potential density.

Le travail établit un diagnostique objectif de la fiabilité des données de réanalyse du NCEP/NCAR en Afrique tropicale aux échelles intra-saisonnière à interannuelle. Les réanalyses sont une base de données originale, disponible sur la période 1958-1998, combinant des données d'observations et des sorties de modèle atmosphérique, qui permet d'appréhender la dynamique atmosphérique à l'échelle globale. L'étude de la fiabilité de ces données nous a permis de dégager un certain nombre de recommandations pour leur utilisation. En Afrique tropicale, la période homogène à extraire pour l'analyse du climat va de 1968 à 1998. Cependant, au sein de cette période, la SMWDA, méthode statistique servant à détecter les ruptures d'homogénéité et à les localiser, a permis de mettre en évidence trois dates majeures: 1976/77, 1983/84 et 1987/88, que l'on retrouve dans un grand nombre de paramètres atmosphériques. Ce sont les paramètres de surface comme les précipitations qui sont le plus touchés par ces ruptures d'homogénéité. Les paramètres atmosphériques les plus fiables parmi les 12 testés sont les paramètres pour lesquels un grand nombre d'observations a été assimilé dans le modèle du NCEP (température de l'air, hauteur géopotentiel, vents ...). En Afrique tropicale, ces paramètres sont représentatifs de champs climatiques réalistes. Ce sont les paramètres liés au cycle hydrologique qui soulèvent le plus d'interrogations notamment du fait de la difficulté pour les valider. L'étude approfondie des précipitations a montré l'importance des écarts entre les réanalyses et l'observation. Les problèmes majeurs identifiés sont la présence de nombreuses ruptures de stationnarité, une sous-estimation marquée de l'amplitude du cycle saisonnier, la présence d'un signal basse fréquence dans les chroniques et l'incohérence dans la variabilité interannuelle. Face à ce constat, les précipitations du NCEP ne peuvent être utilisées dans une étude climatique sur le continent africain.<br />Le thème des téléconnexions entre les principales anomalies de températures de surface océanique (TSO) et la variabilité pluviométrique en Afrique tropicale a été investi afin de déterminer dans quelle mesure les réanalyses permettent d'améliorer les connaissances sur le rôle de la circulation atmosphérique. Les deux signaux océaniques qui ont des relations statistiques fortes avec la pluviométrie en Afrique tropicale sont d'une part les oscillations des TSO du Pacifique équatorial oriental (NINO3) signant le phénomène El Nino Southern Oscillation (ENSO), et d'autre part les variations plus lentes des TSO de l'Atlantique tropical sud (SATL). À l'échelle du continent africain, 5 types de téléconnexions ont été identifiés avec SATL en fonction de l'évolution saisonnière de la relation, et 4 types avec NINO3. Les réanalyses ont été utilisées pour mieux comprendre les mécanismes atmosphériques lors de l'occurence de ces téléconnexions. Pour les saisons des pluies juillet-septembre, octobre-décembre et janvier-mars, des analyses composites ont été réalisées en fonction des années d'occurence de fortes anomalies de TSO et des années anormalement sèches et pluvieuses sur différentes régions d'Afrique tropicale sur la période 1968-1998. La comparaison des différentes composites a permis de mettre en évidence des forçages océano-atmosphériques associés à l'ENSO,via les composantes méridienne et zonale de la circulation divergente de l'atmosphère, ainsi que des forçages océano-atmosphériques plus régionaux indépendamment de l'ENSO et des forçages atmosphériques associés à des conditions de surface continentale.

No description available.